飽和黃土液化判別方法的兩點(diǎn)發(fā)現(xiàn)

董 林， 王蘭民， 夏 坤

(1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國(guó)地震局(甘肅省) 黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

(1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國(guó)地震局(甘肅省) 黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

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飽和黃土液化判別方法的兩點(diǎn)發(fā)現(xiàn)

董 林1，2， 王蘭民1，2， 夏 坤2

(1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國(guó)地震局(甘肅省) 黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

(1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國(guó)地震局(甘肅省) 黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

黃土液化實(shí)例多與現(xiàn)有可液化土地質(zhì)年代規(guī)定不符。采用動(dòng)三軸彎曲元試驗(yàn)設(shè)備對(duì)原狀黃土飽和過(guò)程進(jìn)行剪切波速跟蹤測(cè)試，發(fā)現(xiàn)黃土浸水、結(jié)構(gòu)先破壞再固結(jié)形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，證明經(jīng)歷過(guò)飽和的黃土已不能再視其為飽和前的地質(zhì)年代。蘭州馬蘭黃土中的黏粒有些是以黏土團(tuán)塊的形式存在，而黏土團(tuán)塊并不影響其他部分粉質(zhì)土的液化，因此對(duì)于此類土應(yīng)用黏粒含量進(jìn)行液化判別時(shí)，應(yīng)考慮將黏土團(tuán)塊不計(jì)入黏粒含量。

黃土； 液化； 地層年代； 剪切波速； 黏粒含量

0 引言

黃土液化的判別是工程界長(zhǎng)期存疑的問(wèn)題，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010[1]在飽和砂土、粉土液化判別條款中明確指出不含黃土。其中，關(guān)于地質(zhì)年代初判準(zhǔn)則，黃土與砂土、粉土差別最顯著?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定砂土、粉土地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世(Q3)及其以前，Ⅶ、Ⅷ度時(shí)可判為不液化。而無(wú)論震害實(shí)例還是室內(nèi)試驗(yàn)都表明，Q3黃土也具有很大的液化勢(shì)和流態(tài)破壞勢(shì)[2-5]。如1989年前蘇聯(lián)塔吉克5.5級(jí)地震在半干旱的緩斜坡丘陵地形地貌下近乎平坦的風(fēng)成黃土層中觸發(fā)了廣泛的液化，并形成大規(guī)模泥流，向前流滑了2.0 km，致使100多棟房屋埋在5 m 厚的泥中，200人喪生或失蹤。Ishihara K等[6]調(diào)查分析后認(rèn)為，液化的發(fā)生是由于農(nóng)業(yè)灌溉水濕化了7～17 m范圍多孔隙風(fēng)成黃土層(Q3)。1920年中國(guó)海原8.5級(jí)地震時(shí)，石碑塬11～25 m深范圍內(nèi)砂質(zhì)黃土層(Q3)由于地下水大幅度上升而引起液化，上覆土體沿緩斜坡坡降方向向前滑移了1.5 km[3]。

在上述液化實(shí)例中，液化層為干旱地區(qū)Q3風(fēng)成黃土層，由于經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)灌溉或地下水大幅上升，遇地震而液化。而由于黃土獨(dú)特的多孔隙、弱膠結(jié)的結(jié)構(gòu)性和水敏性，飽和過(guò)程對(duì)其結(jié)構(gòu)性的影響可能很大，也就是說(shuō)經(jīng)歷了飽和過(guò)程的Q3黃土或許已不能再視為形成于第四紀(jì)晚更新世(Q3)。本文以動(dòng)三軸彎曲元試驗(yàn)設(shè)備對(duì)原狀黃土飽和過(guò)程剪切波速進(jìn)行跟蹤測(cè)試，試圖查明飽和過(guò)程對(duì)黃土結(jié)構(gòu)性的影響。

另外，高國(guó)瑞[7]發(fā)現(xiàn)蘭州馬蘭黃土黏粒含量平均在20%，最高達(dá)到30%，但濕陷仍甚為強(qiáng)烈。進(jìn)一步的研究表明蘭州黃土中的黏粒表面活性為鈣離子和微晶體碳酸鈣所控制，普遍凝聚成集粒的結(jié)果[8]。筆者在長(zhǎng)期從事黃土探井取樣及試驗(yàn)切削土樣過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)黃土中有些黏粒是以黏土團(tuán)塊的形式存在，而黏土團(tuán)塊并不影響土體骨架。由于黏粒含量在黃土液化初判及詳判中都極為重要[9]，因此對(duì)于該現(xiàn)象應(yīng)引起足夠的重視。

1 試驗(yàn)儀器及試樣

1.1 試驗(yàn)儀器

本研究試驗(yàn)儀器為中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所新近購(gòu)置的英國(guó)GDS公司動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)DYNTTS，試樣底座和頂帽配備了壓電陶瓷彎曲元，接、發(fā)彎曲元懸臂一端入土長(zhǎng)度均為2 mm，試驗(yàn)儀器如圖1、2所示。相關(guān)彎曲元測(cè)試原理及剪切波形初至的判斷方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[10-12]，這里不再贅述。

1.2 試樣

蘭州馬蘭黃土(Q3)屬干燥環(huán)境下的風(fēng)力沉積物，地質(zhì)年代介于1×104～10×104a，最大沉積厚度逾35 m。試驗(yàn)用土取自蘭州市寺兒溝、桃樹(shù)坪小學(xué)及連搭鄉(xiāng)場(chǎng)地，共計(jì)三組原狀黃土試樣。各試樣取土深度及相應(yīng)物性指標(biāo)如表1所列。

圖1 動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)DYNTTSFig.1 Dynamic triaxial test system DYNTTS

圖2 GDS彎曲元Fig.2 GDS bender elements

2 黃土飽和過(guò)程剪切波速跟蹤測(cè)試

針對(duì)1.2節(jié)三組原狀黃土制作直徑50 mm、長(zhǎng)100 mm試樣，以脫氣水水位差循環(huán)滲流方法[2-3]進(jìn)行飽和。具體步驟為：試樣裝樣、合軸、壓力室注水之后測(cè)試試樣初始狀態(tài)剪切波速，然后對(duì)試樣施加20 kPa圍壓，通過(guò)1.1～1.2 m的水頭使脫氣水從試樣底部進(jìn)入，并使空氣從試樣頂部排出，飽和過(guò)程采用彎曲元設(shè)備連續(xù)測(cè)試剪切波速。圖3為試樣LZ1-6彎曲元測(cè)試剪切波形與波速結(jié)果，圖4為三組試樣跟蹤測(cè)試結(jié)果。

表 1 原狀黃土的物性指標(biāo)

圖3 彎曲元試驗(yàn)的波形與波速結(jié)果Fig.3 Shear wave forms and velocities in bender element tests

圖4 原狀黃土飽和過(guò)程剪切波速跟蹤測(cè)試結(jié)果Fig.4 Shear wave velocity test results of intact loess during saturation

用剪切波速表征土體結(jié)構(gòu)性有其優(yōu)越性和合理性[12]。從圖3～4可見(jiàn)，原狀黃土試樣通水飽和，試樣剪切波速在初始10～20 min內(nèi)急劇下降，反映了黃土水敏性的特性；而當(dāng)試樣基本飽和之后，在20 kPa圍壓下重新固結(jié)，剪切波速甚至得到適當(dāng)提高(LZ1-6、LZ6-6)，反映了黃土遇水結(jié)構(gòu)破壞到再固結(jié)的特性。試樣LZ4-6無(wú)剪切波速下降后再提升的階段，由表1可知其干密度為1.29 g/cm3，非常小，這反映了黃土干密度對(duì)其水敏性強(qiáng)弱的影響。而不管其干密度大小，三組試樣剪切波速最終都達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，證明黃土遇水、結(jié)構(gòu)先破壞再固結(jié)形成新的穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010修訂說(shuō)明中提及，規(guī)范地質(zhì)年代液化初判準(zhǔn)則被多次指出在黃土地區(qū)的歷史地震黃土液化實(shí)例中不適用。究其原因，可能是概念理解上的差異。正如引言中所述的黃土液化實(shí)例，地質(zhì)年代為Q3的風(fēng)成黃土在經(jīng)歷了地下水位上升或農(nóng)業(yè)灌溉之后才會(huì)液化，但經(jīng)歷過(guò)浸水的Q3風(fēng)成黃土，由圖4可知，其結(jié)構(gòu)已產(chǎn)生顯著的變化，不能再簡(jiǎn)單視其為形成于晚更新世(Q3)時(shí)代。

3 黃土中黏粒賦存形式

正如引言中所述，黃土中黏粒賦存形式復(fù)雜。筆者在長(zhǎng)期從事黃土探井取樣及實(shí)驗(yàn)室黃土試樣制備的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)黃土中有些黏粒是以黏土團(tuán)塊的形式存在(圖5)。

圖5 原狀黃土中的黏土團(tuán)塊Fig.5 Clay lumps in intact loess specimens

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010規(guī)定粉土的黏粒含量百分率，Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度分別不小于10、13和16時(shí)，可判為不液化土[1]。王蘭民等[9]則針對(duì)黃土提出相應(yīng)烈度下黏粒含量界限為12、15和18，且在液化判別式中，還要考慮黏粒含量對(duì)土體標(biāo)貫擊數(shù)及抗液化強(qiáng)度的影響。而對(duì)于圖5中黏粒賦存的形式，黏土團(tuán)塊并不影響土體其他部分粉質(zhì)黃土的液化。因此，考慮該土樣的黏粒含量應(yīng)用于液化判別，應(yīng)不計(jì)入黏土團(tuán)塊中的黏粒部分。相應(yīng)的，自然界中土體成因復(fù)雜，并不排除其他地區(qū)粉土、砂土中黏粒以相同的形式存在，這就要求廣大工程技術(shù)人員在應(yīng)用土體黏粒含量指標(biāo)時(shí)，對(duì)黏粒賦存形式給予一定的重視。

4 結(jié)語(yǔ)與建議

本文以動(dòng)三軸彎曲元試驗(yàn)設(shè)備對(duì)原狀黃土飽和過(guò)程剪切波速進(jìn)行跟蹤測(cè)試，并對(duì)黃土中黏粒賦存形式進(jìn)行討論，得出如下結(jié)論：

(1) 原狀黃土通水飽和，試樣剪切波速在通水之后急劇下降，反映了黃土水敏性的特性。而當(dāng)試樣基本飽和之后，在20 kPa圍壓下重新固結(jié)，試樣剪切波速最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，證明黃土遇水后結(jié)構(gòu)先破壞、再固結(jié)形成新的穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

(2) 歷史地震中地質(zhì)年代為Q3的風(fēng)成黃土在經(jīng)歷了地下水位上升或農(nóng)業(yè)灌溉之后才會(huì)液化，經(jīng)歷過(guò)飽和的Q3風(fēng)成黃土，不能再視其為形成于飽和前的地質(zhì)年代。

(3) 黃土中有些黏粒是以黏土團(tuán)塊的形式出現(xiàn)，對(duì)于該種土的黏粒含量應(yīng)用于液化判別，應(yīng)不計(jì)入黏土團(tuán)塊中的黏粒部分。相應(yīng)的，其他地區(qū)的粉土，也應(yīng)區(qū)別其黏粒賦存形式。

References)

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Two Discoveries in the Liquefaction Evaluation Method of Saturated Loess

DONG Lin1,2, WANG Lan-min1,2, XIA Kun2

(1.InstituteofEngineeringMechanics,ChinaEarthquakeAdministration,Harbin150080,Heilongjiang,China;2.KeyLaboratoryofLoessEarthquakeEngineering,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,Gansu,China)

According to the seismic design code for buildings in China, the soil formed during or before the late Pleistocene will not be liquefied. However, case histories and laboratory test results show that the saturated late Pleistocene loess is potentially vulnerable to liquefaction. Using a cyclic triaxial apparatus with a bender element system, the shear wave velocities of undisturbed loess are tested continuously during sample saturation. The test results indicate that the shear wave velocity of loess in the saturation process is rapidly reduced in the first 10～20 min, and then, it becomes stable. Shear wave velocity is a parameter that accounts for the small strain shear stiffness of soil, which accurately characterizes soil structure. The rapid reduction of shear wave velocity indicates that the microstructure of the loess is destroyed by the sample saturation process. The stable shear wave velocity indicates that the saturated loess has a new stable microstructure. The above analysis proves that the saturated loess is different from the loess before saturation. Indeed, only loess that has been subjected to agricultural irrigation or groundwater rise is liquefied. Because the structure of the saturated loess differs from that of the original loess, different seismic design regulations should be applied as well. Therefore, the seismic design code for buildings in China should be adapted to consider the level of saturation of the loess in addition to its age. Furthermore, the saturated loess is no longer the late Pleistocene loess, and the geological age of liquefied loess may be consistent with seismic design code of buildings in China. We observed that clay particles exist in some loess as clay lumps, and clay lumps do not affect the liquefaction of other silty parts of the soil. However, in the clay content test, if the soil sample contains clay lumps, the clay content test result will be comparatively high and inconsistent with the static and dynamic mechanical behavior of the soil. Consequently, clay lumps should be removed from the clay content test sample, and then, the remaining clay content should be used to evaluate the soil’s liquefaction potential.

loess; liquefaction; stratigraphic chronology; shear wave velocity; clay particle content

2015-10-10

中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng) (2013IESLZ03)；國(guó)家科技部地震行業(yè)專項(xiàng)(201308015)

董 林(1985-)，男，安徽人，博士研究生，助理研究員，主要從事巖土地震工程研究。E-mail:donglin408@163.com。

P315.2

A

1000-0844(2016)05-0770-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.05.0770