强震触发石碑塬滑坡黄土动力特性

徐 敏, 裴向军, 张晓超(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

1920年宁夏海原8.5级地震引发了大量的黄土滑坡、崩塌群以及地震堰塞湖。其中发生在极震区东南部固原县境内清水河Ⅳ级黄土台塬上的低角度地震液化黄土滑坡——石碑塬滑坡，就是典型的一例。石碑塬滑坡原始坡度2°～5°，从滑坡后壁开始延着滑移方向为一系列连续衔接的波浪起伏状蛇形土丘，土丘长20～40 m，高2～3 m，长轴方向与滑坡的主滑方向大体垂直。因其规模的宏大、地表现象的奇特，引起了众多专家学者的关注，他们分别从不同角度、不同深度和研究路径对此进行探讨。

白铭学等对石碑塬黄土层低角度滑移进行研究,认为滑移是由于马兰黄土中含砂层段地震液化上涌推挤两侧土层而造成的[1]。王家鼎等通过对石碑塬滑移区滑移现象及其特征的现场勘察和室内试验，提出了黄土体解体、斜抛、粉尘化和远程运移而形成黄土流或黄土瀑布的复合机理[2]。袁丽侠提出海原地震诱发低角度滑坡的形成机理是震时突发水异常造成饱和粉砂土层震动液化后拖动上部黄土沿低角度共同滑移[3]。王兰民等从土动力学、水电化学和微结构角度对饱和黄土液化机理进行了探讨并提出了黄土液化的两个判别标准[4]。李兰等研究了黏粒含量对黄土抗液化能力的影响[5]。孙海妹等对黄土饱和方法进行了试验研究[6]。王兰民、刘公社和佘跃心等多位学者对黄土的孔压发展规律做了一些研究，通过对黄土试验结果的拟合提出了不同取土地区的孔压发展模式[4，7，8]。

通过对石碑塬滑坡的现场踏勘、钻孔、坑槽探取样以及大量的室内试验，本文在前人研究的基础上探讨了强震作用下石碑塬滑坡黄土的动力特性，并依据试验成果，从液化的地震强度条件、土层特性、水文地质条件等方面论述石碑塬滑坡的形成机制。

1 黄土动力特性

1.1 试验设计

本项研究主要进行了动模量、动阻尼比、液化和动强度试验，试验均采用美国MTS公司制造的MTS810 Teststar程控伺服土动三轴仪进行。本次试验所用试样取自石碑塬滑坡后壁(取样点Ⅰ)、滑移区饱和带(取样点Ⅱ)和滑移区外(取样点Ⅲ)，具体取样位置如图1所示。每个取样地点各采集9～15个试样，其各项物理指标见表1(每组试样的平均值)。 试样均为直径50 mm、高100 mm。所有试样均采用水头和反压饱和法，B值达到0.95以上。试验在固结不排水条件下进行；试验时的固结压力，根据取样深度，分别取100 kPa、150 kPa和200 kPa；固结完成后，施加不同的动荷载，直到试样破坏为止。试验所用震动波形为正弦波，震动频率为1 Hz，固结比Kc=1。

1.2 试验成果及分析

1.2.1 黄土动应力-动应变关系

石碑塬滑坡黄土在不同取样地点(以σo=100 kPa为例)和不同固结围压下(以取样点Ⅰ为例)的动应力-动应变关系如图2所示。首先，我们可以看出：相同围压下不同取样地点的饱和黄土达到相同的动应变所需的动应力差异较大。其中滑坡后壁原状黄土所需动应力较滑移区饱和带黄土小，主要原因是饱和带黄土系扰动土样，地震后其物理力学性质及结构特征已发生变化；而滑移区外原状黄土所需动应力远远超过滑坡后壁黄土，进一步说明在同一地震动作用下滑移区外黄土较不易发生破坏。其次，在同一固结围压下，动应力较小时，动应变随着动应力的增大而增大的趋势较为明显，当动应力达到一定值后动应变随着动应力的增大而增大的趋势开始变得缓和，这是由于黄土的振密效应所引起的。任一应变下，动应力随着固结围压的增大而增大。

1.2.2 动弹性模量与阻尼比

图3为石碑塬滑坡黄土动弹性模量-动应变关系曲线(以σo=100 kPa为例)。由图可知，滑移区外黄土的初始动弹性模量最大，滑移区饱和带黄土次之，滑坡后壁黄土的动弹性模量最小，且动弹性模量均随动应变的增大而非线性地降低。

土的阻尼比(λd)是在震动荷载作用下，一个周期内由于土体内阻所消耗的能量与作用在土体上总能量的比值。对试验数据进行处理得到动阻尼比-动应变关系曲线，由图4可知，阻尼比随着动应变的增大而增大；但是随着动应变的增大，这种趋势越来越弱；当动应变达到一定程度时，阻尼比将不再随着动应变的增加而变化，而是保持一定的数值：这是由于能量耗散的缘故。

1.2.3 黄土液化特性

本文采用H.B.希德所提出的判别方法及准则[9]来评判石碑塬黄土地震液化的可能性。通过黄土动三轴实验确定相应条件下引起饱和黄土液化所需的应力比和某一深度土层的实际应力状态，计算出抗液化剪应力值。如果取得的值小于据地震加速度求得的地震剪应力值，则可能液化。

图1 石碑塬滑坡黄土取样位置图Fig.1 The sampling locations of the loess on the Shibeiyuan landslide

表1 试验原状黄土的物理指标Table 1 Basic physical parameters of the undisturbed loess samples

图2 黄土动应力-动应变关系曲线Fig.2 Dynamic stress-strain curve of loess

图3 黄土动弹性模量-动应变关系Fig.3 Dynamic elasticity modulus-strain curve of loess

图4 黄土动阻尼比-动应变关系Fig.4 Dynamic damping ratio-strain curve of loess

抗液化剪应力

(1)

地震剪应力

(2)

通过对本次试验进行分析，得到石碑塬滑坡不同取样点黄土的液化可能性分析，所有样品均考虑饱和状态，其结果如表2所示。可见滑坡后壁(取样点Ⅰ)和滑移区饱和带(取样点Ⅱ)黄土抗液化剪应力远远小于地震剪应力，可能液化。滑移区外黄土抗液化剪应力大于地震剪应力，不液化：试验结果与实际符合。

表2 石碑塬滑坡不同取样点黄土的液化可能性Table 2 Liquefaction potential evaluation of the loess at the different sampling locations on the Shibeiyuan Landslide

1.2.4 动强度

石碑塬滑坡后壁原状黄土的动、静强度结果如图5所示。从图中可以看出，动强度的黏聚力和摩擦角都比静强度的小，即动强度比静强度低。说明地震动使黄土液化的同时抗剪强度衰弱。

1.2.5 孔压、应变的发展特性

图6给出了滑坡后壁(取样点Ⅰ)黄土试样(σo=150 kPa)在循环应力比为0.6的震动荷载下孔压、应变和动应力的发展曲线。从图中可以看出，孔压和应变的发展大致可以分为3个阶段[10]。震动初期，孔压和应变均发展缓慢；随着震动次数的增加，孔压增长速率加快，在εd=3%～6%期间，孔压呈直线增长，与此同时，动应力明显衰减；过了某一临界应变值后，应变急剧增大，孔压增长缓慢并逐渐趋于稳定，同时，动应力也趋于稳定，维持在50 kPa。这是由于震动初始阶段，试样的孔隙被水充满，在动荷载作用下，原有结构未遭破坏，应变发展缓慢。随着振次增加，土体剪切作用加强，破坏了颗粒间的黏结力，降低了中、大孔隙结构强度，使得细小颗粒散落于孔隙中，黄土的稳定性进一步降低。与此同时，孔隙的体积逐渐减小，震陷速度逐渐增大，孔隙水来不及排出，导致孔隙水压力急剧上升，土体有效应力降低，土的强度大幅度丧失，应变急剧增大。

图5 动、静强度摩尔包线Fig.5 Moore envelopes of dynamic strength and static strength(A)静强度摩尔包线; (B)动强度摩尔包线

图6 震动荷载下的孔压、应变和动应力的发展Fig.6 Development of the pore water pressure, axial strain, dynamic stress with loading cycles(A)孔压和应变随震动次数的发展; (B)动应力随震动次数的发展

1.2.6 孔压与轴向应变的函数关系

孔压的增长受到很多因素的影响，如含水率、黏粒含量、孔隙率、震动频率和动荷载的大小等，其中，最主要的原因是由于土体孔隙的压缩。土体孔隙的压缩很直观地表现在轴向应变的发展，且上面的分析也表明，孔压与轴向应变存在一定的对应关系。图7为黄土孔压比-轴向应变关系曲线(u/σo-εd)，曲线拟合1和曲线拟合2分别采用邓龙胜[11]和袁中夏[12]提出的公式对本文的试验数据进行计算拟合得到。

从图中可以看出，曲线拟合2总体拟合效果较好，而曲线拟合1只在小应变时拟合效果较佳。因此，本文的孔压比-应变关系采用袁中夏的拟合公式表示

u/σo=A-B·eC(-εd)

(3)

式中：u/σo表示孔压比；A、B和C表示拟合参数；εd表示轴向应变。

图7 孔压比-轴向应变关系曲线Fig.7 Pore water pressure ratio vs. axial strain

1.2.7 孔压的增长模型

图8为石碑塬滑坡后壁(取样点Ⅰ)原状黄土在不同固结围压和动应力条件下按照王兰民等提出的饱和黄土液化破坏标准[4]得到的u/uf-N/Nf关系曲线。其中u/uf表示孔压比，N/Nf表示振次比。经过数据处理发现，石碑塬滑坡饱和原状黄土的孔压增长模式可用线性关系表示

u/uf=a(N/Nf)

(4)

式中：u和uf分别表示孔压和液化破坏孔压；N和Nf分别表示振次和液化振次；a表示回归系数。

由图8可以看出，试样在相同围压不同动应力下，原本分散的试验数据具有很好的归一性。说明动应力的变化对孔压比-振次比的关系影响较小。这与袁中夏和陈存礼得到的结果[12,13]一致。

围压σo=200 kPa、150 kPa、100 kPa时，根据式(2)对图中试验数据进行拟合，发现孔压比-振次比的关系为线性相关，得到a值分别为1.049 9、1.064 7、1.081 8，其相关系数在0.98以上。a值与动应力大小无关，而是随着围压的减小而增大。

2 形成机制讨论

石碑塬滑坡发生在极震区东南部固原县境内清水河Ⅳ级黄土台塬上，主滑方向为270°，原始坡度为2°～5°。滑坡区东、西两侧均以冲沟为界，东西长约1.2 km，南北宽约2.2 km。

石碑塬滑坡的形成与地震强度条件、地层岩性以及水文地质条件等多方面因素密切相关。

2.1 地震强度条件

一般来说，震级在5级以上的才可能发生液化，即液化最低烈度为Ⅵ度。而石碑塬滑坡是在1920年海原地震(Ms=8.5)时形成的，地震烈度为Ⅹ度，位于地震带东侧，距离震中约70 km，地震波的传播为滑坡的形成提供了强大的动力。

2.2 地层岩性

石碑塬滑坡地层自上而下依次为晚更新世马兰黄土Q3(深度：0～25 m)和中更新世离石黄土Q2(深度>25 m)。马兰黄土：上部黄土层(深度：0～7 m)、古土壤(深度：7～11 m)、砂质黄土层(深度：11～20 m)和下部黄土层(深度：20～25 m)。离石黄土：第二古土壤层(深度：25～27 m)和下部黄土层。上部黄土层垂直节理发育，为地表水的下渗提供了很好的条件。第一古土壤层下部的砂质黄土层处于饱和状态时在地震力作用下极易液化。

2.3 水文地质条件

石碑塬滑坡地面坡度较小，相对比较平整开阔，具良好的汇水条件。滑移区的地下水主要来自大气降水，沿黄土中的大孔隙、垂直节理和落水洞渗入第一古壤层,再沿古壤层的裂隙继续下渗。黄土层中的上部潜水其水位为8～20 m，埋藏于砂质黄土层中。

综上，石碑塬低角度黄土滑坡的形成机理是：处于饱和状态的砂质黄土层在强烈的地震荷载作用下，孔隙水压力累积增长并伴随着残余变形的不断增大，最终饱和砂质黄土发生液化流滑;液化的同时，抗剪强度降低，结构遭到破坏。上部黄土层在砂质黄土层液化的同时沿着低角度滑移，滑移过程中，整个滑移区产生波浪状起伏地貌(图9)。

3 结 论

基于白铭学、王家鼎等专家对石碑塬滑坡形成机制的研究,以及王兰民、袁中夏、陈存礼等学者对饱和黄土液化的研究，本文通过对石碑塬滑坡黄土的一系列动力特性试验，得到以下结论。

a.相同围压下不同取样地点的饱和黄土达到相同的动应变所需的动应力差异较大。滑移区外原状黄土所需动应力远远超过滑坡后壁和滑移区饱和带黄土，进一步说明在同一地震动作用下滑移区外黄土较不易发生破坏。

b.滑移区外黄土的初始动弹性模量最大，滑移区饱和带黄土次之，滑坡后壁黄土的动弹性模量最小。阻尼比随着动应变的增大而增大，当动应变达到一定程度时，阻尼比将不再随着动应变的增加而变化，而是保持一定的数值。

图8 不同围压下u/uf-N/Nf关系曲线Fig.8 Relation curve between u/uf and N/Nf under different confining pressures

图9 石碑塬滑坡黄土液化形成的波浪起伏状地貌Fig.9 The wave-shape landform formed by the loess liquefaction of the Shibeiyuan landslide

c.均压固结条件下，孔压和应变在震动初期均发展缓慢；随着震动次数增加，应变在3%～5%时孔压的增长速率最快；应变达到某一值以后，孔压增长速率减慢并逐渐趋于稳定，最终仍未上升到初始有效围压，而动应力开始趋于稳定。

d.孔压比(u/uf)和振次比(N/Nf)可用线性关系表示，受固结围压变化的影响较大，动应力对其影响较小。

e.运用H.B.希德所提出的判别方法及准则对石碑塬黄土地震液化的可能性进行了评判。饱和状态下，滑坡后壁和滑移区饱和带黄土抗液化剪应力远远小于地震剪应力，可能液化。滑移区外黄土抗液化剪应力大于地震剪应力，不液化，试验结果符合实际。

f.动强度的黏聚力和摩擦角都比静强度的小，即动强度比静强度低。说明地震动使黄土液化的同时抗剪强度衰弱。

g.依据试验成果，并从地震强度条件、地层岩性以及水文地质条件等多方面因素讨论了石碑塬滑坡的形成机制。

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