馮 立，葛瑞華，郭 康，劉亞明

(西北大學(xué) 地質(zhì)系，陜西 西安 710069)

2008年5·12特大地震中，位于甘肅省清水縣郭川鄉(xiāng)的田川村發(fā)生了飽和黃土的液化滑移災(zāi)害，給人們及國(guó)家造成了巨大的損失［1］。震害實(shí)例調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)研究表明:飽和原狀黃土以及高含水量的黃土具有較大的液化勢(shì)和流動(dòng)破壞勢(shì)［2］。一旦地震來臨，必有可能加重其震害。對(duì)此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了研究，Ivsic［3］以每個(gè)循環(huán)的孔壓增量與土性、循環(huán)荷載及初始應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系為基礎(chǔ)，建立了孔隙水壓力模型。王炳輝等［4］在不同相對(duì)密度、不同固結(jié)比條件下將均等固結(jié)的孔壓增量模型拓展為適用于不同相對(duì)密度、均等和非均等固結(jié)條件的孔壓增量模型。李蘭等［5］研究了黏粒含量對(duì)黃土抗液化能力的影響。楊振茂等［2］對(duì)黃土液化的試驗(yàn)方法、液化機(jī)理、液化判別標(biāo)準(zhǔn)、液化影響因素、孔壓發(fā)展特點(diǎn)等開展了大量研究工作，取得很多有意義的成果。廖勝修等［6］對(duì)多起黃土地基夯實(shí)處理過程中機(jī)械振動(dòng)引起的黃土液化的實(shí)例予以報(bào)道和分析，以實(shí)際資料說明飽和黃土在一定的振動(dòng)條件下，是容易發(fā)生液化的，黃土液化后呈現(xiàn)泥流狀，并不再具備承載力。

雖然，國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者在蘭州地區(qū)對(duì)飽和黃土的液化問題進(jìn)行了諸多研究，且在探索其形成機(jī)制和變形機(jī)制的方面取得了一些成果，但是對(duì)黃土液化的機(jī)理及孔壓發(fā)展的規(guī)律的研究仍具有很大的局限性。因此，需要繼續(xù)進(jìn)行這方面的研究。對(duì)于飽和原狀黃土的液化研究，由于地震荷載是一種隨機(jī)動(dòng)荷載，大多具有明顯的不規(guī)則性和不對(duì)稱性。本次通過Seed［7］等提出的轉(zhuǎn)換方法將地震荷載轉(zhuǎn)換為基于等幅荷載下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，同時(shí)由于問題的復(fù)雜性和儀器設(shè)備功能的限制，因此，對(duì)飽和原狀黃土液化的研究施加正弦波循環(huán)振動(dòng)荷載，并采用應(yīng)力控制。

本文擬通過對(duì)飽和原狀黃土的液化試驗(yàn)研究，分析飽和黃土的液化特性，以期為本地區(qū)工程抗震和震害預(yù)防提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)儀器、試樣和試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)所用試驗(yàn)儀器是西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的GDS雙向振動(dòng)三軸儀(圖1)。試樣直徑38 mm，高76 mm。試樣取自甘肅蘭州市永靖縣，其各項(xiàng)物性指標(biāo)見表1所示。

試驗(yàn)固結(jié)比 Kc為 1.0;圍壓 σc分別采用 50、100、150 kPa;激振頻率 f分別為 0.1、0.5、1、2 Hz;在某一圍壓下，控制軸向振幅為 0.5 mm、0.75 mm、1 mm、1.25 mm、1.5 mm、1.75 mm、2 mm、2.25 mm、2.5 mm、2.75 mm;振幅按照逐級(jí)增大的控制方式且每級(jí)振幅下振動(dòng)20次。

黃土的液化試驗(yàn)采用原狀試樣。經(jīng)多次試驗(yàn)，采用了水頭飽和方法。采用水頭飽和的方法可在2 h內(nèi)使原狀黃土的飽和度達(dá)到90%以上，達(dá)到《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范(GB50025－2004)》對(duì)飽和黃土飽和度的要求，又不致使試樣的結(jié)構(gòu)在飽水過程中破壞。

圖1 GDS雙向振動(dòng)三軸儀

表1 原狀黃土的物性指標(biāo)

通過動(dòng)力加載不排水試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)土樣的外部變形程度(圖2)及一系列關(guān)于土體應(yīng)力應(yīng)變及孔壓發(fā)展的變化曲線，表明飽和黃土是可以達(dá)到初始液化的，因此考察了飽和原狀黃土的液化特性，并在此基礎(chǔ)上探討了飽和黃土在液化過程中的孔壓發(fā)展規(guī)律。

圖2 試驗(yàn)結(jié)束后土樣變形程度

2 飽和黃土的液化特性分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變滯回圈

以有效固結(jié)圍壓為100 kpa，等壓固結(jié)下，選取振幅 A=1 cm時(shí)的液化試驗(yàn)為例對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變滯回圈將液化過程分為三個(gè)階段。由圖3可知:在0～5次振動(dòng)周期時(shí)，滯回圈都呈不規(guī)則似橢圓形。在軸向應(yīng)變處于峰值時(shí)，拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均出現(xiàn)變化，但振動(dòng)次數(shù)之間的滯回圈路徑變化不大，最大、最小應(yīng)力幾乎相等，可以認(rèn)為土樣還處于粘彈性階段。隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，在6～10次振動(dòng)時(shí)，曲線出現(xiàn)變化，拉、壓應(yīng)力的幅值減小，同時(shí)相鄰的滯回圈差異逐步變大。說明土樣已進(jìn)入粘塑性階段。土體初始具有的結(jié)構(gòu)性已經(jīng)被破壞，趨向于形成另外一種更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)發(fā)展，隨著振次的增大，在10～15振動(dòng)周期，已經(jīng)基本上處于這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)階段，滯回圈路徑幾乎重疊，這種新的土體結(jié)構(gòu)在一定變形范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的抗剪切變形能力。隨著振動(dòng)次數(shù)的進(jìn)一步增加，在15～20次振動(dòng)時(shí)，滯回圈的形狀較初始階段發(fā)生了明顯的變化，即滯回圈不再是橢圓形，軸向偏應(yīng)力逐漸減小，土樣強(qiáng)度下降。若繼續(xù)振動(dòng)則偏應(yīng)力會(huì)不斷下降，直至為零，此時(shí)土樣將完全喪失抗剪強(qiáng)度，土樣破壞。

黃土在振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，當(dāng)遇到反向荷載時(shí)，黃土的結(jié)構(gòu)即發(fā)生劇烈調(diào)整，而在應(yīng)變減少時(shí)則需要更大的應(yīng)力。這說明，黃土在動(dòng)力作用下發(fā)生塑性變形，該變形在荷載減小時(shí)并不恢復(fù)，當(dāng)反向作用力大到不能克服黃土顆粒間的摩擦阻力時(shí)，應(yīng)變才開始向反方向發(fā)展。而且變形處于粘塑性階段時(shí)，土體趨向于一種更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)發(fā)展，而不是破壞。楊振茂［8］等對(duì)土樣在振動(dòng)液化過程中的這種發(fā)展也有類似的研究，研究飽和黃土的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度特性及超同結(jié)對(duì)其不排水性狀的影響。對(duì)比分析了黃土與砂土靜力液化特性之間的異同，提出了飽和黃土流滑破壞的產(chǎn)生條件和穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度判斷飽和黃土能否產(chǎn)生液化流滑的方法。

圖3 動(dòng)荷載下飽和原狀黃土偏應(yīng)力和應(yīng)變的滯回圈

2.2 動(dòng)孔壓

圖4是有效固結(jié)圍壓100 kPa，等壓固結(jié)的條件下的動(dòng)孔壓、偏應(yīng)力、應(yīng)變的發(fā)展曲線。從圖2(a)、(b)、(c)可以看出:孔壓隨振次的增長(zhǎng)同樣可以分為三個(gè)階段:在變形初始階段，孔壓增長(zhǎng)相對(duì)比較快;隨著變形增大到某一值時(shí)，孔壓增長(zhǎng)速度突然加快，進(jìn)入第二個(gè)階段;當(dāng)殘余變形增大到一定程度后，孔壓增長(zhǎng)又逐漸變緩，直至最后孔壓基本保持不變。在第一階段，應(yīng)變以彈性為主原因在于尚且存在較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，土體體變還不算明顯;在第二個(gè)階段，隨著振次的增加，顆粒之間的粘結(jié)開始逐漸松動(dòng)失效，同時(shí)易溶鹽和中溶鹽大量溶解，使得中、大孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度被破壞而崩塌，土體顆粒散落于這些孔隙中，土體體變表現(xiàn)為強(qiáng)烈的剪縮特征，故而孔壓急劇上升;另一方面，孔壓的上升導(dǎo)致有效應(yīng)力急劇降低，這進(jìn)一步削落了土體的抗剪切變形能力，使得應(yīng)變急劇增大，孔壓增長(zhǎng)速率也增大;第三階段，由于原先的大孔隙結(jié)構(gòu)已被破壞并過渡為另外一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，體積剪縮量大大減少;隨著剪切帶的形成，土體的變形范圍越來越集中于剪切帶內(nèi)，故而體變量更進(jìn)一步變小，孔壓的變化也越來越緩慢直至趨于穩(wěn)定。

根據(jù)孔壓的發(fā)展規(guī)律說明:土體在小振動(dòng)和較少振動(dòng)下向一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)展，而不是發(fā)生破壞。同時(shí)從圖2可以看出應(yīng)變小于1%時(shí)孔壓的增長(zhǎng)速率快;達(dá)到1%以后孔壓增長(zhǎng)速率減小，在應(yīng)變達(dá)到2%后，孔壓的最大值上升到有效圍壓，初始液化;同時(shí)偏應(yīng)力迅速減小，孔壓趨于穩(wěn)定，并且試樣在應(yīng)變達(dá)到3%以后發(fā)生破壞，此時(shí)偏應(yīng)力衰減趨于0。

圖4 動(dòng)荷載下飽和原狀黃土試樣孔壓、應(yīng)變和偏應(yīng)力的發(fā)展

2.3 應(yīng)變與孔壓

圖5 動(dòng)荷載下飽和原狀黃土試樣孔壓和應(yīng)變的曲線(100 kpa)

圖5所示，在初始階段，小軸向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)對(duì)應(yīng)著大幅增加的孔隙水壓，而在曲線的后期，應(yīng)變大幅增加，但是孔隙水壓卻基本保持不變。這說明前后期的軸向應(yīng)變引起的體積應(yīng)變不同，開始階段由于軸向應(yīng)變與體應(yīng)變相聯(lián)系而導(dǎo)致較大的孔隙水壓力的增幅，而后期的軸向應(yīng)變主要是由于部分液化而產(chǎn)生的剪切破壞變形，此時(shí)，試件的體應(yīng)變?cè)黾硬⒉欢?，因此孔隙水壓力變化不大。常方?qiáng)等［9］進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)測(cè)試不同強(qiáng)度粉土的液化特性，并建立了土的強(qiáng)度與動(dòng)剪應(yīng)力比的關(guān)系，探討土的強(qiáng)度和動(dòng)應(yīng)力對(duì)液化的影響。結(jié)合研究表明:在一個(gè)動(dòng)荷循環(huán)內(nèi)，軸向應(yīng)變的變化影響到孔隙水壓力的變化。

3 結(jié)語

本文研究了蘭州飽和原狀黃土的液化現(xiàn)象，根據(jù)飽和黃土在動(dòng)荷載振動(dòng)作用下的液化試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論:

(1)黃土振動(dòng)液化過程中應(yīng)力－應(yīng)變的滯回特性隨著振動(dòng)次數(shù)的增加發(fā)生變化。

(2)本文分析了黃土在振動(dòng)液化過程中動(dòng)孔壓的變化規(guī)律。孔壓隨振次的增長(zhǎng)可以分為三個(gè)階段:在變形初始階段，孔壓增長(zhǎng)比較快;當(dāng)殘余變形增大到一定程度后，孔壓增長(zhǎng)又逐漸變緩，直至最后孔壓基本保持不變。同時(shí)根據(jù)孔壓的發(fā)展規(guī)律，表明土體在小振動(dòng)和較少振動(dòng)條件下向一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)展，而不是發(fā)生破壞。

(3)研究表明，黃土的軸向應(yīng)變與孔隙水壓力存在一定的關(guān)系，在一個(gè)動(dòng)荷循環(huán)內(nèi)，軸向應(yīng)變的變化影響到孔隙水壓力的變化。應(yīng)變?cè)?%時(shí)孔壓發(fā)生明顯變化，其增長(zhǎng)速率由快變慢;在應(yīng)變達(dá)到2%后，孔壓的最大值上升到有效圍壓，同時(shí)偏應(yīng)力迅速減小，孔壓趨于穩(wěn)定。

［1］王謙，王蘭民，袁中夏，王平，丁風(fēng)梅.汶川地震中甘肅清水田川黃土液化的試驗(yàn)研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2012，39(2):116－120.

［2］楊振茂，趙成剛，王蘭民.飽和黃土液化的試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2005，24(5):864 －871.

［3］Ivsic T. A model for presentation of seismic pore water pressures［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2006，26(2－4 SPEC ISS):191－199.

［4］王炳輝，陳國(guó)興，李方明.飽和南京細(xì)砂孔壓增量模型的普適性研究［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào).2010，30(5):487－496.

［5］李蘭，王蘭民，石玉成.黏粒含量對(duì)甘肅黃土抗液化性能的影響［J］.世界地震工程.2007，23(4):102 －106.

［6］廖勝修，程菊紅.黃土場(chǎng)地震動(dòng)液化實(shí)例［J］.西北地震學(xué)報(bào).2007，29(1):54 －57.

［7］Seed H B，I driss IM.Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential［J］. Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1971，(SM9):1249－1273.

［8］楊振茂，趙成剛，王蘭民，饒為國(guó).飽和黃土的液化特性與穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2004，23(22):3853 －3860.

［9］常方強(qiáng)，賈永剛.黃河口不同強(qiáng)度粉土液化特性的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué).2011，32(9):2692 －2696.