黄土工程灾变机理研究综述

2018-02-17王云南刘争宏

西北水电 2018年1期

王云南,刘争宏,曹杰

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司，西安 710043；2.陕西省特殊土工程性质与地基处理重点实验室，西安 710043)

0 前言

黄土工程灾变是指在人类活动、自然营力作用、工程作用、地质动力作用下产生的黄土侵蚀、湿陷、震陷、强度变形破坏的土体失稳等地质灾害，并引起工程灾害的事件。由于黄土高原生态环境极其脆弱，黄土厚度大，土体结构松散，沟渠断裂，地形破碎，气候干燥，降水集中，水土流失严重，导致黄土地区成为中国工程灾变的主要发生地，伴随而来的是生态环境的恶化，阻碍了区域社会经济发展。避免地质灾害发生的关键是明确其发育机理和影响因素，本文总结了近年来国内外关于黄土工程地区主要的灾变类型、影响因素及发生机理的相关研究，在此基础上提出研究中存在的不足，并提出相关展望。

1 黄土工程灾变类型及影响因素分析

发生灾变地区地质灾害主要表现形式为黄土崩塌、滑坡、泥石流及产生地裂缝的不稳定斜坡，与各类土体变形包括土体震(湿)陷变形、沉降、地裂缝等形成黄土灾害链演化的一般规律，即同源链生转化机制：水、力的扰动作用—土体震(湿)陷变形—土层沉降—地裂缝—崩塌滑坡—泥石流[1]。

黄土震陷是工程作用下黄土变形的主要表现之一，是在动态载荷作用下黄土结构的崩溃，形成地面或建筑物的额外沉降。黄土震陷包括2层含义：一是土体在负荷作用下的额外沉降；二是土体本身存在较高的含水条件，同时又存在湿陷性，因此在动载荷的作用下，产生振动湿陷。架空孔隙结构是震陷性黄土的重要特征，是发生震陷性破坏的决定性因素。

在动态荷载作用下黄土也容易液化。当土壤为低液限粉土、粉质土、砂质黄土时，在动态载荷作用下，实际水压急剧上升，土体颗粒间有效应力急剧下降。当实际水压和总压力相等时，土壤颗粒处于悬浮状态，土壤承载力急剧下降，发生喷砂和地面沉降。

黄土的湿陷性也是一个重要的工程特性，与微裂缝结构、大孔、颗粒组成和矿物组成等特殊介质结构密切相关，这种特殊结构容易受到浸水和加载作用的影响，从而削弱强度并降低承载能力[2]。黄土中的黏粒含量及赋存状态是影响黄土湿陷性的主要因素，表现出的物理性质为孔隙比和含水率。在一定压力作用下黄土受水浸湿后模量降低导致明显附加沉降[3]。

在上述变形的基础上，土体陆续发生沉降或产生裂缝，形成不稳定斜坡，为潜在的滑坡或崩塌体。影响因素中黄土体的地质结构特征为关键，即黄土的结构松散、垂向节理发育等特征[4]。

持续的变形，最终导致不稳定斜坡演变为较大规模的地质灾害。各类灾害中，滑坡一般发生在坡度在35°～45°的斜坡中，下伏为相对隔水的泥岩或砂岩。形成滑坡的主要影响因素包括斜坡的坡体结构，即坡形、坡角、物质组成及结构特征；其次为降雨作用，增加了坡体重度的同时降低了潜在滑面的抗剪强度；人类工程活动也是影响滑坡形成的主要因素之一，砍伐植被、人工灌溉等过程中出现水土流失，加剧边坡失稳；坡体开挖及加载等同样会影响坡体稳定。

崩塌在黄土地区主要为土质崩塌，坡体角度一般在70°以上，分布在公路和河谷两岸。黄土地区发生崩塌的主要原因有2方面：自然因素包括长期的风化侵蚀作用和土体具有垂向节理较发育的特征；人类活动方面主要体现在修建人类工程过程中的道路开挖，破坏了原始坡体的应力平衡，坡体变陡，容易产生竖向裂缝，与原有的竖向节理重合，发生崩塌。

泥(石)流多为沟谷型泥(石)流，主要影响因素包括人类工程活动和自然因素。其中人类工程活动的具体表现形式为砍伐大量植被和对坡体的扰动；自然因素主要是受到黄土自身结构特点的影响，即具有大孔隙、结构疏松、垂直节理发育的特征，受强降雨及水流侵蚀后极易崩解，形成滑坡和崩塌堆积在沟道或岸坡边上，形成固体物源。同时还包括集中的强降雨及地形影响(相对高差和纵坡比降等)。

2 黄土工程灾变机理研究现状

2.1 黄土震陷研究现状

对黄土震陷的研究主要体现在黄土震陷的影响因素、形成机理及黄土震陷的判别和计算方面。其中巫志辉[5]、何光[6]研究了加湿和浸水期间原始黄土沉降的特征；王兰民[7]研究了干密度对黄土压实的定量影响；翁效林等[8]研究了原状黄土和压实性黄土的震陷变形特征；李兰等[9]研究了黄土中黏粒含量对震陷的影响；骆亚生、王峻等[10]研究了兰州、西安、太原等震陷特征和主要影响因素；贾革续、袁晓铭等[11]研究了不同负荷条件下黄土的沉降特征。

震陷机理研究方面，齐吉琳、陈永明等，张冬丽、王峻等[12]对兰州永登5.8级地震引起的黄土震陷灾害进行了详细的调查研究，包括黄土的基本物理力学指标、土动力特征参数与黄土易损性之间的关系，并利用易损性与黄土灾害间的关系解释了黄土的震陷机理；石玉成[13-14]、刘红玫[15]、李兰[16]、王兰民[17]、邓津等[18]通过分析黄土的微观结构研究黄土的震陷机理及特征。

黄土震陷判别和计算方面，王兰民等[7]提出了不同振动频率和任意动应力下黄土震陷系数的经验公式。通过数字扫描电子显微镜获得的微观气孔面积的定量数据建立了黄土震陷系数的计算公式。在爆破模拟地面运动条件下，对桩基负摩擦力进行了现场观测试验，分析其基本特征，为黄土地区地震的预防和控制提供依据[19]。

陈永明等[20]根据黄土动态试验和现场试验数据，给出了兰州地区剪切波速与黄土沉降的统计学关系，并提出了采用剪切波速度预测黄土沉降量的方法；徐舜华等[21]对黄土震陷的影响因素进行了分析，提出了震陷的初步标准。

2.2 黄土液化研究现状

Prakash等[22]1982年首次提出了黄土液化问题；之后Puri[23]、shannon[24]、Guo等[25]对等幅循环荷载下黄土的液化标准、液化影响因素进行了研究；Ishihara等[26]，白铭学[27]也对地震引起的液化滑移事件进行了调查，研究了地震黄土地层的液化移动。多年来对于液化的评价，基本上采用Seed和Idriss等人提出的初始液化方法。该方法致力于研究由循环剪切应力引起的孔隙水压力，并与工程实践建立相关性，以预测超孔隙水压力，并确定液化是否可以触发。然后，液化引起的滑移破坏研究逐渐受到重视，以Casagrande、Castro和Poulos等人为代表，提出了稳态强度理论，并应用于分析一些实际问题[28]。

但由于黄土介质的特殊性，其孔压演化规律和液化机理与其他类土体具有较大的差别，因此在这方面开展了大量的研究工作。刘公社、巫志辉等[29]研究了动载荷下饱和黄土孔隙压力演化规律及其在地震动力学分析中的应用。中国地震局兰州地震研究所研究了黄土液化机理、饱和黄土液化标准和液化破坏标准等，建立了孔隙水压力增长模型，提出了一种基于随机地震荷载下动态三轴试验的黄土液化预测与分析方法[30]。中国建筑科学研究院地基基础研究所对宁夏固原原始黄土进行室内液化试验，获得了固体饱和黄土的孔隙压力增长模型[31]。何开明等[32]分析了黄土与砂土在液化机理、孔隙压力增长模型和体积压缩系数方面的差异；佘跃心[33-34]、袁中夏[35]发现轴向应变是动态三轴试验中黄土初始液化的最重要标准；李兰等[36]研究了黏土含量对黄土液化阻力的影响；刘红梅等[37]从孔隙微观结构的角度研究了饱和黄土的液化机理；刘汉龙[38]、杨振茂[39]、王峻等[40]研究了黄土的液化机理、液化试验方法、液化鉴定标准和影响液化的因素，为实际工程中的液化控制奠定了基础。

2.3 黄土裂缝研究现状

2.3.1 黄土裂缝影响因素研究现状

黄土区域地质中的地裂缝按其发生、发展过程中所起作用的组合，分为主导和诱发因素两大类。主导因素是控制地裂缝的构造、发育、活动和分布格局的决定性因素，包括新生代构造环境、构造基础和地裂缝的来源；诱发因素决定了地裂缝发生的时间、地点和性质。王景明等[41]发现黄土构造关系的大量不同力学性质，并确定了其区域和系统特征，发现结构节理是黄土裂隙、滑坡、崩塌和水土流失等地质灾害的构造基础，确定是黄土地层的软弱面。钟世航[42]对斜节理的产状和成因进行了力学研究，指出这些弱结构面是黄土裂缝的基础，与临时表面将土体切割为不稳定结构体。卢全中等[43]认为，黄土中存在大量不同性质、不同原因、不同尺寸、不同时期的裂缝，将土体切割成断裂的网络系统。蒋建平等[44]研究得出，土体中存在的结构面与许多岩土问题有关，并利用离散元数值模拟研究了结构面对土体力学性质和对土体破坏的控制作用方面的影响。

2.3.2 裂缝黄土力学特性研究现状

Fookes P.G.、Skempton A. W.、Mc Gown A.等[45-46]学者通过调查研究分析了黏土中裂缝的形态、分布和成因，给出相关建议试验方法。Lo K.Y.、Williams A等[47]通过试验对裂缝性黏土的变形、强度等特征进行了初步研究。Marsland A.[48]的研究结果表明，原状裂缝硬黏土中的裂缝位置会严重影响土的σ-ε关系，认为裂缝黏土的σ-ε曲线无明显峰值，不同于一般硬黏土。

中国学者也进行了相关的研究，孔德坊、胡卸文等[49-50]对裂缝性黏土的地质特征、裂缝特征和力学特性对土体学性能的影响方面进行了研究。赵中秀等[51]通过对裂缝性黏土的试验研究提出了其参数的计算方法和超固结裂缝黏土的“原位抗剪强度线”的概念。韩贝传等[52]在研究裂缝性硬黏土坡体稳定性时，根据损伤力学和弹塑性力学建立了裂缝性硬黏土的力学模型。黄质宏等[53]通过静载试验的特征曲线得出，裂缝红黏土分为正常压密性和裂缝剪切型，通过三轴试验讨论了裂缝发育程度和围压变化对土体强度的影响。高晓辉[54]以静三轴试验直剪和压缩等方法，对裂缝带黄土的特性进行了分析，得出不同含水率、裂缝倾角和围压对裂缝带黄土的力学性能的影响，指出土样变形与围压、裂缝形态、土样性质等因素相关。卢全中[55]通过试验研究将裂缝性黄土分为脆性和塑性破坏，同时指出，黄土的破裂面位置受土样边界条件、原裂缝位置和变形特征控制。

2.4 工程黄土滑坡、崩塌研究现状

2.4.1 工程黄土滑坡研究现状

目前对黄土滑坡的研究一般集中在自然环境(降水、地震)下黄土滑坡成因分析，对工程性黄土滑坡研究偏少。工程性黄土滑坡的诱发因素一般体现在工程开挖、堆载和卸载等几方面。

李明，李焯芬等[56]通过离心模型试验分析了开挖对黏性土坡的变形和破坏过程的影响，得出边坡是从坡体下部开始发生剪切变形，并逐渐向上发展贯通。坡顶裂缝受拉应力影响明显，但随着剪切带的不断向上发育，坡顶扩展的裂缝逐渐由拉伸和剪切2种作用控制。龚成明[57]根据黄土开挖过程的变形监测分析，发现斜坡水平位移随挖掘深度增加而呈时滞效应。Shen B，Barton.N[58]最先提出岩质高边坡开挖松弛区的概念。曹春山等[59]利用原位渗水试验和原状黄土、古土壤试样土-水特征曲线测试，分析指出工程切坡触发了土体的一系列物理化学连锁反应，尤其是强化了土水耦合作用的影响，表明工程切坡对引发滑坡发生的重要影响。彭建兵等[60]采用野外调查、物理模型试验和应力路径试验等方法分析了堆载、卸载和灌溉等人类活动诱发黄土滑坡的成灾机理，结果表明堆载、卸载对坡体内的垂向节理影响较大，剪切蠕变带由坡角开始向坡体内扩展；灌溉诱发的滑坡，在大面积的覆盖堆载作用下容易形成黄土泥流远程滑坡。吴迪[61]通过物理模型试验、离心机模型试验、数值模拟计算等方法研究了工程堆载对滑坡形成的影响，结果表明堆载对坡体的竖向应力影响较大，堆载引起的最大剪应力出现在荷载区边缘，出现剪切裂缝；堆载触发滑坡一般形成深浅2条滑带，浅滑带一般在坡体中部剪出，深层滑带一般从坡角剪出。

有关加载蠕变致灾机理，国内外学者对多种特殊土体开展了大量的蠕变试验研究，并根据经典蠕变模型构建了不同土体的加荷蠕变模型[62-64]。试验方法主要采用单轴、三轴和真三轴机，研究了岩土体变形破坏过程宏观力学行为和机理，从不同角度探讨了岩土体加载过程与蠕变过程关系的特点。在研究对象上，目前主要是针对各种岩体、软土和其它岩土体，并提出了著名的经验蠕变模型如辛格-米切尔模型、Mesri模型等。

2.4.2 黄土崩塌研究现状

黄土崩塌不仅受控于构造特征、土体类型和地貌形态影响，同时受控于人类活动等外在因素的影响。

郭力宇等[65]认为，黄土崩塌的形成与发展受到土体结构、古土壤结构、黄土断裂结构和岩石界面构造形式的控制。根据黄土崩塌和土体形态特征，黄土崩塌可分为单侧塌陷和网格崩塌。崔中兴等[66]研究了黄土高原边缘带和黄土丘陵山谷边坡，认为切坡和开挖窑洞是降低边坡稳定性的主要因素，减少了坡脚的支撑力，导致斜坡崩塌。何红前等[67]分析了黄土高坡变形破坏的基本形式和机理，并总结了两种黄土边坡崩塌破坏模式。雷祥义等[68]将陕北黄土高原人类扰动黄土分为2类，即张裂-滑移式黄土崩塌和坍窑2种类型。张茂省等[69]在对延安市黄土崩塌调查的基础上，按照变形模式将黄土崩塌分为5种类型，包括错断式、滑移式、倾倒式、拉裂式和鼓胀式。

2.5 黄土泥石流研究现状

黄土高原地区的泥石流多以泥流的形式表现，是水土流失特殊形式的一种，其中黏粒、粉粒和砂粒等细颗粒占固体总量的90%以上，石块含量占的比例很小，一般在5%以下。泥流是自然因素和人类工程活动共同作用的结果，自然因素包括气象水文、土壤植被特性、地质构造和地形地貌等方面，人类工程活动的影响则改变了上述条件来间接影响泥流的形成及发育。

国内外对黄土高原地区泥流的研究成果相对偏少。谭炳炎[70]对中国黄土高塬泥石流进行了初步的研究，根据物质组成将其分为泥流型、泥石型和水石型3类，并总结了黄土泥流的特性，包括黏粒的含量改变了流体的性质；泥流具有高黏度、高容重和大浮托力；泥流具有不连续性质和剪切力等性质。

马东涛等[71]对黄土高原地区泥流的发育分布特征、形成条件及特征进行了研究，其中形成条件包括固体物质补给条件、水源条件和地形条件等。

唐益群等[72]通过正交试验和泥浆流动通道模型研究了泥浆流动的运动特征，结果表明，流量对泥浆流速的平均速度影响最大，其次是体积密度和坡度。

陈海霞等[73]研究了降雨前后黄土的粒度分布和微观结构变化及其对泥流启动的影响，结果表明，雨水减弱了黄土的抗剪强度和压缩能力，增加了泥流启动的概率。

3 结语

综上所述，关于黄土地区地质灾害研究已日趋成熟，为许多人类工程项目提供了参考价值，但研究中仍然存在一些不足，具体为以下3方面。

(1) 黄土地质灾害的孕育因素研究不全面：孕育因素复杂多样，包括地质构造、地层岩性、地形地貌、气象水文和人类活动等。其中黄土地质结构内部要素的相互作用、黄土土性内部要素的相互作用是主控因素，但这些方面的研究还很欠缺，包括黄土重大灾害的空间发育规律、群集性发育的原因等。

(2) 黄土地质灾害触发因素中的一些关键环节认识不清：黄土灾害的触发因素较多，包括灌溉、降雨、堆载、开挖、采动和地震等，但研究中对工程扰动作用和水环境变化条件下黄土灾害响应机理的某些关键环节认识欠缺，包括黄土灾害突发的原因，雨水入渗时是以垂直入渗还是以集中渗透为主，以及渗入后的水的渗流模式等。

(3) 黄土地质灾害链研究不成熟：黄土的各类变形和破坏是同源转化的灾害链，灾害链的关键因子是水和力的作用，但这方面的研究偏少，包括灾害链的具体模式、灾害链演变过程中各因子之间的内在联系等。

针对以上研究内容的缺陷，须采用理论与实地调查、试验、物理模拟和数值模拟相结合的方法，深入研究黄土地质灾害孕育因素、触发因素等方面的影响因子，分析相互之间的关系及其对黄土变形的具体影响，加深对黄土成灾机理的研究，认清黄土地质灾害发生的本质。同时加强对黄土各类变形和破坏类型之间的研究，得出具体的灾害链模式，从灾害链中的致灾因子入手，得出预防黄土灾害发生的方法，建立黄土重大灾害动态监测，以期能从根本上减少黄土地质灾害，减轻对人类工程的损失。

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