饱和黄土液化标准的试验研究

2011-01-25孙海妹王兰民刘红玫

地震工程学报 2011年1期

孙海妹，王兰民，王平，刘红玫

（1.中国地震局兰州地震研究所，甘肃兰州 730000；2.中国地震局黄土地震工程开放实验室，甘肃兰州 730000;3.甘肃省岩土防灾工程技术研究中心，甘肃兰州 730000；4.兰州大学，甘肃兰州 730000)

0 前言

统计资料表明，西安、太原、兰州等黄土地区城市近年来地下水位都已普遍回升。尽管黄土物理性质与黏土有相似之处，但由于独特的大孔隙结构和弱胶结特征，它有其自身的特点，不应与一般黏性土相混淆。在一定条件下，半干旱气候条件下风成黄土具有较大的液化势。1920年宁夏海原的8.5级大地震以及1989年塔吉克发生的5.5级地震，均在黄土层中触发了广泛的液化，造成严重破坏[1]。黄土液化已造成的灾害、性质的不同和范围的扩大都说明将饱和黄土与一般性黄土以及饱和黏土进行区别，单独对其进行深入研究的必要性和紧迫性。尽管黄土在水和地震作用下孔隙水压力的发展有时不能达到有效固结围压，而是产生较大的变形，但是其液化后较低的抗剪强度和大变形对结构物、生命线工程安全有着较大的影响。因此，研究黄土地震液化中的变形规律对于分析液化的危害性极为重要。

Prakash 和Puri (1982)[2]指出，美国黄土状粉土中的黏土成份延缓了孔压的发展过程，在所有的试验中，10%的轴应变多发生于“初始液化”前。Ishihara （1990）[3]针对由1989年塔吉克5.5级地震触发的黄土滑坡现象，指出半干旱地区的风成黄土层也会液化，深达15m的农业灌溉造成土层的不稳定。高含水量黄土的塑性降低，黄土的残余强度降低到2-15kPa是这种现象发生的两个根本原因。国内也对饱和黄土的液化现象进行了众多研究[4-8]。

前人在饱和黄土振动液化的研究中，对孔隙水压力的上升给予了较大兴趣，建立了众多的孔压模型[7-9]。由于孔压上升所受到的影响因素较多，饱和黄土的孔压上升过程一直未能得出统一的认识，孔压能否上升达到有效固结围压一直是一个争执的焦点，而在孔压上升过程中产生较大的变形以及变形和孔压的关系得到了公认。本文主要从试验角度研究不排水情况下，对饱和黄土在荷载振动作用下应变的变化规律，以及应变和孔压的相互关系进行分析，提出黄土液化标准，为工程抗震和震害预防提供理论依据。

1 试验基本情况

本文的试验是以英国WF公司生产的空心圆柱扭剪仪的动三轴试验系统为试验平台进行的兰州原状黄土饱和、液化试验。该仪器通过伺服控制将气压转为水压，对试样施加压力。竖向荷载采用气动作动器施加；围压及反压均通过气转水系统施加。试验过程完全通过计算机软件来控制和设计；试验数据数字化，并且试验软件可以进行基本的数据处理和图形显示以及向其它软件如Excel输出数据。

试验采用兰州榆中县一个工程场地的原状黄土，该场地地层主要为黄土状粉土。土样的物性指标、粒径分布如表1所示。试验用的试样尺寸为50（直径）×100（高度）mm。试样采用反压饱和法进行饱和，使用该法可在 2—3小时内使土样达到完全饱和，即饱和度达到95%以上[10-15]。试验中采用正弦等幅循环荷载，频率为1Hz。

表1 试验所用黄土的物性指标

2 试验成果及分析

2.1 均压固结下的孔压、应变特性

本组试验是将原状黄土试样饱和、均压固结后，施加不同大小的循环荷载进行液化破坏试验。图1所列试验的固结围压130 kPa，动荷载 25 kPa，循环应力比为0.1。

图1为动荷载作用下轴应变和孔压时程曲线。从图1可以看出，在加荷的前几周，振动孔压平缓增加，约在第10振次时振动孔压快速增加。当应变小于 2%时,孔压和应变增长缓慢；应变大于 2%后,孔压和应变增长加快；当应变达到 3%时,孔压在一个周期内的波动增大，即孔压的峰值在增加，但其谷值在下降；当应变大于3%后, 一个周期内的孔压波动达到了90 kpa，孔压持续上升直至达到有效围压，即 3%应变发生在初始液化前。在“初始液化”前，土样由于应变太大而破坏。

图1 动荷载下轴应变和孔压时程图Fig.1 The history of axial strain and pore pressure in loading.

图2为轴向应变与孔隙水压关系曲线。从图中可看出，振动的初始阶段轴向应变的峰值与孔隙压力的峰值相对应。到振动后期，两者的峰值不再对应，即当应变达到峰值时，孔隙水压没有达到最大值。在曲线的初始，小轴向应变增长对应着大幅增加的孔隙水压；而在曲线的后期，应变大幅增加，孔压变化相对不大。这说明前期与后期的轴向应变引起的体应变不同，开始阶段的轴向应变与塑性体应变紧密联系，导致较大的孔隙水压力增幅，而后期的轴向应变主要是由于某一区域液化而产生的剪切破坏变形，此时，试件的塑性体应变增加并不多，因此，孔隙水压力变化不大[16]。

试验表明，兰州黄土的轴向应变与孔隙水压力存在一定的对应关系，在一个动荷循环内，轴向应变的变化影响到孔隙水压力的变化。当应变小于2%时，孔压和应变增长缓慢。这说明，在应变小于2%时，黄土的结构相对稳定，孔压可以持续上升。应变达到 2%后，孔压相对稳定后继续上升；当应变大于3%以后，孔压可能上升到有效围压，即3%应变通常出现在孔压达到有效围压之前，但由于试样的轴向应变太大多会造成试样在“初始液化”前破坏，一般很难观察到饱和黄土在动荷载作用下的“初始液化”现象。

图2 动荷载下孔压和应变的关系Fig.2 Relationship between pore pressure and axial strain in loading.

图3 荷载和应变的滞回圈Fig.3 The hysterisis loop of load and axial strain.

原状黄土试样在动荷载作用下的应力一应变关系有两个特点：一是非线性，二是滞后性。从图3可看出：在初始振动阶段，滞回圈呈不规则椭圆形。随着振动次数的增加，滞回圈明显变大，拉应变的幅值大幅增加，压应变的幅值变化较小，同时相邻振次之间的滞回圈差异逐步变大，说明出现了残余的塑性应变，土样已进入黏塑性阶段。随着振动次数的进一步增加，应变的增幅继续增大直至达到破坏。滞回圈的形状较初始阶段发生了明显的变化，即滞回圈不再是椭圆形，在轴向力为0处，应变出现了较大的突变，说明黄土在高应变处结构不稳定。虽然本试验中轴向应变并没有达到传统意义上的液化标准——应变达5.0%，但我们观察到，应变达到 3%后，在荷载和孔压变化不大的情况下，轴应变继续增加。直至在轴应变变化不大的情况下，荷载消减为0。

从试验结果得出结论，均压固结条件下，饱和原状黄土在应力控制循环荷载作用下，饱和黄土孔压和应变发展特点为：加荷初始阶段就能显示出明显的孔压和应变变化，且它们是随振次的增加而逐渐增大的，而不是象饱和松砂那样，在接近破坏时出现孔压陡增或应变突然变大的散体结构崩溃式的液化现象。在某一振次时，黄土试样中可能会出现残余孔压等于初始有效固结围压的“初始液化”现象。之后，产生“循环活动性”。也有可能在残余孔压等于初始有效固结围压前，由于应变太大导致试样破坏。土体的软化程度越大，刚度下降越大，双幅应变值越大，因此可用双幅应变的发展来间接反映土体的软化。3%应变一定出现在初始液化前。应变大于 3%之后，一个周期内的孔压波动出现明显增加，试样的轴向应变大幅增加，以致在孔压未能达到有效围压的情况下，就造成试样破坏。

黄土振动孔压波动要比砂土振动孔压波动大，在 3%轴应变前后，一个周期内的孔压波动一般能超过1/4有效围压。对于黄土，在加荷过程中当试样受拉时，试样内可能出现负孔压(即静、动孔压之和小于静孔压)，这可能是土层结构性的影响。

2.2 偏压固结条件下的孔压、应变特性

图4是固结有效围压130kPa，固结比1.2时孔压和轴应变的时程曲线。从图中看出，偏压固结下，循环荷载作用下的孔压上升曲线和均压固结下的孔压上升曲线形态近似，在初始阶段都是匀速上升，随后上升速率加快。和均压固结条件下不同的是，偏压固结下的孔压最大值达不到有效围压。本试验的孔压值在290周期时为最大，为124kPa，是有效围压的95%，而此时的轴向变形约为28%，土样已经破坏。轴应变在263周期时达到3%，随后在孔压上升较慢的情况下，残余应变由于微结构破坏而得到充分增长。

图4 动荷下饱和原状黄土试样孔压和应变的发展Fig.4 Development of pore pressure and axial strain in loading.

试验结果表明，偏压固结条件下的饱和原状黄土试样在振动破坏过程中，孔压的最大值不能达到有效围压。3%的轴向应变破坏总是出现在孔压的最大值之前，在达到最大孔压之前，试样一般已经破坏。

3 液化破坏标准

研究表明，砂土的100%孔压比伴随着大变形，其液化标准是100%孔压比和10%的应变。而对于黄土来说，在孔压比达到100%以前，应变已达到相当大的程度造成土样破坏，100% 的孔压比很难达到。在地震作用下，黄土的大变形甚至可以在没有孔压大幅度增长的情况下发生。或许没有达到100%的孔压比，但是由于循环荷载造成土结构的重塑、孔压的发展，引起剪应力强度降低，造成大变形，引起土样破坏。因此饱和原状黄土的液化破坏更多是由它的变形特征来控制，而不是由孔压发展来控制。在这种情况下，建议用应变的百分比来作为定义液化和动强度丧失的重要指标。

从试验看出，饱和原状黄土在应力控制循环荷载作用下，在轴应变达到 3%时，孔压比的变化范围可达到 0.2—1.0，孔压的增长受试验方法、仪器测量精度影响较大。均压固结条件下，应变大于3%之后，一个周期内的孔压波动出现明显增加，一般能达到1/4有效围压。试样的轴向应变大幅增加，以致在孔压未能达到有效围压的情况下，就造成试样破坏。偏压固结条件下，孔压的最大值不能达到有效围压，3%的轴向应变破坏总是出现在孔压的最大值之前，一个周期内的孔压波动出现明显增加，在达到最大孔压之前，试样一般已经破坏。

考虑到3%应变一定发生在“初始液化”或“最大孔压”之前以及轴应变大于3%后，轴应变增长的线性、一个周期内孔压的大幅波动和孔压增长的不确定性，我们认为应该以 3%应变作为判定黄土液化的一个重要指标。由于实际场地中的黄土处于偏压固结状态，因此以3%轴应变，0.2的孔压比为液化破坏指标是比较合适的。

图5是以上述液化破坏标准作出的振次比和应变关系图。从图中看出，在 3%应变前，应变的变化趋势是比较一致的。超过 3%后，应变多呈线性发展，造成土样破坏。因此，以 3%应变作为液化标准是比较安全的。

4 液化机理讨论

原状黄土应变和孔压增长规律说明了饱和或近饱和的黄土液化势是相当大的，且应变、孔压发展迅速。由于黄土独特的液化机理，往往震级不大就可以触发黄土的液化。主要原因试析如下：在固结不排水的动三轴试验中，黄土独特的大孔隙结构，较高的孔隙比、粉粒含量、中孔隙含量、含盐量是其液化的内因，外部条件是施加一定的动荷载。在荷载应力作用下，盐类物质的溶解和中孔隙结构的迅速破坏，黄土结构连接强度随循环次数的增加而逐渐丧失，一旦结构连接强度遭到破坏，黄土就显示出强烈的剪缩特性，在不排水条件下转化为孔隙水压力的上升和有效应力的下降[17]。变形进一步增大，孔隙水压力相应逐步上升，最终出现“初始液化”和“循环活动性”现象。当荷载应力较大时，快速产生较大的应变，孔隙水压力还来不及发展试样就产生破坏，因而试样破坏时的孔压水平较低；荷载应力较小时，应变逐渐增大过程中试样结构逐渐遭到破坏，孔压不断积累，破坏时就可以达到较高的孔压水平。因此，在黄土地区黄土体是存在液化的可能性的。

图5 应变和振次比的关系Fig.5 Relationship between the axial strain and cycles ratios.

5 结语

根据饱和黄土在动荷载振动作用下的液化试验结果，得出以下结论：

（1）3%轴应变通常出现在“初始液化”前；3%轴应变后，应变大幅增加，孔压有可能达到初始有效固结围压，也有可能在“初始液化”前破坏；3%轴变形是黄土稳定变形和大幅变形的临界点。

（2）“初始液化”判别标准对于黄土是不可行的。在实际场地，黄土处于偏压固结状态，因此以3%轴应变，0.2的孔压比为液化破坏指标是比较合适的。

（3）在固结不排水的动三轴试验中，黄土结构连接强度随循环次数的增加而逐渐丧失，体积收缩，在不排水条件下转化为孔隙水压力的上升和有效应力的下降，最终可能出现“初始液化”和“循环活动性”。

目前利用空心圆柱扭剪仪的动三轴功能得到的饱和黄土液化试验资料较少，所取得的室内初步试验研究结果，尚有待于进一步深入研究和验证。

致谢：感谢张振中研究员、王峻高级工程师在试验过程中的指导和帮助。

[1]王兰民,石玉成,刘旭等.黄土动力学[M].北京:地震出版社,2003.

[2]PRAKASH S, PURI, V.K. LIQUEFACTION OF LOESSIAL SOILS[C]// PROCEEDINGS OF THE THIRD INTERNATIONAL EARTHQUAKE MICROZONATION CONFERENCE, SEATTLE,WASHINGTON: VOL. II, PP. 1101-7. 1982.

[3]ISHIHARA K, OKUSA S, OYAGI N, ISCHUK.LIQUFACTION-INDUCED FLOW SLIDE IN THE COLLAPSIVE LOESS DEPOSIT IN SOVIET TAJIK[J].SOILS AND FOUNDATIONS, 1990, 30(4)：73-89.

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

[5]杨振茂，赵成刚，王兰民,等.饱和黄土液化及其理论研究现状[J].土木工程学报, 2003, 36(11)：89-94.

[6]袁中夏, 王兰民, SUSUMU YASUDA,等. 2004.黄土液化机理和判别标准的再研究[J]. 地震工程与工程振动. 24(4)：164-169.

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

[8]佘跃心，刘汉龙，高玉峰.饱和黄土孔压增长模式与液化机理的试验研究[J].岩土力学，2002，23(4)：395-399.

[9]刘公社，巫志辉.动荷载下饱和黄土的孔压演化规律及其在地基动力分析中的应用[J].工业建筑，1994，(3)：40-44.

[10]ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARDS, SOIL AND ROCK(1),AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS[M].WEST CONSHOHOCKEN, PA. 1998.

[11]BRITISH STANDARD, SOILS FOR CIVIL ENGINEERING PURPOSES-PART 8: SHEAR STRENGTH TESTS (EFFECTIVE STRESS) [M]. BRITISH STANDARDS INSTITUTION.

[12]STEPHEN KING. SOFTWARE REFERENCE MANUAL[R].INDUSTRIAL PROCESS CONTROLS GLOBAL LTD (IPC).BORONIA. 2006.

[13]南京水利科学研究院. 土工试验规程. SL237－1999[S]. 北京: 中国水利水电出版社, 1999.

[14]孙海妹. 兰州黄土液化特性的试验研究[D].兰州: 中国地震局兰州研究所.2009.

[15]孙海妹，王兰民，刘红玫,等. 原状黄土的反压饱和法试验研究[J].防灾减灾工程学报, 2010, 30(1): 98-102.