飽和黃土液化標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)研究

孫海妹，王蘭民，王 平，劉紅玫

（1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國地震局黃土地震工程開放實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730000；4.蘭州大學(xué)，甘肅 蘭州 730000)

0 前言

統(tǒng)計(jì)資料表明，西安、太原、蘭州等黃土地區(qū)城市近年來地下水位都已普遍回升。盡管黃土物理性質(zhì)與黏土有相似之處，但由于獨(dú)特的大孔隙結(jié)構(gòu)和弱膠結(jié)特征，它有其自身的特點(diǎn)，不應(yīng)與一般黏性土相混淆。在一定條件下，半干旱氣候條件下風(fēng)成黃土具有較大的液化勢。1920年寧夏海原的8.5級大地震以及1989年塔吉克發(fā)生的5.5級地震，均在黃土層中觸發(fā)了廣泛的液化，造成嚴(yán)重破壞[1]。黃土液化已造成的災(zāi)害、性質(zhì)的不同和范圍的擴(kuò)大都說明將飽和黃土與一般性黃土以及飽和黏土進(jìn)行區(qū)別，單獨(dú)對其進(jìn)行深入研究的必要性和緊迫性。盡管黃土在水和地震作用下孔隙水壓力的發(fā)展有時不能達(dá)到有效固結(jié)圍壓，而是產(chǎn)生較大的變形，但是其液化后較低的抗剪強(qiáng)度和大變形對結(jié)構(gòu)物、生命線工程安全有著較大的影響。因此，研究黃土地震液化中的變形規(guī)律對于分析液化的危害性極為重要。

Prakash 和Puri (1982)[2]指出，美國黃土狀粉土中的黏土成份延緩了孔壓的發(fā)展過程，在所有的試驗(yàn)中，10%的軸應(yīng)變多發(fā)生于“初始液化”前。Ishihara （1990）[3]針對由1989年塔吉克5.5級地震觸發(fā)的黃土滑坡現(xiàn)象，指出半干旱地區(qū)的風(fēng)成黃土層也會液化，深達(dá)15m的農(nóng)業(yè)灌溉造成土層的不穩(wěn)定。高含水量黃土的塑性降低，黃土的殘余強(qiáng)度降低到2-15kPa是這種現(xiàn)象發(fā)生的兩個根本原因。國內(nèi)也對飽和黃土的液化現(xiàn)象進(jìn)行了眾多研究[4-8]。

前人在飽和黃土振動液化的研究中，對孔隙水壓力的上升給予了較大興趣，建立了眾多的孔壓模型[7-9]。由于孔壓上升所受到的影響因素較多，飽和黃土的孔壓上升過程一直未能得出統(tǒng)一的認(rèn)識，孔壓能否上升達(dá)到有效固結(jié)圍壓一直是一個爭執(zhí)的焦點(diǎn)，而在孔壓上升過程中產(chǎn)生較大的變形以及變形和孔壓的關(guān)系得到了公認(rèn)。本文主要從試驗(yàn)角度研究不排水情況下，對飽和黃土在荷載振動作用下應(yīng)變的變化規(guī)律，以及應(yīng)變和孔壓的相互關(guān)系進(jìn)行分析，提出黃土液化標(biāo)準(zhǔn)，為工程抗震和震害預(yù)防提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)基本情況

本文的試驗(yàn)是以英國WF公司生產(chǎn)的空心圓柱扭剪儀的動三軸試驗(yàn)系統(tǒng)為試驗(yàn)平臺進(jìn)行的蘭州原狀黃土飽和、液化試驗(yàn)。該儀器通過伺服控制將氣壓轉(zhuǎn)為水壓，對試樣施加壓力。豎向荷載采用氣動作動器施加；圍壓及反壓均通過氣轉(zhuǎn)水系統(tǒng)施加。試驗(yàn)過程完全通過計(jì)算機(jī)軟件來控制和設(shè)計(jì)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)字化，并且試驗(yàn)軟件可以進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)處理和圖形顯示以及向其它軟件如Excel輸出數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)采用蘭州榆中縣一個工程場地的原狀黃土，該場地地層主要為黃土狀粉土。土樣的物性指標(biāo)、粒徑分布如表1所示。試驗(yàn)用的試樣尺寸為50（直徑）×100（高度）mm。試樣采用反壓飽和法進(jìn)行飽和，使用該法可在 2—3小時內(nèi)使土樣達(dá)到完全飽和，即飽和度達(dá)到95%以上[10-15]。試驗(yàn)中采用正弦等幅循環(huán)荷載，頻率為1Hz。

表1 試驗(yàn)所用黃土的物性指標(biāo)

2 試驗(yàn)成果及分析

2.1 均壓固結(jié)下的孔壓、應(yīng)變特性

本組試驗(yàn)是將原狀黃土試樣飽和、均壓固結(jié)后，施加不同大小的循環(huán)荷載進(jìn)行液化破壞試驗(yàn)。圖1所列試驗(yàn)的固結(jié)圍壓130 kPa，動荷載 25 kPa，循環(huán)應(yīng)力比為0.1。

圖1為動荷載作用下軸應(yīng)變和孔壓時程曲線。從圖1可以看出，在加荷的前幾周，振動孔壓平緩增加，約在第10振次時振動孔壓快速增加。當(dāng)應(yīng)變小于 2%時,孔壓和應(yīng)變增長緩慢；應(yīng)變大于 2%后,孔壓和應(yīng)變增長加快；當(dāng)應(yīng)變達(dá)到 3%時,孔壓在一個周期內(nèi)的波動增大，即孔壓的峰值在增加，但其谷值在下降；當(dāng)應(yīng)變大于3%后, 一個周期內(nèi)的孔壓波動達(dá)到了90 kpa，孔壓持續(xù)上升直至達(dá)到有效圍壓，即 3%應(yīng)變發(fā)生在初始液化前。在“初始液化”前，土樣由于應(yīng)變太大而破壞。

圖1 動荷載下軸應(yīng)變和孔壓時程圖Fig.1 The history of axial strain and pore pressure in loading.

圖2為軸向應(yīng)變與孔隙水壓關(guān)系曲線。從圖中可看出，振動的初始階段軸向應(yīng)變的峰值與孔隙壓力的峰值相對應(yīng)。到振動后期，兩者的峰值不再對應(yīng)，即當(dāng)應(yīng)變達(dá)到峰值時，孔隙水壓沒有達(dá)到最大值。在曲線的初始，小軸向應(yīng)變增長對應(yīng)著大幅增加的孔隙水壓；而在曲線的后期，應(yīng)變大幅增加，孔壓變化相對不大。這說明前期與后期的軸向應(yīng)變引起的體應(yīng)變不同，開始階段的軸向應(yīng)變與塑性體應(yīng)變緊密聯(lián)系，導(dǎo)致較大的孔隙水壓力增幅，而后期的軸向應(yīng)變主要是由于某一區(qū)域液化而產(chǎn)生的剪切破壞變形，此時，試件的塑性體應(yīng)變增加并不多，因此，孔隙水壓力變化不大[16]。

試驗(yàn)表明，蘭州黃土的軸向應(yīng)變與孔隙水壓力存在一定的對應(yīng)關(guān)系，在一個動荷循環(huán)內(nèi)，軸向應(yīng)變的變化影響到孔隙水壓力的變化。當(dāng)應(yīng)變小于2%時，孔壓和應(yīng)變增長緩慢。這說明，在應(yīng)變小于2%時，黃土的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，孔壓可以持續(xù)上升。應(yīng)變達(dá)到 2%后，孔壓相對穩(wěn)定后繼續(xù)上升；當(dāng)應(yīng)變大于3%以后，孔壓可能上升到有效圍壓，即3%應(yīng)變通常出現(xiàn)在孔壓達(dá)到有效圍壓之前，但由于試樣的軸向應(yīng)變太大多會造成試樣在“初始液化”前破壞，一般很難觀察到飽和黃土在動荷載作用下的“初始液化”現(xiàn)象。

圖2 動荷載下孔壓和應(yīng)變的關(guān)系Fig.2 Relationship between pore pressure and axial strain in loading.

圖3 荷載和應(yīng)變的滯回圈Fig.3 The hysterisis loop of load and axial strain.

原狀黃土試樣在動荷載作用下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系有兩個特點(diǎn)：一是非線性，二是滯后性。從圖3可看出：在初始振動階段，滯回圈呈不規(guī)則橢圓形。隨著振動次數(shù)的增加，滯回圈明顯變大，拉應(yīng)變的幅值大幅增加，壓應(yīng)變的幅值變化較小，同時相鄰振次之間的滯回圈差異逐步變大，說明出現(xiàn)了殘余的塑性應(yīng)變，土樣已進(jìn)入黏塑性階段。隨著振動次數(shù)的進(jìn)一步增加，應(yīng)變的增幅繼續(xù)增大直至達(dá)到破壞。滯回圈的形狀較初始階段發(fā)生了明顯的變化，即滯回圈不再是橢圓形，在軸向力為0處，應(yīng)變出現(xiàn)了較大的突變，說明黃土在高應(yīng)變處結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。雖然本試驗(yàn)中軸向應(yīng)變并沒有達(dá)到傳統(tǒng)意義上的液化標(biāo)準(zhǔn)——應(yīng)變達(dá)5.0%，但我們觀察到，應(yīng)變達(dá)到 3%后，在荷載和孔壓變化不大的情況下，軸應(yīng)變繼續(xù)增加。直至在軸應(yīng)變變化不大的情況下，荷載消減為0。

從試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論，均壓固結(jié)條件下，飽和原狀黃土在應(yīng)力控制循環(huán)荷載作用下，飽和黃土孔壓和應(yīng)變發(fā)展特點(diǎn)為：加荷初始階段就能顯示出明顯的孔壓和應(yīng)變變化，且它們是隨振次的增加而逐漸增大的，而不是象飽和松砂那樣，在接近破壞時出現(xiàn)孔壓陡增或應(yīng)變突然變大的散體結(jié)構(gòu)崩潰式的液化現(xiàn)象。在某一振次時，黃土試樣中可能會出現(xiàn)殘余孔壓等于初始有效固結(jié)圍壓的“初始液化”現(xiàn)象。之后，產(chǎn)生“循環(huán)活動性”。也有可能在殘余孔壓等于初始有效固結(jié)圍壓前，由于應(yīng)變太大導(dǎo)致試樣破壞。土體的軟化程度越大，剛度下降越大，雙幅應(yīng)變值越大，因此可用雙幅應(yīng)變的發(fā)展來間接反映土體的軟化。3%應(yīng)變一定出現(xiàn)在初始液化前。應(yīng)變大于 3%之后，一個周期內(nèi)的孔壓波動出現(xiàn)明顯增加，試樣的軸向應(yīng)變大幅增加，以致在孔壓未能達(dá)到有效圍壓的情況下，就造成試樣破壞。

黃土振動孔壓波動要比砂土振動孔壓波動大，在 3%軸應(yīng)變前后，一個周期內(nèi)的孔壓波動一般能超過1/4有效圍壓。對于黃土，在加荷過程中當(dāng)試樣受拉時，試樣內(nèi)可能出現(xiàn)負(fù)孔壓(即靜、動孔壓之和小于靜孔壓)，這可能是土層結(jié)構(gòu)性的影響。

2.2 偏壓固結(jié)條件下的孔壓、應(yīng)變特性

圖4是固結(jié)有效圍壓130kPa，固結(jié)比1.2時孔壓和軸應(yīng)變的時程曲線。從圖中看出，偏壓固結(jié)下，循環(huán)荷載作用下的孔壓上升曲線和均壓固結(jié)下的孔壓上升曲線形態(tài)近似，在初始階段都是勻速上升，隨后上升速率加快。和均壓固結(jié)條件下不同的是，偏壓固結(jié)下的孔壓最大值達(dá)不到有效圍壓。本試驗(yàn)的孔壓值在290周期時為最大，為124kPa，是有效圍壓的95%，而此時的軸向變形約為28%，土樣已經(jīng)破壞。軸應(yīng)變在263周期時達(dá)到3%，隨后在孔壓上升較慢的情況下，殘余應(yīng)變由于微結(jié)構(gòu)破壞而得到充分增長。

圖4 動荷下飽和原狀黃土試樣孔壓和應(yīng)變的發(fā)展Fig.4 Development of pore pressure and axial strain in loading.

試驗(yàn)結(jié)果表明，偏壓固結(jié)條件下的飽和原狀黃土試樣在振動破壞過程中，孔壓的最大值不能達(dá)到有效圍壓。3%的軸向應(yīng)變破壞總是出現(xiàn)在孔壓的最大值之前，在達(dá)到最大孔壓之前，試樣一般已經(jīng)破壞。

3 液化破壞標(biāo)準(zhǔn)

研究表明，砂土的100%孔壓比伴隨著大變形，其液化標(biāo)準(zhǔn)是100%孔壓比和10%的應(yīng)變。而對于黃土來說，在孔壓比達(dá)到100%以前，應(yīng)變已達(dá)到相當(dāng)大的程度造成土樣破壞，100% 的孔壓比很難達(dá)到。在地震作用下，黃土的大變形甚至可以在沒有孔壓大幅度增長的情況下發(fā)生。或許沒有達(dá)到100%的孔壓比，但是由于循環(huán)荷載造成土結(jié)構(gòu)的重塑、孔壓的發(fā)展，引起剪應(yīng)力強(qiáng)度降低，造成大變形，引起土樣破壞。因此飽和原狀黃土的液化破壞更多是由它的變形特征來控制，而不是由孔壓發(fā)展來控制。在這種情況下，建議用應(yīng)變的百分比來作為定義液化和動強(qiáng)度喪失的重要指標(biāo)。

從試驗(yàn)看出，飽和原狀黃土在應(yīng)力控制循環(huán)荷載作用下，在軸應(yīng)變達(dá)到 3%時，孔壓比的變化范圍可達(dá)到 0.2—1.0，孔壓的增長受試驗(yàn)方法、儀器測量精度影響較大。均壓固結(jié)條件下，應(yīng)變大于3%之后，一個周期內(nèi)的孔壓波動出現(xiàn)明顯增加，一般能達(dá)到1/4有效圍壓。試樣的軸向應(yīng)變大幅增加，以致在孔壓未能達(dá)到有效圍壓的情況下，就造成試樣破壞。偏壓固結(jié)條件下，孔壓的最大值不能達(dá)到有效圍壓，3%的軸向應(yīng)變破壞總是出現(xiàn)在孔壓的最大值之前，一個周期內(nèi)的孔壓波動出現(xiàn)明顯增加，在達(dá)到最大孔壓之前，試樣一般已經(jīng)破壞。

考慮到3%應(yīng)變一定發(fā)生在“初始液化”或“最大孔壓”之前以及軸應(yīng)變大于3%后，軸應(yīng)變增長的線性、一個周期內(nèi)孔壓的大幅波動和孔壓增長的不確定性，我們認(rèn)為應(yīng)該以 3%應(yīng)變作為判定黃土液化的一個重要指標(biāo)。由于實(shí)際場地中的黃土處于偏壓固結(jié)狀態(tài)，因此以3%軸應(yīng)變，0.2的孔壓比為液化破壞指標(biāo)是比較合適的。

圖5是以上述液化破壞標(biāo)準(zhǔn)作出的振次比和應(yīng)變關(guān)系圖。從圖中看出，在 3%應(yīng)變前，應(yīng)變的變化趨勢是比較一致的。超過 3%后，應(yīng)變多呈線性發(fā)展，造成土樣破壞。因此，以 3%應(yīng)變作為液化標(biāo)準(zhǔn)是比較安全的。

4 液化機(jī)理討論

原狀黃土應(yīng)變和孔壓增長規(guī)律說明了飽和或近飽和的黃土液化勢是相當(dāng)大的，且應(yīng)變、孔壓發(fā)展迅速。由于黃土獨(dú)特的液化機(jī)理，往往震級不大就可以觸發(fā)黃土的液化。主要原因試析如下：在固結(jié)不排水的動三軸試驗(yàn)中，黃土獨(dú)特的大孔隙結(jié)構(gòu)，較高的孔隙比、粉粒含量、中孔隙含量、含鹽量是其液化的內(nèi)因，外部條件是施加一定的動荷載。在荷載應(yīng)力作用下，鹽類物質(zhì)的溶解和中孔隙結(jié)構(gòu)的迅速破壞，黃土結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸喪失，一旦結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度遭到破壞，黃土就顯示出強(qiáng)烈的剪縮特性，在不排水條件下轉(zhuǎn)化為孔隙水壓力的上升和有效應(yīng)力的下降[17]。變形進(jìn)一步增大，孔隙水壓力相應(yīng)逐步上升，最終出現(xiàn)“初始液化”和“循環(huán)活動性”現(xiàn)象。當(dāng)荷載應(yīng)力較大時，快速產(chǎn)生較大的應(yīng)變，孔隙水壓力還來不及發(fā)展試樣就產(chǎn)生破壞，因而試樣破壞時的孔壓水平較低；荷載應(yīng)力較小時，應(yīng)變逐漸增大過程中試樣結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞，孔壓不斷積累，破壞時就可以達(dá)到較高的孔壓水平。因此，在黃土地區(qū)黃土體是存在液化的可能性的。

圖5 應(yīng)變和振次比的關(guān)系Fig.5 Relationship between the axial strain and cycles ratios.

5 結(jié)語

根據(jù)飽和黃土在動荷載振動作用下的液化試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）3%軸應(yīng)變通常出現(xiàn)在“初始液化”前；3%軸應(yīng)變后，應(yīng)變大幅增加，孔壓有可能達(dá)到初始有效固結(jié)圍壓，也有可能在“初始液化”前破壞；3%軸變形是黃土穩(wěn)定變形和大幅變形的臨界點(diǎn)。

（2）“初始液化”判別標(biāo)準(zhǔn)對于黃土是不可行的。在實(shí)際場地，黃土處于偏壓固結(jié)狀態(tài)，因此以3%軸應(yīng)變，0.2的孔壓比為液化破壞指標(biāo)是比較合適的。

（3）在固結(jié)不排水的動三軸試驗(yàn)中，黃土結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸喪失，體積收縮，在不排水條件下轉(zhuǎn)化為孔隙水壓力的上升和有效應(yīng)力的下降，最終可能出現(xiàn)“初始液化”和“循環(huán)活動性”。

目前利用空心圓柱扭剪儀的動三軸功能得到的飽和黃土液化試驗(yàn)資料較少，所取得的室內(nèi)初步試驗(yàn)研究結(jié)果，尚有待于進(jìn)一步深入研究和驗(yàn)證。

致謝：感謝張振中研究員、王峻高級工程師在試驗(yàn)過程中的指導(dǎo)和幫助。

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