天水黄土震陷性与微观孔隙参数分析
2018-07-13邓津,安亮
邓 津,安 亮
(1.中国地震局兰州地震研究所, 中国地震局地震预测研究所兰州创新基地,甘肃 兰州 730000;2.中国地震局兰州地震研究所,黄土地震工程重点实验室,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)
0 引言
天水位于甘肃东南部,地处陇中黄土高原南缘,地势西高东低,地形十分复杂,形成南北隆起,中间凹陷的河谷地貌景观,属于陇中黄土高原梁峁沟壑区。天水处于南北地震带北段,地震发生频度高、震级大,50年超越概率10%为Ⅸ度烈度,具有潜在的震陷、滑坡、液化等多种震害风险。天水黄土孔隙比大、含水量高、压缩性高、承载力低、具有中强湿陷性[1]。多数天水黄土粘粒含量较高,塑性指数却较低,具有震陷性[2]。
近年黄土高原地区的地震灾害频发,由于地基失效而导致建筑物破坏的震例很多,地基土的抗震性能研究越来越受到重视[3-5]。有关地震作用下地基土破坏,震陷性强弱的研究成为黄土地区场地分析关注的重点之一。试验资料分析表明,动应力、湿度及微观结构性等因素对黄土震陷变形的影响较大。黄土震陷变形的研究成果很多。例如,王峻等对高速铁路黄土路基做了震陷试验分析[6];陈永明等利用剪切波速预测黄土场地震陷量的方法进行了研究[7];王兰民等、徐世民等对黄土的微观结构进行了分析,结合微观分析可对震陷试验结果,进行有效的结构性探索[8-9];Liu[10-11]针对微观结构处理程序PCAS可获取土颗粒及孔隙的多种结构参数;王宝军等对黏性土扫描电镜图像颗粒进行了定向性分析[12];邓津等13]采用动三轴试验参数、图像获取的架空孔隙面积、围压等数据建立震陷模型,获得土的残余变形系数计算公式。与试验值对比,两者吻合较好。但此公式还需要深入验证。
本文结合天水城市地震小区划代表性的黄土场地,如河流阶地、河漫滩、洪积扇、滑坡等,对其进行震陷试验,并结合当时小区划的震陷试验数据,分析验证震陷系数计算公式。同时进行微观孔隙分析,研究天水黄土的动力特性。
1 天水地基土震陷实验
天水地基土的动力试验着重震陷实验及动模量项目。土的动弹性模量、动阻尼比和动变形(震陷)及动强度等试验都为土的动力特性试验。天水黄土震陷试验在兰州地震研究所的DSD电磁式振动三轴仪上进行的。仪器的主要技术指标为尺寸φ50mm×100mm, 最大轴向压力为10kg/cm2, 动荷载应力波为正弦波,工作频率0.5~20Hz,最大轴向变形为20mm。
震陷试验是模拟土在遭受地震动荷载时是否会产生附加沉陷的一种动力试验[14]。震陷试验都是在σ1c=2kg/cm2,σ3c=1.18kg/cm2的压力下固结,当固结基本稳定时,再施加动应力使它产生残余变形。
在测定震陷时,统一定义为在动三轴循环荷载作用下的震陷试验被取为不同动应力作用前后式样高度差与作用前式样高度之比,分别取25kPa、50kPa、100kPa、150kPa、180kPa动应力的4~5组试验,取震动10次, 频率1Hz,测得的残余应变数据标于图上。天水市地震小区划中震陷实验土样较多,共取9组土样,震陷试验结果见图1。
图1 天水黄土震陷曲线Fig.1 Seismic subsidence curve of Tianshui loess
1979年实施天水地震小区划,并且对各个代表性的场地都进行取样和试验。取土区域包括:河漫滩:T14-1、T16-1(5m);滑坡体土:T2-1;洪积扇:T6-1、T15-1、T4-3、T4-1;二级阶地黄土:T10-1、T5-3、T10-2、T12-1、T5-2、T1-1。取样地点及深度如表1所示,大多数取自5m深度,其中T10-1、T10-2分别为5m和10m深度。研究区域内黄土粉土结构性差异大。这些土的震陷试验曲线,如图1所示,震陷性的强弱顺序为T14、T16-1a、T2、T10-1、T15、 T10-2、T12、T16-1(b)、T4。临界动应力依次增大为0.2 MPa、0.25 MPa、0.39 MPa、0.43 MPa、0.62 MPa、0.91 MPa、0.4 MPa、1.07 MPa、1.6MPa(见表1)。
表1 天水粉质黄土的土工实验成果表
物理力学性质见表2,塑性指数为8.8~10.3,粉粒含量55%~75%,其中T15-1粉粒含量55%,T12为75.1%,其他为64.3%~69.7%;黏粒含量较高为21.2%~31.5%,只有T12的黏粒含量低为13.0;含水量多数为18%~26%,T4含水量低为10.9%;孔隙比范围1.009~1.221,T10孔隙比最大为1.221。T14、T12孔隙比较小,为0.821~0.854。
1.1 震陷不均匀性
由于天水市地形地貌较为复杂,历史曾发生过较大的地震。老滑坡较多,冲洪积、阶地等地基土性质极不均匀。实验结果表明,天水市地基土极不均匀,在同一层中所取土样做出的结果离散大。其中有四组样品的震陷试验结果都有两个以上的结果。同一组土样做出的结果相差很大,一般两个结果都相差一倍以上。
表2 天水土动力实验成果表
图2 天水T16-1黄土不均匀性及微观结构Fig.2 The inhomogeneity and microstructure of T16-1 Tianshui loess
如图2所示,取自河漫滩T16-1黄土有很强的不均匀性。因取土的范围在1km2内,同一地点取的两组土,做出的结果相差很大,一组的震陷临界动应力0.25kg/cm2,另一组为1.07kg/cm2,这是与其他地区黄土不同之处。这可能由于T16-1取土地点为河漫滩的冲洪积土,沉积不均匀所致。
微观分析两种土的不同性质差别,如图2所示,T16-1a(5m)、T16-1b(5m)两块土样品在500倍电镜测试获取微观结构,两幅图片相差较大,前者为粒状架空孔隙结构,后者集粒凝块接触部分絮状胶结,胶结强度大,两组震陷曲线相差很大。
此外,T10-1(5m) 和T10-2(10m)同为二级阶地,同一点探井取样,含水量相差1.5%,取土深度不同也会引起不均匀性,导致震陷系数相差较大。
1.2 含水量对震陷的影响
由土动力试验发现,天水地基土的含水量比较高。天水小区划所取的36组原状样品中有30组样品天然含水量大于15%,其中19组样品的含水量在20%以上。这与降水量较高及地下水位浅有关,含水量较高的土本身在地震时存在震陷条件,这也与土的矿物成分及含量有关。塑形指数低的土加上含水量较高对于抗震是不利的。根据我们所做的16组土样的震陷试验,只有3组(T4-1、T4-3、T1-1)含水量低于15%,这三组样品都没有残余变形,即没有震陷现象。
1.3 震陷系数计算及微结构分析
1.3.1低震陷性
如图3所示,震陷系数较低的T4-1、T4-3、T1-1明显低于震陷性较高的T16-1 (1.4%),T4-1在100kPa压力下的震陷系数为0.2%。T4-1的微结构为凝块胶结结构,或絮状胶结结构,土胶结结构较好,这是抗震性能好的场地土层。T4-1含有丰富的孔隙,还需要进一步的分析。
图3 天水黄土(弱震陷性结构)Fig.3 Tianshui Loess (weak seismogenic structure)
1.3.2中强震陷性
如图4所示,震陷性较强的场地土T14、T16、T15、T10、T12均为粒状接触架空结构。这些场地土震陷的临界动应力较低,为0.2~0.62 kg/cm2(表2)。破坏剪应力也较低,小于0.35kg/cm2,残余变形较大。显微结构(如T14)均为粒状接触架空结构,也有粒状-集粒接触架空结构。对于这种架空孔隙结构,可以获得较为准确的孔隙数据。
首先计算天水黄土震陷系数,看是否可用孔隙面积分析方法来研究其震陷性。震陷系数计算公式见式(1),该公式采用动三轴模量试验参数、图像获取的架空孔隙面积、围压等数据建立震陷模型,获得土的残余变形系数计算公式[13]。 将获得PSCAS计算获得的孔隙百分含量换算为试验土样(5cm)横截面积,获得A0,带入残余变形系数计算公式(1)计算。
(1)
式中:a、b为动模量试验获取参数;A0为初始孔隙面积;σ1c和σ3c为固结的轴压及围压。
计算结果如表2所示,除T15计算值与试验值相差较大外,其他计算震陷系数与动三轴试验震陷系数基本接近。
初始孔隙面积A0对于震陷系数有很大的影响。但公式(1)只是考虑初始的孔隙面积值,并没考虑土样中的孔隙分布变化对震陷性的影响。下面进一步分析微观孔隙相关参数对震陷系数的影响,对天水的弱震陷性及中强震陷性黄土进一步进行微观孔隙分析。
图4 天水黄土的微观结构及孔隙选取Fig.4 Microstructure and pore selection of Tianshui Loess
2 微观孔隙分析
采用PCAS软件提取微观结构孔隙参数[10]。PCAS软件处理提取的孔隙如图4所示,为6组代表性的天水震陷性黄土的微观结构及孔隙提取图,其中左面为原状微观结构,右面色块为软件提取参与计算的孔隙。通过该软件分析可获取孔隙的面积、周长、形状系数、长宽和方向。统计参数,如概率熵、分形维数、分选系数、曲率系数等天水黄土孔隙的各类指标参数如表3、图5和图6。
图5中列出震陷系数及动应力由大到小的黄土编号为1~7,对应土编号分别为T14、T16、T15、T10、T12、T4、T1。对应试验震陷系数为13.83、12.5、15.0、11.81、10、0.85、0.26(小数位数取相同位数)。
2.1 震陷性相关参数
(1)孔隙长轴、短轴、方向、周长及面积均值
孔隙区块的长度、宽度和方向可通过Feret直径来定义[12]。直径定义为两条与孔隙以一定角度相切的平行直线间的距离。区块的长度、宽度分别定义为长轴直径和短轴直径。这里提取孔隙的长轴短轴平均值。孔隙均值越小,震陷系数越小。 如图5所示,孔隙的周长均值,面积均值,孔隙面积,长轴及短轴粒径,均显示相似的规律,即随着震陷系数降低而下降。可见孔隙面积的大小及分布形态与震陷性的强弱有明显的相关性,其中T15的孔隙数值较大(试验结果可能偏大)。
(2)概率熵
描述颗粒(或孔隙)系统的定向性,概率熵越小,孔隙的定向性越明显。由图5可见,土样(T14、T16、T15、T10)概率熵依次下降,定向性依次增强(0.969~0.95));震陷系数小的土样(T12、T1、T4),概率熵依次增大(0.97~0.975)。
表3 孔隙分布参数
(3)曲率系数
曲率系数描述孔隙级配曲线整体形态,表明某粒组是否缺失情况。曲率系数与震陷系数大小有关。震陷系数大的土样(T14、T16、T15、T10、T12)的曲率系数分别为0.986、1.0754、1.098、1.0606、1.021,震陷性小的土样(T1、T4),曲率系数偏大为1.624、1.133。
(4)分形维数
分形维数用来描述区块和轮廓的自相似性,通常反映了不同测量尺度下(如不同面积)的变化速率。面积法分形维数描述了孔隙面积变化时,颗粒复杂度的变化速率。土样(T14、T16、T15、T10、T12),天水震陷性土分形维数为1.15~1.18,不震陷的土样(T4、T1)为1.14~1.13。
(5)孔隙及玫瑰图分析
玫瑰图将孔隙的角度0~180°均分9个区位,以每个区位中孔隙累计面积与图像孔隙总面积的比值为源数据,绘制玫瑰图。玫瑰图显示了各个方向上孔隙数量的分布。完整和各向同性固结试样的孔隙分布比较均匀,没有明显的方向性,从玫瑰图中可以看出颗粒的定向特征。如图6a所示,震陷性大的T10、T15、T14、 T16、T12 的孔隙分布方向有明显的不均匀性,有的角度比值很长,有可能更加容易受应力破坏。相比震陷性较低的T1、T4孔径长度较为均匀。
(6)孔隙面积分布图
如图6b的土样的孔隙面积分布图所示,中强震陷性土样产生尖峰分布的为T14、T10、T15、T16a、T12,孔隙面积均较大;弱震陷性的T1、T4的孔隙面积明显小,分布均匀。
(7)孔隙形状因子曲线
孔隙形状因子为等价圆周长和真实周长的比值。如图6c的孔隙形状系数分布曲线显示,T4、T2的孔隙形状系数曲线较为平缓,孔隙更接近于圆形,但T2为黏土,含水量较其他土高,所以震陷性较大;而含水量接近18%~20%,震陷系数较大的T1-1、T12、T10、T14、T15、T16a,孔隙形状因子相比依次变陡。
2.2 相关性不强的参数
(1)概率分布指数是指孔隙面积在某特定区域内的密度,规律不明显。(2)孔隙度分布分维,趋势不明显。(3)分选系数指粒度累计曲线上,75%和25%处所对应的颗粒直径的比值,是表示碎屑沉积物分选性的一种参考。这三个指标反应黄土震陷性趋势不明显。
图5 天水黄土孔隙指标参数(编号1~7分别代表T14、T16、 T15、T10、T12、T4、T1)Fig.5 Pore index parameters of Tianshui loess (No.1~7 represents T14, T16, T15, T10, T12, T4 and T1 respectively)
图6 孔隙分布参数示意图Fig.6 Schematic diagram of pore distribution parameters
3 结论及讨论
通过对天水黄土震陷与微观孔隙的参数分析,得到如下结论:
(1)黄土震陷试验及土工试验表明,天水黄土粘粒含量较高,塑性指数较低,平均低于10,划分仍在粉土范围。多数土样具有震陷离散大,含水量较高(大于15%),震陷系数大。由于天水黄土具有架空孔隙结构,可用震陷系数计算公式(采用架空孔隙面积,围压等为参数)预测震陷系数,计算结果与试验值基本对应。
(2)综合天水黄土微孔隙分析表明,孔隙长轴、短轴及孔隙面积均值,这些孔隙尺寸指标越大震陷变形越大,孔隙面积分布图为尖峰或双峰分布,且峰值越高时,震陷系数越大。震陷性由小到大变化,孔隙形状因子曲线依次变陡。
(3)震陷强弱相关性好的孔隙统计参数及指标为:概率熵表征孔隙定向性的概率熵越小,则震陷性强,随着震陷临界动应力的增大而减小;反应孔隙级配曲线整体形态的曲率系数越大,震陷性越强。孔隙玫瑰图表示孔隙长轴方向的矢量大小及方向,玫瑰图分布越不均匀土样震陷系数越大。对于低震陷性黄土,其孔隙面积分布曲线较小,概率熵高于震陷性土,曲率系数小,不均匀系数小。
孔隙的分布参数对震陷动力机理认识有重要作用,针对震陷机理的微结构参数分析还需要深入研究。
致谢本文震陷等数据参考孙崇绍老师1989年的“天水地震小区划”,在此表示感谢!并对地震系统包括孙老师在内的各位老科学家严谨的科研精神表示崇高的敬意!