飽和蘭州黃土液化特性的試驗研究

馮 立，葛瑞華，郭 康，劉亞明

(西北大學(xué) 地質(zhì)系，陜西 西安 710069)

2008年5·12特大地震中，位于甘肅省清水縣郭川鄉(xiāng)的田川村發(fā)生了飽和黃土的液化滑移災(zāi)害，給人們及國家造成了巨大的損失［1］。震害實例調(diào)查和室內(nèi)試驗研究表明:飽和原狀黃土以及高含水量的黃土具有較大的液化勢和流動破壞勢［2］。一旦地震來臨，必有可能加重其震害。對此國內(nèi)外許多學(xué)者進行了研究，Ivsic［3］以每個循環(huán)的孔壓增量與土性、循環(huán)荷載及初始應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系為基礎(chǔ)，建立了孔隙水壓力模型。王炳輝等［4］在不同相對密度、不同固結(jié)比條件下將均等固結(jié)的孔壓增量模型拓展為適用于不同相對密度、均等和非均等固結(jié)條件的孔壓增量模型。李蘭等［5］研究了黏粒含量對黃土抗液化能力的影響。楊振茂等［2］對黃土液化的試驗方法、液化機理、液化判別標準、液化影響因素、孔壓發(fā)展特點等開展了大量研究工作，取得很多有意義的成果。廖勝修等［6］對多起黃土地基夯實處理過程中機械振動引起的黃土液化的實例予以報道和分析，以實際資料說明飽和黃土在一定的振動條件下，是容易發(fā)生液化的，黃土液化后呈現(xiàn)泥流狀，并不再具備承載力。

雖然，國內(nèi)外的眾多學(xué)者在蘭州地區(qū)對飽和黃土的液化問題進行了諸多研究，且在探索其形成機制和變形機制的方面取得了一些成果，但是對黃土液化的機理及孔壓發(fā)展的規(guī)律的研究仍具有很大的局限性。因此，需要繼續(xù)進行這方面的研究。對于飽和原狀黃土的液化研究，由于地震荷載是一種隨機動荷載，大多具有明顯的不規(guī)則性和不對稱性。本次通過Seed［7］等提出的轉(zhuǎn)換方法將地震荷載轉(zhuǎn)換為基于等幅荷載下的動三軸試驗，同時由于問題的復(fù)雜性和儀器設(shè)備功能的限制，因此，對飽和原狀黃土液化的研究施加正弦波循環(huán)振動荷載，并采用應(yīng)力控制。

本文擬通過對飽和原狀黃土的液化試驗研究，分析飽和黃土的液化特性，以期為本地區(qū)工程抗震和震害預(yù)防提供理論依據(jù)。

1 試驗儀器、試樣和試驗方法

本次試驗所用試驗儀器是西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室的GDS雙向振動三軸儀(圖1)。試樣直徑38 mm，高76 mm。試樣取自甘肅蘭州市永靖縣，其各項物性指標見表1所示。

試驗固結(jié)比 Kc為 1.0;圍壓 σc分別采用 50、100、150 kPa;激振頻率 f分別為 0.1、0.5、1、2 Hz;在某一圍壓下，控制軸向振幅為 0.5 mm、0.75 mm、1 mm、1.25 mm、1.5 mm、1.75 mm、2 mm、2.25 mm、2.5 mm、2.75 mm;振幅按照逐級增大的控制方式且每級振幅下振動20次。

黃土的液化試驗采用原狀試樣。經(jīng)多次試驗，采用了水頭飽和方法。采用水頭飽和的方法可在2 h內(nèi)使原狀黃土的飽和度達到90%以上，達到《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范(GB50025－2004)》對飽和黃土飽和度的要求，又不致使試樣的結(jié)構(gòu)在飽水過程中破壞。

圖1 GDS雙向振動三軸儀

表1 原狀黃土的物性指標

通過動力加載不排水試驗，根據(jù)試驗土樣的外部變形程度(圖2)及一系列關(guān)于土體應(yīng)力應(yīng)變及孔壓發(fā)展的變化曲線，表明飽和黃土是可以達到初始液化的，因此考察了飽和原狀黃土的液化特性，并在此基礎(chǔ)上探討了飽和黃土在液化過程中的孔壓發(fā)展規(guī)律。

圖2 試驗結(jié)束后土樣變形程度

2 飽和黃土的液化特性分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變滯回圈

以有效固結(jié)圍壓為100 kpa，等壓固結(jié)下，選取振幅 A=1 cm時的液化試驗為例對試驗結(jié)果進行分析。

根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變滯回圈將液化過程分為三個階段。由圖3可知:在0～5次振動周期時，滯回圈都呈不規(guī)則似橢圓形。在軸向應(yīng)變處于峰值時，拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均出現(xiàn)變化，但振動次數(shù)之間的滯回圈路徑變化不大，最大、最小應(yīng)力幾乎相等，可以認為土樣還處于粘彈性階段。隨著振動次數(shù)的增加，在6～10次振動時，曲線出現(xiàn)變化，拉、壓應(yīng)力的幅值減小，同時相鄰的滯回圈差異逐步變大。說明土樣已進入粘塑性階段。土體初始具有的結(jié)構(gòu)性已經(jīng)被破壞，趨向于形成另外一種更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)發(fā)展，隨著振次的增大，在10～15振動周期，已經(jīng)基本上處于這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)階段，滯回圈路徑幾乎重疊，這種新的土體結(jié)構(gòu)在一定變形范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的抗剪切變形能力。隨著振動次數(shù)的進一步增加，在15～20次振動時，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，軸向偏應(yīng)力逐漸減小，土樣強度下降。若繼續(xù)振動則偏應(yīng)力會不斷下降，直至為零，此時土樣將完全喪失抗剪強度，土樣破壞。

黃土在振動時，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，當遇到反向荷載時，黃土的結(jié)構(gòu)即發(fā)生劇烈調(diào)整，而在應(yīng)變減少時則需要更大的應(yīng)力。這說明，黃土在動力作用下發(fā)生塑性變形，該變形在荷載減小時并不恢復(fù)，當反向作用力大到不能克服黃土顆粒間的摩擦阻力時，應(yīng)變才開始向反方向發(fā)展。而且變形處于粘塑性階段時，土體趨向于一種更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)發(fā)展，而不是破壞。楊振茂［8］等對土樣在振動液化過程中的這種發(fā)展也有類似的研究，研究飽和黃土的穩(wěn)態(tài)強度特性及超同結(jié)對其不排水性狀的影響。對比分析了黃土與砂土靜力液化特性之間的異同，提出了飽和黃土流滑破壞的產(chǎn)生條件和穩(wěn)態(tài)強度判斷飽和黃土能否產(chǎn)生液化流滑的方法。

圖3 動荷載下飽和原狀黃土偏應(yīng)力和應(yīng)變的滯回圈

2.2 動孔壓

圖4是有效固結(jié)圍壓100 kPa，等壓固結(jié)的條件下的動孔壓、偏應(yīng)力、應(yīng)變的發(fā)展曲線。從圖2(a)、(b)、(c)可以看出:孔壓隨振次的增長同樣可以分為三個階段:在變形初始階段，孔壓增長相對比較快;隨著變形增大到某一值時，孔壓增長速度突然加快，進入第二個階段;當殘余變形增大到一定程度后，孔壓增長又逐漸變緩，直至最后孔壓基本保持不變。在第一階段，應(yīng)變以彈性為主原因在于尚且存在較強的結(jié)構(gòu)性，土體體變還不算明顯;在第二個階段，隨著振次的增加，顆粒之間的粘結(jié)開始逐漸松動失效，同時易溶鹽和中溶鹽大量溶解，使得中、大孔隙結(jié)構(gòu)強度被破壞而崩塌，土體顆粒散落于這些孔隙中，土體體變表現(xiàn)為強烈的剪縮特征，故而孔壓急劇上升;另一方面，孔壓的上升導(dǎo)致有效應(yīng)力急劇降低，這進一步削落了土體的抗剪切變形能力，使得應(yīng)變急劇增大，孔壓增長速率也增大;第三階段，由于原先的大孔隙結(jié)構(gòu)已被破壞并過渡為另外一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，體積剪縮量大大減少;隨著剪切帶的形成，土體的變形范圍越來越集中于剪切帶內(nèi)，故而體變量更進一步變小，孔壓的變化也越來越緩慢直至趨于穩(wěn)定。

根據(jù)孔壓的發(fā)展規(guī)律說明:土體在小振動和較少振動下向一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)展，而不是發(fā)生破壞。同時從圖2可以看出應(yīng)變小于1%時孔壓的增長速率快;達到1%以后孔壓增長速率減小，在應(yīng)變達到2%后，孔壓的最大值上升到有效圍壓，初始液化;同時偏應(yīng)力迅速減小，孔壓趨于穩(wěn)定，并且試樣在應(yīng)變達到3%以后發(fā)生破壞，此時偏應(yīng)力衰減趨于0。

圖4 動荷載下飽和原狀黃土試樣孔壓、應(yīng)變和偏應(yīng)力的發(fā)展

2.3 應(yīng)變與孔壓

圖5 動荷載下飽和原狀黃土試樣孔壓和應(yīng)變的曲線(100 kpa)

圖5所示，在初始階段，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，但是孔隙水壓卻基本保持不變。這說明前后期的軸向應(yīng)變引起的體積應(yīng)變不同，開始階段由于軸向應(yīng)變與體應(yīng)變相聯(lián)系而導(dǎo)致較大的孔隙水壓力的增幅，而后期的軸向應(yīng)變主要是由于部分液化而產(chǎn)生的剪切破壞變形，此時，試件的體應(yīng)變增加并不多，因此孔隙水壓力變化不大。常方強等［9］進行動三軸試驗測試不同強度粉土的液化特性，并建立了土的強度與動剪應(yīng)力比的關(guān)系，探討土的強度和動應(yīng)力對液化的影響。結(jié)合研究表明: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。

3 結(jié)語

本文研究了蘭州飽和原狀黃土的液化現(xiàn)象，根據(jù)飽和黃土在動荷載振動作用下的液化試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論:

(1)黃土振動液化過程中應(yīng)力－應(yīng)變的滯回特性隨著振動次數(shù)的增加發(fā)生變化。

(2)本文分析了黃土在振動液化過程中動孔壓的變化規(guī)律?？讐弘S振次的增長可以分為三個階段:在變形初始階段，孔壓增長比較快;當殘余變形增大到一定程度后，孔壓增長又逐漸變緩，直至最后孔壓基本保持不變。同時根據(jù)孔壓的發(fā)展規(guī)律，表明土體在小振動和較少振動條件下向一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)展，而不是發(fā)生破壞。

(3)研究表明，黃土的軸向應(yīng)變與孔隙水壓力存在一定的關(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。應(yīng)變在1%時孔壓發(fā)生明顯變化，其增長速率由快變慢;在應(yīng)變達到2%后，孔壓的最大值上升到有效圍壓，同時偏應(yīng)力迅速減小，孔壓趨于穩(wěn)定。

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