地震力作用下的黃土液化

賈 倩, 劉增榮

西安建筑科技大學(xué)（710055）

1 黃土液化和地震災(zāi)害概述

地震是當(dāng)代人類面臨的最大的自然災(zāi)害之一。全世界平均發(fā)生破壞性地震近千次,其中震級達7級或者7級以上的大地震約十幾次，給人類帶來了極大的災(zāi)難，嚴(yán)重的威脅了人們的財產(chǎn)和生命安全。

我國是一個黃土面積分布廣、層厚大的國家，其地層層序之完整，成因類型復(fù)雜，均是舉世聞名的。我國黃土類土主要是風(fēng)積成因類型、也有沖積、洪積和冰水沉積等成因類型。

2 黃土液化原因及其主要影響因素

2.1 液化原因

當(dāng)?shù)卣鹆φ駝幼饔玫酵馏w后,由于土粒大小形狀和所受荷載不同導(dǎo)致土粒接觸點處所受到的振動力大小與方向各異，從而破壞土粒間原有平衡，使土骨架受損，當(dāng)土層中的含水量較高時，在動應(yīng)力和水的共同作用下,孔隙水壓力就可能上升，有效應(yīng)力降低，抗剪強度減小,并引起地基失穩(wěn)而沉陷或者滑動，這就是黃土的液化。

2.2 影響液化的因素

1）地震烈度：多次震害調(diào)查表明,烈度高的地區(qū)噴水冒砂較之烈度低的地區(qū)嚴(yán)重,一般在6度地區(qū)就很少看到有液化現(xiàn)象。室內(nèi)動力試驗表明，施加的動應(yīng)力或加速度越大,持續(xù)時間越長，土樣就越容易液化。為了將地震烈度作為一個統(tǒng)計因素納入計算,可將烈度按表1轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的地面最大加速度系數(shù)а（а=地面最大加速度/g），即地震系數(shù)。

表1 地震烈度與а的關(guān)系

2）土層埋深ds：對于一給定初始密度的土層，其頂板埋深越大，則上部土的自重壓力增加。使土的液化可能性減小。另一方面，由于地震產(chǎn)生的動剪應(yīng)力在地表下某一深度范圍內(nèi)隨深度的增加而增大,而又使土的液化可能性在一定深度內(nèi)隨深度增加而增大的作用。土層埋深對液化勢的影響反映了上述兩項的綜合作用。

3）標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N：標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)（標(biāo)貫數(shù)）常常用于判斷天然砂土和輕亞粘土的密實程度。標(biāo)貫數(shù)越高，表明土越密實，因而越不容易液化。

4）地下水位dw：地下水位的深度對液化有明顯的影響。地下水位越深，越不容易液化。

5）上覆粘土層的厚度s：上覆粘土層的厚度越大，可液化土層所受的上覆壓力也越大。使液化的可能性減小。

6）液化土層的厚度h：液化層厚度的大小對噴水冒砂也有影響。當(dāng)液化層很薄時，即使在地震作用下發(fā)生液化，其體積壓縮量也很小，由于體積壓縮而排出的水量不多，從而超孔壓引起的向上滲流通常不足以穿透上覆非液化土層而形成噴水冒砂。反之，則有此可能。一般認(rèn)為，液化層越厚，引起噴冒的可能性越大。

7）粘土顆粒含量Ps：土的粘粒含量越高，顆粒間的粘結(jié)力增強，土結(jié)構(gòu)特征改變。

8）塑性指數(shù)Ip：按現(xiàn)行《工業(yè)與民用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，塑性指數(shù)越大，即土中粘粒含量越高，越不易液化。

2) 由于東墻和北墻為內(nèi)墻，與鄰室房間相連，故忽略內(nèi)墻與鄰室房間的熱量傳遞，將內(nèi)墻的邊界條件近似設(shè)為絕熱壁面.

9）平均粒徑d50：土的粒徑愈粗，滲透性愈大，孔隙水壓力容易消散，因而不易產(chǎn)生液化；反之,土粒愈細(xì)，特別是其中含有較多粘粒時，由于粘著力較大、土顆粒不易離散，因而也不容易液化。

10）不均勻系數(shù)u：研究發(fā)現(xiàn)，顆粒均勻的土較級配良好的土易于液化?？梢夯恋牟痪鶆蛳禂?shù)u≤10。

3 國內(nèi)外黃土液化研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外有關(guān)黃土液化方面的研究較少，相關(guān)的研究主要集中在中國、美國、前蘇聯(lián)。

美國的研究主要在Missauri-Rolla大學(xué)。1982年P(guān)rakash首次提出了黃土液化的問題。根據(jù)對黃土狀土進行等幅循環(huán)荷載下的振動三軸液化試驗,得到了飽和黃土起始液化的軸向應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)和孔隙水壓力標(biāo)準(zhǔn)值。1984年P(guān)uri利用同樣的試驗方法，對美國中、西部的原狀黃土、重塑黃土進行了研究，得出了飽和黃土的破壞標(biāo)準(zhǔn)和液化標(biāo)準(zhǔn)。Ishihara等對1989年前蘇聯(lián)塔吉境內(nèi)由黃土地震液化引起的流滑現(xiàn)象的機理進行了調(diào)查研究。

1990年白銘學(xué)等分析了1920年海原發(fā)生的8.5級地震的震害。研究了高烈度地震時黃土地層的液化移動。劉公社、巫志輝研究了動荷載下飽和黃土的孔壓演化規(guī)律及其在地震動力分析中的應(yīng)用。王家鼎在2001年則根據(jù)此提出了一種強震作用下黃土斜坡滑移的復(fù)合機理。王蘭民等根據(jù)液化試驗的應(yīng)力、應(yīng)變及孔壓時間過程曲線、液化前后的孔隙微結(jié)構(gòu)的電鏡照片和液化前后水中離子濃度的變化，分別從土動力學(xué)、水電化學(xué)和微結(jié)構(gòu)角度分析了黃土液化的機理。中國建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所受寧夏地震局的委托，對寧夏固原原狀黃土進行了室內(nèi)液化試驗，得出了固原飽和黃土的孔壓增長模型。河海大學(xué)劉漢龍等通過室內(nèi)飽和擊實黃土動三軸試驗來模擬強夯黃土地基的液化勢，研究認(rèn)為對強夯處理的黃土，若處于飽和或近飽和狀態(tài)，在動荷載作用下會發(fā)生液化并引起較大變形。何開明在2001年初步分析了黃土與砂土在液化機理、孔壓增長模型、體積壓縮系數(shù)及滲透系數(shù)方面的差異以便認(rèn)識黃土液化具有孔壓增長快、消散慢和沉降大的特性。2002年何開明與王志剛等用有限元方法對碎石樁黃土復(fù)合地基抗液化性狀進行了數(shù)值分析,為在黃土地區(qū)開展碎石樁處理方法提供了理論依據(jù)。2006年王峻等通過往返加荷動三軸試驗，認(rèn)為蘭州某民用機場擴建工程場地的飽和黃土和飽和砂土更容易發(fā)生液化。閆華林等用固結(jié)不排水方式對飽和原狀黃土進行了動三軸試驗，分析了不同的有效圍壓、循環(huán)應(yīng)力比、加荷頻率、飽和度及超固結(jié)比對飽和黃土液化的影響。

4 亟待解決的問題

由前述可知,前人在黃土液化的理論研究方面已取得了一些成果，但仍有一些問題亟待深入解決。

4.1 黃土液化的試驗方法

黃土液化與砂土液化在機理與表現(xiàn)上均有一定的差異，砂土的試驗方法不能套用于黃土試驗。在上述的研究中認(rèn)為由于孔壓的傳遞,使孔壓上升到一定的制約而達不到有效圍壓。僅為其70%～90%，其孔壓標(biāo)準(zhǔn)為Ud/σ0=0.7。就飽和黃土的液化標(biāo)準(zhǔn)展開了討論并系統(tǒng)地對飽和黃土的液化勢及其影響因素進行了研究。但目前現(xiàn)有的實例資料較少,一般都是基于隨機地震波荷載作用下的動三軸試驗來進行試驗研究,計算預(yù)測不同超越概率下黃土液化的方法,所取得的室內(nèi)初步試驗結(jié)果有待進一步深入的驗證。

4.2 動荷載下孔壓與應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律

4.3 強震作用下黃土層低角度滑移產(chǎn)生的條件

黃土地層發(fā)生液化滑移的內(nèi)因條件是必須具有比較完整的晚更新世以來的黃土地層剖面,并且其中存在飽含水的砂層或砂質(zhì)黃土。這種條件只存在二級以上的黃土階地或低的黃土臺原上才能同時具備,外因條件是黃土地層發(fā)生低角度滑移需要較強的地震動力條件。這兩個條件要在地震烈度達到9°或者9°以上才能滿足。但已有的液化資料中，絕大部分取自沿海地區(qū)沖積、洪積、海積地層，內(nèi)陸地震或其他成因類型的砂土液化震例非常少。寧夏海原地震則是一個高烈度內(nèi)陸的實例。但關(guān)于黃土地層角度滑移機理與預(yù)測方法研究較少，可進一步開展。

[1]白銘學(xué),張?zhí)K民.高烈度地震時對黃土地層的液化移動[J].工程勘察,1990,(6)：1-5.

[2]石兆吉,王蘭民..土壤動力特性、液化勢及其危害性評價[M].北京：地震出版社,1999.

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[4]何開明,王蘭民,王俊等.黃土液化與砂土液化的差異淺析[J].地震研究，2001，24（2）：89-94.

[5]謝定義.試論我國黃土力學(xué)研究中的若干新趨勢[J].巖土工程學(xué)報,2001,23(1)：3-13.