地震力作用下的黄土液化

贾 倩, 刘增荣

西安建筑科技大学（710055）

1 黄土液化和地震灾害概述

地震是当代人类面临的最大的自然灾害之一。全世界平均发生破坏性地震近千次,其中震级达7级或者7级以上的大地震约十几次，给人类带来了极大的灾难，严重的威胁了人们的财产和生命安全。

我国是一个黄土面积分布广、层厚大的国家，其地层层序之完整，成因类型复杂，均是举世闻名的。我国黄土类土主要是风积成因类型、也有冲积、洪积和冰水沉积等成因类型。

2 黄土液化原因及其主要影响因素

2.1 液化原因

当地震力振动作用到土体后,由于土粒大小形状和所受荷载不同导致土粒接触点处所受到的振动力大小与方向各异，从而破坏土粒间原有平衡，使土骨架受损，当土层中的含水量较高时，在动应力和水的共同作用下,孔隙水压力就可能上升，有效应力降低，抗剪强度减小,并引起地基失稳而沉陷或者滑动，这就是黄土的液化。

2.2 影响液化的因素

1）地震烈度：多次震害调查表明,烈度高的地区喷水冒砂较之烈度低的地区严重,一般在6度地区就很少看到有液化现象。室内动力试验表明，施加的动应力或加速度越大,持续时间越长，土样就越容易液化。为了将地震烈度作为一个统计因素纳入计算,可将烈度按表1转换为相应的地面最大加速度系数а（а=地面最大加速度/g），即地震系数。

表1 地震烈度与а的关系

2）土层埋深ds：对于一给定初始密度的土层，其顶板埋深越大，则上部土的自重压力增加。使土的液化可能性减小。另一方面，由于地震产生的动剪应力在地表下某一深度范围内随深度的增加而增大,而又使土的液化可能性在一定深度内随深度增加而增大的作用。土层埋深对液化势的影响反映了上述两项的综合作用。

3）标准贯入击数N：标准贯入击数（标贯数）常常用于判断天然砂土和轻亚粘土的密实程度。标贯数越高，表明土越密实，因而越不容易液化。

4）地下水位dw：地下水位的深度对液化有明显的影响。地下水位越深，越不容易液化。

5）上覆粘土层的厚度s：上覆粘土层的厚度越大，可液化土层所受的上覆压力也越大。使液化的可能性减小。

6）液化土层的厚度h：液化层厚度的大小对喷水冒砂也有影响。当液化层很薄时，即使在地震作用下发生液化，其体积压缩量也很小，由于体积压缩而排出的水量不多，从而超孔压引起的向上渗流通常不足以穿透上覆非液化土层而形成喷水冒砂。反之，则有此可能。一般认为，液化层越厚，引起喷冒的可能性越大。

7）粘土颗粒含量Ps：土的粘粒含量越高，颗粒间的粘结力增强，土结构特征改变。

8）塑性指数Ip：按现行《工业与民用建筑地基基础设计规范》，塑性指数越大，即土中粘粒含量越高，越不易液化。

2) 由于东墙和北墙为内墙，与邻室房间相连，故忽略内墙与邻室房间的热量传递，将内墙的边界条件近似设为绝热壁面.

9）平均粒径d50：土的粒径愈粗，渗透性愈大，孔隙水压力容易消散，因而不易产生液化；反之,土粒愈细，特别是其中含有较多粘粒时，由于粘着力较大、土颗粒不易离散，因而也不容易液化。

10）不均匀系数u：研究发现，颗粒均匀的土较级配良好的土易于液化。可液化土的不均匀系数u≤10。

3 国内外黄土液化研究现状

目前国内外有关黄土液化方面的研究较少，相关的研究主要集中在中国、美国、前苏联。

美国的研究主要在Missauri-Rolla大学。1982年Prakash首次提出了黄土液化的问题。根据对黄土状土进行等幅循环荷载下的振动三轴液化试验,得到了饱和黄土起始液化的轴向应变标准和孔隙水压力标准值。1984年Puri利用同样的试验方法，对美国中、西部的原状黄土、重塑黄土进行了研究，得出了饱和黄土的破坏标准和液化标准。Ishihara等对1989年前苏联塔吉境内由黄土地震液化引起的流滑现象的机理进行了调查研究。

1990年白铭学等分析了1920年海原发生的8.5级地震的震害。研究了高烈度地震时黄土地层的液化移动。刘公社、巫志辉研究了动荷载下饱和黄土的孔压演化规律及其在地震动力分析中的应用。王家鼎在2001年则根据此提出了一种强震作用下黄土斜坡滑移的复合机理。王兰民等根据液化试验的应力、应变及孔压时间过程曲线、液化前后的孔隙微结构的电镜照片和液化前后水中离子浓度的变化，分别从土动力学、水电化学和微结构角度分析了黄土液化的机理。中国建筑科学研究院地基基础研究所受宁夏地震局的委托，对宁夏固原原状黄土进行了室内液化试验，得出了固原饱和黄土的孔压增长模型。河海大学刘汉龙等通过室内饱和击实黄土动三轴试验来模拟强夯黄土地基的液化势，研究认为对强夯处理的黄土，若处于饱和或近饱和状态，在动荷载作用下会发生液化并引起较大变形。何开明在2001年初步分析了黄土与砂土在液化机理、孔压增长模型、体积压缩系数及渗透系数方面的差异以便认识黄土液化具有孔压增长快、消散慢和沉降大的特性。2002年何开明与王志刚等用有限元方法对碎石桩黄土复合地基抗液化性状进行了数值分析,为在黄土地区开展碎石桩处理方法提供了理论依据。2006年王峻等通过往返加荷动三轴试验，认为兰州某民用机场扩建工程场地的饱和黄土和饱和砂土更容易发生液化。闫华林等用固结不排水方式对饱和原状黄土进行了动三轴试验，分析了不同的有效围压、循环应力比、加荷频率、饱和度及超固结比对饱和黄土液化的影响。

4 亟待解决的问题

由前述可知,前人在黄土液化的理论研究方面已取得了一些成果，但仍有一些问题亟待深入解决。

4.1 黄土液化的试验方法

黄土液化与砂土液化在机理与表现上均有一定的差异，砂土的试验方法不能套用于黄土试验。在上述的研究中认为由于孔压的传递,使孔压上升到一定的制约而达不到有效围压。仅为其70%～90%，其孔压标准为Ud/σ0=0.7。就饱和黄土的液化标准展开了讨论并系统地对饱和黄土的液化势及其影响因素进行了研究。但目前现有的实例资料较少,一般都是基于随机地震波荷载作用下的动三轴试验来进行试验研究,计算预测不同超越概率下黄土液化的方法,所取得的室内初步试验结果有待进一步深入的验证。

4.2 动荷载下孔压与应变的发展规律

4.3 强震作用下黄土层低角度滑移产生的条件

黄土地层发生液化滑移的内因条件是必须具有比较完整的晚更新世以来的黄土地层剖面,并且其中存在饱含水的砂层或砂质黄土。这种条件只存在二级以上的黄土阶地或低的黄土台原上才能同时具备,外因条件是黄土地层发生低角度滑移需要较强的地震动力条件。这两个条件要在地震烈度达到9°或者9°以上才能满足。但已有的液化资料中，绝大部分取自沿海地区冲积、洪积、海积地层，内陆地震或其他成因类型的砂土液化震例非常少。宁夏海原地震则是一个高烈度内陆的实例。但关于黄土地层角度滑移机理与预测方法研究较少，可进一步开展。

[1]白铭学,张苏民.高烈度地震时对黄土地层的液化移动[J].工程勘察,1990,(6)：1-5.

[2]石兆吉,王兰民..土壤动力特性、液化势及其危害性评价[M].北京：地震出版社,1999.

[3]Prakash S,Puri V K.Liquefaction of loessial soils[A].In：Anon.Proc.Of Third International Conference on Seismic Microzonation,Seattle,Wash.(VolⅡ)[C].[s.l.]：[s.n.],1982.1 101-1 107

[4]何开明,王兰民,王俊等.黄土液化与砂土液化的差异浅析[J].地震研究，2001，24（2）：89-94.

[5]谢定义.试论我国黄土力学研究中的若干新趋势[J].岩土工程学报,2001,23(1)：3-13.