饱和兰州黄土液化特性的试验研究

冯 立，葛瑞华，郭 康，刘亚明

(西北大学 地质系，陕西 西安 710069)

2008年5·12特大地震中，位于甘肃省清水县郭川乡的田川村发生了饱和黄土的液化滑移灾害，给人们及国家造成了巨大的损失［1］。震害实例调查和室内试验研究表明:饱和原状黄土以及高含水量的黄土具有较大的液化势和流动破坏势［2］。一旦地震来临，必有可能加重其震害。对此国内外许多学者进行了研究，Ivsic［3］以每个循环的孔压增量与土性、循环荷载及初始应力状态之间的关系为基础，建立了孔隙水压力模型。王炳辉等［4］在不同相对密度、不同固结比条件下将均等固结的孔压增量模型拓展为适用于不同相对密度、均等和非均等固结条件的孔压增量模型。李兰等［5］研究了黏粒含量对黄土抗液化能力的影响。杨振茂等［2］对黄土液化的试验方法、液化机理、液化判别标准、液化影响因素、孔压发展特点等开展了大量研究工作，取得很多有意义的成果。廖胜修等［6］对多起黄土地基夯实处理过程中机械振动引起的黄土液化的实例予以报道和分析，以实际资料说明饱和黄土在一定的振动条件下，是容易发生液化的，黄土液化后呈现泥流状，并不再具备承载力。

虽然，国内外的众多学者在兰州地区对饱和黄土的液化问题进行了诸多研究，且在探索其形成机制和变形机制的方面取得了一些成果，但是对黄土液化的机理及孔压发展的规律的研究仍具有很大的局限性。因此，需要继续进行这方面的研究。对于饱和原状黄土的液化研究，由于地震荷载是一种随机动荷载，大多具有明显的不规则性和不对称性。本次通过Seed［7］等提出的转换方法将地震荷载转换为基于等幅荷载下的动三轴试验，同时由于问题的复杂性和仪器设备功能的限制，因此，对饱和原状黄土液化的研究施加正弦波循环振动荷载，并采用应力控制。

本文拟通过对饱和原状黄土的液化试验研究，分析饱和黄土的液化特性，以期为本地区工程抗震和震害预防提供理论依据。

1 试验仪器、试样和试验方法

本次试验所用试验仪器是西北大学大陆动力学国家重点实验室的GDS双向振动三轴仪(图1)。试样直径38 mm，高76 mm。试样取自甘肃兰州市永靖县，其各项物性指标见表1所示。

试验固结比 Kc为 1.0;围压 σc分别采用 50、100、150 kPa;激振频率 f分别为 0.1、0.5、1、2 Hz;在某一围压下，控制轴向振幅为 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;振幅按照逐级增大的控制方式且每级振幅下振动20次。

黄土的液化试验采用原状试样。经多次试验，采用了水头饱和方法。采用水头饱和的方法可在2 h内使原状黄土的饱和度达到90%以上，达到《湿陷性黄土地区建筑规范(GB50025－2004)》对饱和黄土饱和度的要求，又不致使试样的结构在饱水过程中破坏。

图1 GDS双向振动三轴仪

表1 原状黄土的物性指标

通过动力加载不排水试验，根据试验土样的外部变形程度(图2)及一系列关于土体应力应变及孔压发展的变化曲线，表明饱和黄土是可以达到初始液化的，因此考察了饱和原状黄土的液化特性，并在此基础上探讨了饱和黄土在液化过程中的孔压发展规律。

图2 试验结束后土样变形程度

2 饱和黄土的液化特性分析

2.1 应力应变滞回圈

以有效固结围压为100 kpa，等压固结下，选取振幅 A=1 cm时的液化试验为例对试验结果进行分析。

根据应力—应变滞回圈将液化过程分为三个阶段。由图3可知:在0～5次振动周期时，滞回圈都呈不规则似椭圆形。在轴向应变处于峰值时，拉应力、压应力均出现变化，但振动次数之间的滞回圈路径变化不大，最大、最小应力几乎相等，可以认为土样还处于粘弹性阶段。随着振动次数的增加，在6～10次振动时，曲线出现变化，拉、压应力的幅值减小，同时相邻的滞回圈差异逐步变大。说明土样已进入粘塑性阶段。土体初始具有的结构性已经被破坏，趋向于形成另外一种更加稳定的结构发展，随着振次的增大，在10～15振动周期，已经基本上处于这种稳定的结构阶段，滞回圈路径几乎重叠，这种新的土体结构在一定变形范围内具有稳定的抗剪切变形能力。随着振动次数的进一步增加，在15～20次振动时，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，轴向偏应力逐渐减小，土样强度下降。若继续振动则偏应力会不断下降，直至为零，此时土样将完全丧失抗剪强度，土样破坏。

黄土在振动时，结构不稳定，当遇到反向荷载时，黄土的结构即发生剧烈调整，而在应变减少时则需要更大的应力。这说明，黄土在动力作用下发生塑性变形，该变形在荷载减小时并不恢复，当反向作用力大到不能克服黄土颗粒间的摩擦阻力时，应变才开始向反方向发展。而且变形处于粘塑性阶段时，土体趋向于一种更稳定的结构发展，而不是破坏。杨振茂［8］等对土样在振动液化过程中的这种发展也有类似的研究，研究饱和黄土的稳态强度特性及超同结对其不排水性状的影响。对比分析了黄土与砂土静力液化特性之间的异同，提出了饱和黄土流滑破坏的产生条件和稳态强度判断饱和黄土能否产生液化流滑的方法。

图3 动荷载下饱和原状黄土偏应力和应变的滞回圈

2.2 动孔压

图4是有效固结围压100 kPa，等压固结的条件下的动孔压、偏应力、应变的发展曲线。从图2(a)、(b)、(c)可以看出:孔压随振次的增长同样可以分为三个阶段:在变形初始阶段，孔压增长相对比较快;随着变形增大到某一值时，孔压增长速度突然加快，进入第二个阶段;当残余变形增大到一定程度后，孔压增长又逐渐变缓，直至最后孔压基本保持不变。在第一阶段，应变以弹性为主原因在于尚且存在较强的结构性，土体体变还不算明显;在第二个阶段，随着振次的增加，颗粒之间的粘结开始逐渐松动失效，同时易溶盐和中溶盐大量溶解，使得中、大孔隙结构强度被破坏而崩塌，土体颗粒散落于这些孔隙中，土体体变表现为强烈的剪缩特征，故而孔压急剧上升;另一方面，孔压的上升导致有效应力急剧降低，这进一步削落了土体的抗剪切变形能力，使得应变急剧增大，孔压增长速率也增大;第三阶段，由于原先的大孔隙结构已被破坏并过渡为另外一种稳定结构，体积剪缩量大大减少;随着剪切带的形成，土体的变形范围越来越集中于剪切带内，故而体变量更进一步变小，孔压的变化也越来越缓慢直至趋于稳定。

根据孔压的发展规律说明:土体在小振动和较少振动下向一种稳定结构发展，而不是发生破坏。同时从图2可以看出应变小于1%时孔压的增长速率快;达到1%以后孔压增长速率减小，在应变达到2%后，孔压的最大值上升到有效围压，初始液化;同时偏应力迅速减小，孔压趋于稳定，并且试样在应变达到3%以后发生破坏，此时偏应力衰减趋于0。

图4 动荷载下饱和原状黄土试样孔压、应变和偏应力的发展

2.3 应变与孔压

图5 动荷载下饱和原状黄土试样孔压和应变的曲线(100 kpa)

图5所示，在初始阶段，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，但是孔隙水压却基本保持不变。这说明前后期的轴向应变引起的体积应变不同，开始阶段由于轴向应变与体应变相联系而导致较大的孔隙水压力的增幅，而后期的轴向应变主要是由于部分液化而产生的剪切破坏变形，此时，试件的体应变增加并不多，因此孔隙水压力变化不大。常方强等［9］进行动三轴试验测试不同强度粉土的液化特性，并建立了土的强度与动剪应力比的关系，探讨土的强度和动应力对液化的影响。结合研究表明: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。

3 结语

本文研究了兰州饱和原状黄土的液化现象，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)黄土振动液化过程中应力－应变的滞回特性随着振动次数的增加发生变化。

(2)本文分析了黄土在振动液化过程中动孔压的变化规律。孔压随振次的增长可以分为三个阶段:在变形初始阶段，孔压增长比较快;当残余变形增大到一定程度后，孔压增长又逐渐变缓，直至最后孔压基本保持不变。同时根据孔压的发展规律，表明土体在小振动和较少振动条件下向一种稳定结构发展，而不是发生破坏。

(3)研究表明，黄土的轴向应变与孔隙水压力存在一定的关系，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。应变在1%时孔压发生明显变化，其增长速率由快变慢;在应变达到2%后，孔压的最大值上升到有效围压，同时偏应力迅速减小，孔压趋于稳定。

［1］王谦，王兰民，袁中夏，王平，丁风梅.汶川地震中甘肃清水田川黄土液化的试验研究［J］.水文地质工程地质.2012，39(2):116－120.

［2］杨振茂，赵成刚，王兰民.饱和黄土液化的试验研究［J］.岩石力学与工程学报.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］王炳辉，陈国兴，李方明.饱和南京细砂孔压增量模型的普适性研究［J］.防灾减灾工程学报.2010，30(5):487－496.

［5］李兰，王兰民，石玉成.黏粒含量对甘肃黄土抗液化性能的影响［J］.世界地震工程.2007，23(4):102 －106.

［6］廖胜修，程菊红.黄土场地震动液化实例［J］.西北地震学报.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］杨振茂，赵成刚，王兰民，饶为国.饱和黄土的液化特性与稳态强度［J］.岩石力学与工程学报.2004，23(22):3853 －3860.

［9］常方强，贾永刚.黄河口不同强度粉土液化特性的试验研究［J］.岩土力学.2011，32(9):2692 －2696.