黃土場(chǎng)地震陷的災(zāi)害特征及成因研究綜述

王強(qiáng)+邵生俊+王峻+張振中

摘要：基于文獻(xiàn)史料記載和現(xiàn)場(chǎng)科考成果，考證了黃土地區(qū)幾次中強(qiáng)以上地震引發(fā)的黃土震陷災(zāi)害，分析了黃土震陷災(zāi)害的破壞模式、發(fā)育特征及其形成條件。依據(jù)大量不同地區(qū)黃土的動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果，比較分析了黃土震陷形成的物性指標(biāo)的區(qū)域性變化規(guī)律，并進(jìn)一步研究了震陷臨界動(dòng)應(yīng)力的影響因素。研究顯示，黃土地區(qū)的幾次中強(qiáng)以上地震的極震區(qū)均有黃土震陷事例；黃土震陷的災(zāi)害模式可區(qū)分為振密型震陷、震陷型滑坡和液化型震陷，并由土性條件、地形地貌和地震動(dòng)作用形式?jīng)Q定；孔隙比大于0.8時(shí)，黃土高原地區(qū)的黃土需要考慮不同含水量條件下的震陷性，而黃土高原地區(qū)東南部的河南、河北和晉東南地區(qū)的黃土則可根據(jù)縮限含水量判定其震陷性；臨界動(dòng)應(yīng)力的大小由黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所主導(dǎo)，臨界動(dòng)應(yīng)力比與含水量之間存在很好的冪函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：場(chǎng)地震害；黃土震陷；歷史地震；物性指標(biāo)；臨界動(dòng)應(yīng)力

中圖分類號(hào)：P315.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）04-0692-11

0 引言

場(chǎng)地震陷災(zāi)害是巖土地震工程研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。根據(jù)場(chǎng)地土類及其震陷形成機(jī)理的不同，場(chǎng)地震陷可區(qū)分為砂土和粉土液化、干砂震密、軟土和黃土震陷。其中，砂、粉土液化最早為人們所熟識(shí)，于1964年新瀉地震和阿拉斯加地震后受到地震科研和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注，同時(shí)期我國(guó)1966年邢臺(tái)地震、1975年海城地震和1976年唐山地震中出現(xiàn)的大量液化破壞事例對(duì)我國(guó)的砂、粉土液化問題研究也起到了極大的推動(dòng)作用（Seed et al，2001；王剛，張建民，2007a）。然而，早期的砂、粉土液化問題較多關(guān)注液化勢(shì)的判別方法研究，而對(duì)其引發(fā)的場(chǎng)地沉降量估算涉及不多。近年來，隨著性態(tài)抗震設(shè)計(jì)概念的提出，液化大變形研究和液化后的本構(gòu)關(guān)系研究逐漸得到重視（劉漢龍等，2002；王剛等，2005，2007b；周云東，2003；Meneses et al，1998）。但是，目前對(duì)于液化大變形的力學(xué)機(jī)制問題仍存在不同觀點(diǎn)，相應(yīng)地，液化大變形的計(jì)算方法也就區(qū)分為震害經(jīng)驗(yàn)法、基于固體力學(xué)的數(shù)值分析法和基于流體力學(xué)的數(shù)值分析法。干砂震密現(xiàn)象在1971年圣費(fèi)爾南多地震和1994年諾思里奇地震中均有發(fā)現(xiàn)，尤其是在諾思里奇地震中有超過2000處的邊坡填土場(chǎng)地產(chǎn)生了嚴(yán)重的干砂震陷現(xiàn)象（Pradel，1998；Stewart et al，1995）。Silver和Seed（1971），Seed和Silver（1972）最早基于大量動(dòng)單剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了干砂震陷量的估算方法，陳青生等（2013）、Chen（2009）、Ghayoomi（2004）、Ramadan（2007）、Stewart和Whang（2003）也開展了類似的研究工作。其中，以Silver和Seed等（1971，1972）提出的砂土震陷方法在工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛，其它研究多是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了砂土組成成分、多維地震動(dòng)和隨機(jī)地震荷載特性等因素的影響。軟土震陷在歷次大地震中也均有報(bào)道（安徽省地震局，1996；劉恢先，1985），劉漢龍（1994）、王建華等（1993）、郁壽松和石兆吉（1989）、袁曉銘等（2004）和張向東等（2014）針對(duì)軟土震陷機(jī)理、影響因素分析和震陷量估算等方面開展了大量研究工作。針對(duì)軟土震陷問題，盡管已在上述幾個(gè)方面取得了一定的進(jìn)展，但目前所提出的大量軟土震陷估算模型仍屬于經(jīng)驗(yàn)性公式，普遍存在公式繁瑣、參變量多和應(yīng)用性差等缺點(diǎn)。

相對(duì)于近代幾次破壞性大地震中砂土液化、干砂和軟土震陷災(zāi)害在地震工程界所引起的受重視程度，黃土震陷問題在首次提出時(shí)因缺少實(shí)際震例而并未引起足夠重視，從而使得相關(guān)研究也相對(duì)滯后（王強(qiáng)等，2012）。近年來，隨著我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的加速實(shí)施，加之中西部黃土地區(qū)的強(qiáng)震多發(fā)背景，大量專家學(xué)者與工程技術(shù)人員已逐漸意識(shí)到了黃土地震災(zāi)害的潛在威脅和巨大危害（王蘭民等，2001a）。目前，黃土場(chǎng)地震陷災(zāi)害研究已由早期所關(guān)注的成因機(jī)制、震陷性判定和震陷量估算等問題逐步轉(zhuǎn)移到實(shí)際工程場(chǎng)地震陷災(zāi)害的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)及防治技術(shù)理論之上，并取得了一些具有理論意義和應(yīng)用價(jià)值的科研成果。在震陷性判定方面，張振中（1999）和王蘭民（2003b）針對(duì)新黃土提出的根據(jù)孔隙比、含水量、剪切波速和相對(duì)密實(shí)度等指標(biāo)判定黃土震陷性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已納入地方性抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。在場(chǎng)地震陷量估算方面，現(xiàn)有的震陷系數(shù)估算公式仍存在計(jì)算繁瑣、涉及參變量過多和適用性差等問題（王蘭民，張振中，1993；鄧津等，2007；陳永明等，2003；孫軍杰等，2012），仍以采用室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)獲取震陷系數(shù)的評(píng)價(jià)方法最為直接可信。在抗震陷處理技術(shù)方面，王蘭民等（2001b，2003a）借鑒濕陷性黃土地基處理技術(shù)研究了強(qiáng)夯法、擠密樁法和化學(xué)灌漿法等手段在改善黃土抗震陷性方面的效果，并提出了相應(yīng)的黃土抗震陷性的處理技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)過近30年的研究，盡管在黃土震陷機(jī)理、震陷性判別、震陷量估算和抗震陷處理技術(shù)方面取得顯著進(jìn)展，但在歷史震害考證、不同地區(qū)黃土的物性指標(biāo)變化導(dǎo)致的震陷性界定差異和臨界動(dòng)應(yīng)力的影響機(jī)制問題等方面仍有待深入探討。本文首先基于黃土地區(qū)幾次破壞性地震的歷史考證和震害考察，闡明了黃土場(chǎng)地震陷災(zāi)害的3種不同的破壞模式及其成災(zāi)機(jī)制和生成發(fā)育特征。之后，基于大量的微結(jié)構(gòu)電鏡掃描實(shí)驗(yàn)和動(dòng)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了黃土震陷形成的物性指標(biāo)和應(yīng)力條件，并綜合黃土的微結(jié)構(gòu)、孔隙比、含水量及其區(qū)域分布規(guī)律給出了黃土震陷性形成的判定標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了臨界動(dòng)應(yīng)力存在的物理力學(xué)機(jī)制及固結(jié)圍壓、固結(jié)比、含水量和孔隙比對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 黃土震陷考證及災(zāi)害發(fā)育特征

1.1 幾次地震中的黃土震陷考證

在我國(guó)中西部黃土地區(qū)，歷次強(qiáng)震（MS≥8地震6次，MS≥7地震22次，MS≥6地震52次）都曾引起過嚴(yán)重的地震滑坡、震陷和液化等黃土場(chǎng)地地震災(zāi)害，人口傷亡達(dá)百萬人以上。其中，1718年甘肅通渭71/2級(jí)地震、1739年寧夏平羅—銀川8級(jí)地震和1920年寧夏海原81/2級(jí)地震都存有黃土場(chǎng)地震陷的史料記載或現(xiàn)場(chǎng)遺跡（王蘭民，2003b）。近年如1995年甘肅永登5.8級(jí)地震和2013年岷縣—漳縣6.6級(jí)地震的現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)考察中也都發(fā)現(xiàn)了黃土場(chǎng)地震陷的例證（王蘭民，吳志堅(jiān)，2013；中國(guó)地震局岷縣漳縣6.6級(jí)地震現(xiàn)場(chǎng)工作隊(duì)?wèi)?yīng)急科考組，2013；Zhang et al，2005）。endprint

1718年通渭71/2級(jí)地震共造成約337個(gè)長(zhǎng)度大于500 m的滑坡體，它們密集分布在長(zhǎng)約40 km、寬約18 km的極震區(qū)范圍內(nèi)（王蘭民，2003b）。這些滑坡體的原始地形坡角較小，土層含水量較低，從理論上來講這類坡體并不具有形成大面積滑坡的條件；然而，事實(shí)上它們普遍具有滑速快和滑距遠(yuǎn)的滑動(dòng)特征（陳永明，石玉成，2006；張振中，1999）。張振中（1999）認(rèn)為這種特殊的黃土地震滑坡現(xiàn)象是由場(chǎng)地震陷引起的“流滑”效應(yīng)所致，這與王家鼎和張倬元（1999）、Shreve等（1968）所認(rèn)為的“氣墊效應(yīng)”是一致的。

1920年海原81/2級(jí)大地震引發(fā)的總滑坡面積達(dá)5萬km2，其中，密集區(qū)域性的滑坡面積達(dá)4萬km2以上（王蘭民，2003b）。同1718年通渭地震引發(fā)的黃土滑坡類似，海原大地震中的地震滑坡同樣具有滑速快和滑距遠(yuǎn)的滑動(dòng)特征。國(guó)家地震局蘭州地震研究所和寧夏回族自治區(qū)地震隊(duì)（1980）發(fā)現(xiàn)海原大地震烈度VII度以上的整個(gè)震區(qū)普遍分布有震動(dòng)重力型裂縫，即由場(chǎng)地震陷引發(fā)地表不均勻沉降所造成的地表裂縫。王蘭民等（1991）對(duì)回回川黃土開展了動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)分析，顯示該地區(qū)黃土的動(dòng)強(qiáng)度較低，地震烈度VII度強(qiáng)的地區(qū)即可發(fā)生低坡腳黃土滑坡。

川陜總督查郎阿在上報(bào)1739年平羅—銀川地震的奏折中描述“城垣雖未塌倒但已下陷，以致城門不能開啟?！眹?guó)家地震局蘭州地震研究所（1985）對(duì)這次地震的史料也做了整理，其中有“城南門下陷數(shù)尺”和“民房、倉廒俱陷入地”的地基沉降記錄。由于震災(zāi)區(qū)地處典型的黃土高原地區(qū)，其中城樓、民房和倉廒地基產(chǎn)生的不均勻沉降在很大程度上與黃土場(chǎng)地震陷相關(guān)。

1995年甘肅永登地震（震中烈度VIII度，圖1）造成的黃土梁場(chǎng)地震陷（圖2）和2013年甘肅岷縣—漳縣地震所引發(fā)的震陷地質(zhì)災(zāi)害和房屋地基沉降都是黃土場(chǎng)地震陷的最新例證。由圖2可以看出，梁頂中間位置沉降最為顯著，兩側(cè)位置沉降量則逐漸減小，呈階梯狀下錯(cuò)。該黃土梁場(chǎng)地頂部地形比較平坦，兩側(cè)以2°～3°的坡腳向山坡過渡，山坡坡度為25°～45°，該黃土梁場(chǎng)地頂部產(chǎn)生顯著震陷的同時(shí)，下部斜坡卻并沒有出現(xiàn)變形或滑動(dòng)跡象（Zhang et al，2005）。由此可見，該黃土梁場(chǎng)地頂部的沉降顯然是由土體震陷致密引發(fā)，并非由坡體滑動(dòng)所致。Zhang等（2005）、王峻等（2005）、劉紅玫和張振中（2005）、張冬麗和王蘭民（2003）分別從土體動(dòng)力學(xué)特性、微結(jié)構(gòu)特征和數(shù)值模擬等方面論證了上述結(jié)論。

黃土是一種典型的第四紀(jì)松散沉積物，其沉積過程中獨(dú)特的地質(zhì)營(yíng)力、生成環(huán)境和物質(zhì)來源等要素，形成了黃土特殊的粉粒性、富鹽性、大孔性、欠壓密性、非飽和性的多孔隙弱膠結(jié)架空結(jié)構(gòu)（雷祥義，1989；謝定義，2001）。地震作用下黃土原生結(jié)構(gòu)會(huì)受到拉、壓和剪應(yīng)力的共同作用。當(dāng)這種地震作用力大于土顆粒之間的連接強(qiáng)度時(shí)，原生大孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生崩潰性破壞，繼而散落的顆粒填充大孔隙并伴隨孔隙氣體的壓縮和排出，顆粒組構(gòu)在重力作用下重新排列而致密，地表表現(xiàn)出突然沉降和后續(xù)的緩慢沉降。該過程即是非飽和條件下平坦黃土場(chǎng)地的震陷形成過程，文中為區(qū)別于其它震陷災(zāi)害模式稱其為振密型震陷。震陷型滑坡作為黃土場(chǎng)地震陷的一種災(zāi)害模式，與振密型震陷的形成機(jī)制不同。震陷型滑坡主要受到水平地震作用的影響，而黃土邊坡體在水平地震作用下必然存在一個(gè)最大剪應(yīng)力連續(xù)面。當(dāng)最大剪應(yīng)力大于土顆粒之間的連接強(qiáng)度時(shí)，黃土邊坡體的原生大孔隙結(jié)構(gòu)在沿最大剪應(yīng)力連續(xù)面的位置也同樣會(huì)產(chǎn)生崩潰性破壞而重排致密。然而，此時(shí)上下接觸面的孔隙通道并未完全暢通，這將會(huì)引起邊坡體的破壞連續(xù)面內(nèi)的孔隙氣壓力迅速增加，從而造成土體內(nèi)有效應(yīng)力的急劇降低而產(chǎn)生“氣化”現(xiàn)象，外部則表現(xiàn)為黃土邊坡的滑動(dòng)破壞。液化型震陷則是高含水量條件下黃土震陷的一種特殊形式，但其震陷機(jī)理有別于振密型震陷。張振中（1999）研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黃土試樣的含水量高于塑限時(shí)，在動(dòng)應(yīng)力和水的共同作用下，孔隙水壓力會(huì)上升，有效應(yīng)力降低，抗剪強(qiáng)度減小。因此，當(dāng)含水量高于塑限的黃土層遭遇地震作用時(shí)，也可以產(chǎn)生液化現(xiàn)象，而隨著孔隙水的上涌則會(huì)引發(fā)地表沉降，這里稱之為液化型震陷。

綜合黃土場(chǎng)地震陷實(shí)例、不同類型黃土場(chǎng)地震陷形成的主導(dǎo)因素分析及其形成機(jī)制分析，表1給出了黃土震陷的3種破壞模式及其生成條件。從表1可以看出，振密型震陷和震陷型滑坡多發(fā)生在Q3和Q4時(shí)期的黃土地層，主要是由于該時(shí)期的黃土地層多為具有大孔隙、弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)的非飽和黃土；而液化型震陷則多發(fā)生在黃土盆地的粉、砂含量較高的黃土狀土和新黃土層，多處于飽水條件下。此外，黃土震陷的破壞模式受場(chǎng)地地形條件的制約顯著，如振密型震陷產(chǎn)生在塬、梁和峁，液化型震陷多發(fā)于黃土盆地內(nèi)的飽水場(chǎng)地，而震陷型滑坡則出現(xiàn)在塬邊和黃土邊坡。在引發(fā)震陷的起始烈度方面，振密型震陷多發(fā)生在VIII度以上的極震區(qū)，震陷型滑坡則多出現(xiàn)在受遠(yuǎn)場(chǎng)地震影響的VIII度及以上烈度區(qū)。液化型震陷基本不受近遠(yuǎn)場(chǎng)地震的影響，唐山地震中砂土液化出現(xiàn)的最小地震烈度區(qū)為VII度（劉恢先，1985），汶川地震中也在VII度區(qū)甘肅清水發(fā)現(xiàn)一處黃土液化場(chǎng)地（王謙等，2012），由此認(rèn)為產(chǎn)生液化型震陷所需的最小地震烈度低于產(chǎn)生非液化型震陷所需的最小烈度，為烈度VII度。

2 黃土震陷形成的物性和應(yīng)力條件

黃土是一種典型的非飽和結(jié)構(gòu)性土，其特有的物質(zhì)來源、顆粒級(jí)配、顆粒間組構(gòu)和連接特征是黃土震陷形成的物理基礎(chǔ)。黃土震陷是黃土體在外部地震荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，是土顆粒連接破壞繼而在振動(dòng)和重力耦合作用下致密的物理過程。由此可見，影響黃土震陷形成的物性條件為土顆粒的疏密程度和它們之間的連接強(qiáng)度。其疏密程度既可以直接通過掃描電子顯微鏡的成像觀測(cè)，又可以用孔隙比和干密度等物性指標(biāo)反映。顆粒間的連接強(qiáng)度主要受土顆粒的排列組構(gòu)、膠結(jié)礦物質(zhì)成分和土的含水量影響，其排列組構(gòu)可用于區(qū)分顆粒性狀、孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒連接形式等幾個(gè)方面特征的微結(jié)構(gòu)類別反映其性質(zhì)（石玉成，李蘭，2003），膠結(jié)礦物質(zhì)成分及其含量則可以根據(jù)土的成土年代和分布區(qū)域確定其指標(biāo)的變化范圍，而含水量則由含水百分比直接表示。endprint

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒連接形式

黃土所特有的大孔隙、弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)是形成震陷最為根本的物性基礎(chǔ)。永登地震震區(qū)的黃土即具有這種架空孔隙結(jié)構(gòu)，震陷與未震陷的試樣微結(jié)構(gòu)變化也證實(shí)了其振密型震陷的物態(tài)變化（石玉成，李蘭，2003）。石玉成和李蘭（2003）應(yīng)用掃描電子顯微鏡和動(dòng)三軸試驗(yàn)，基于高國(guó)瑞（1980）提出微結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)分析了不同微結(jié)構(gòu)類型的黃土的震陷性，結(jié)果表明以粒狀架空結(jié)構(gòu)為主的黃土具有明顯的震陷性，而具有粒狀鑲嵌、粒狀膠結(jié)特征的黃土的震陷性則相對(duì)較低。張振中（1999）也通過大量試驗(yàn)研究指出，凡架空孔隙結(jié)構(gòu)不明顯的凝塊鑲嵌膠結(jié)結(jié)構(gòu)的黃土，不具震陷型；凡是震陷性強(qiáng)的黃土都具有明顯的架空孔隙結(jié)構(gòu)。黃土的成土過程決定了其微結(jié)構(gòu)特征具有明顯的區(qū)域性。首先是構(gòu)成結(jié)構(gòu)骨架的集粒形態(tài)具有區(qū)域性變化，位于黃土高原地區(qū)的蘭州、大同、清邊、固原、鎮(zhèn)原和西峰等地的黃土集粒具有一定的剛性，傳力性能好，在堆積過程中較易形成架空的松散結(jié)構(gòu)，為產(chǎn)生震陷創(chuàng)造了條件；而位于黃土地區(qū)東南部的河南、河北和晉東南地區(qū)的集粒，不僅傳力性能差而且外形柔軟，無法構(gòu)成震陷所需的架空結(jié)構(gòu)。其次，骨架顆粒之間的連接形式也呈現(xiàn)出區(qū)域性變化。西北部黃土中骨架顆粒之間以接觸連接為主，連接處僅有少量粘膠?；驘o定形物質(zhì)；而東南部黃土中骨架顆粒之間以膠結(jié)連接為主，連接處有很厚的粘土層，無定形物質(zhì)和鹽晶。顯然，膠結(jié)連接的強(qiáng)度遠(yuǎn)比接觸連接的強(qiáng)度高（高國(guó)瑞，1984）。高國(guó)瑞（1984）還通過X-射線衍射法分析了不同地區(qū)黃土的礦物成分，結(jié)果顯示中國(guó)各地的黃土礦物成分基本一致。由此可見，我國(guó)黃土的微結(jié)構(gòu)類別可分為架空孔隙結(jié)構(gòu)、鑲嵌孔隙結(jié)構(gòu)和架空-鑲嵌孔隙結(jié)構(gòu)，連接形式包括接觸、膠結(jié)和接觸-膠結(jié)。震陷性黃土應(yīng)具有架空孔隙結(jié)構(gòu)，且土骨架顆粒之間的連接以接觸連接為主。黃土高原地區(qū)的黃土需要考慮其震陷性，而黃土地區(qū)東南部的河南、河北和晉東南地區(qū)的黃土在通常情況下則不需要考慮其震陷性。

2.2 孔隙比和干密度

土的密實(shí)度決定了黃土震陷產(chǎn)生的最大可變形量，而干密度和孔隙比均反映了土的密實(shí)度。干密度是表示單位體積土質(zhì)量的一項(xiàng)指標(biāo)，無法反映土的顆粒級(jí)配和孔隙結(jié)構(gòu)特征，因此也不能準(zhǔn)確反映土的密實(shí)程度。孔隙比是土中孔隙體積與土顆粒體積的比值，是一項(xiàng)可以直接反映土密實(shí)度的指標(biāo)。由此可見，孔隙比在考量土的疏密程度方面比密實(shí)度更為準(zhǔn)確。張振中（1999）曾指出孔隙比小于0.75～0.85時(shí)，黃土將不易產(chǎn)生動(dòng)殘余應(yīng)變；孔隙比大于1.0可作為震陷與否的判別標(biāo)準(zhǔn)。本文統(tǒng)計(jì)整理了谷天峰（2007）、王峻等（1999，2004，2005，2007，2014）、陳永明等（2000）、孫軍杰等（2012）、何光和朱鴻博（1990）、翁效林等（2006）、郭樂（2010）和巫志輝等（1994）的黃土震陷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別得到了震陷系數(shù)與孔隙比和干密度的變化關(guān)系圖，見圖3、4。圖3、4中統(tǒng)計(jì)了不同地區(qū)黃土、不同土性、不同試驗(yàn)條件下的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的普遍性和客觀性，因此該統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以真實(shí)反映出統(tǒng)計(jì)量之間內(nèi)在關(guān)聯(lián)。圖3顯示，震陷系數(shù)的最大值隨孔隙比的增大而增大，呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)規(guī)律；試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在包絡(luò)線εp=0.3e-0.225（εp為震陷系數(shù)，e為孔隙比）以內(nèi)。由震陷性黃土的判別標(biāo)準(zhǔn)為εp=0.015可知，可產(chǎn)生黃土震陷的最小孔隙比為0.8。由圖4可以看出，震陷系數(shù)與天然干密度之間存在比較大的離散性，表現(xiàn)為較大的干密度條件下仍可能產(chǎn)生較大的震 陷量。這也表明了天然干密度無法反映土的顆粒級(jí)配和孔隙結(jié)構(gòu)特征，因此天然干密度在判定黃土震陷性方面是不適宜的。

2.3 含水量的影響

土是由固、水和氣組成的三相體系，土的物理狀態(tài)和力學(xué)性質(zhì)必然受到水的影響。黃土由于其自身的水敏性使得其變形和強(qiáng)度與含水量的變化有著非常密切的關(guān)系，其初始含水量的不同會(huì)使黃土的動(dòng)變形-強(qiáng)度特性有明顯差異。干型黃土（初始含水量小于縮限含水量）的高強(qiáng)度和低變形使黃土對(duì)動(dòng)、靜力的反映均比較遲鈍，震陷不大；濕型黃土（初始含水量大于縮限含水量小于液限含水量）的震陷隨初始含水量的增大而增大；飽和黃土則會(huì)表現(xiàn)出類似振動(dòng)液化的現(xiàn)象（謝定義，2001）。圖5中統(tǒng)計(jì)了不同孔隙比條件下黃土震陷試驗(yàn)的含水量、震陷系數(shù)和動(dòng)應(yīng)力的散點(diǎn)分布。從圖5可以看出，不同孔隙比條件下對(duì)黃土試樣所加載的動(dòng)應(yīng)力取值范圍大致是相同的，因此應(yīng)用該圖分析含水量對(duì)震陷性的影響時(shí)可以不考慮動(dòng)應(yīng)力取值的影響。圖6給出了以震陷系數(shù)等于0.015區(qū)分震陷與非震陷所對(duì)應(yīng)的含水量散點(diǎn)圖，可以看出，低孔隙比的黃土即使在較高含水量條件下仍可能不具有震陷性，而高孔隙比的黃土在低含水量情況下也表現(xiàn)出了震陷性。由此認(rèn)為，在工程場(chǎng)地地震安全所考慮的地震風(fēng)險(xiǎn)水平下，低孔隙比的黃土存在震陷性與否的界限含水量，高孔隙比的黃土則不需考慮界限含水量。當(dāng)進(jìn)一步考慮黃土的區(qū)域分布特征時(shí)則可初步認(rèn)定，黃土高原地區(qū)的黃土需要考慮不同含水量

2.4 震陷臨界動(dòng)應(yīng)力

震陷的臨界動(dòng)應(yīng)力是土試樣發(fā)生明顯震陷時(shí)的動(dòng)應(yīng)力，可作為判斷黃土是否發(fā)生震陷的標(biāo)準(zhǔn)。參照黃土濕陷性判定標(biāo)準(zhǔn)——濕陷系數(shù)=0.015，黃土震陷性的判別標(biāo)準(zhǔn)亦可取為震陷系數(shù)=0.015。相應(yīng)地，當(dāng)振次一定時(shí)，震陷系數(shù)=0.015時(shí)的動(dòng)應(yīng)力幅值即為震陷臨界動(dòng)應(yīng)力（栗潤(rùn)德等，2007）。黃土特有的微結(jié)構(gòu)特征是臨界動(dòng)應(yīng)力存在的物理基礎(chǔ)。當(dāng)附加動(dòng)應(yīng)力作用在黃土體時(shí)，土顆粒之間的連接由于土顆粒的不均勻排列而遭受拉、壓、扭、剪力的作用。當(dāng)這些作用力大于土顆粒之間的連接強(qiáng)度時(shí)，土顆粒骨架產(chǎn)生破壞，土顆粒重新排列而趨于穩(wěn)定。此時(shí)，土顆粒之間的排列也逐漸密實(shí)而表現(xiàn)為震陷。顯然，產(chǎn)生震陷的必要條件之一即是附加動(dòng)應(yīng)力大于土顆粒之間連接強(qiáng)度，而使得土顆粒致密到一定程度的附加動(dòng)應(yīng)力即是臨界動(dòng)應(yīng)力。由此可見，黃土震陷的產(chǎn)生存在臨界動(dòng)應(yīng)力，臨界動(dòng)應(yīng)力與土顆粒之間的連接強(qiáng)度和密實(shí)度相關(guān)。臨界動(dòng)應(yīng)力的大小受到固結(jié)圍壓、固結(jié)比、含水量和孔隙比等因素的影響。endprint

基于王峻和劉旭（2004）和高鵬（2006）所開展的動(dòng)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析臨界動(dòng)應(yīng)力隨固結(jié)圍壓、固結(jié)比、含水量和孔隙比的變化關(guān)系，如圖7～9所示。圖7和圖8中的試驗(yàn)土樣取自西安南郊，天然干密度為1.31 g/cm3，天然含水量為19.3%，孔隙比為1.062，液限為32.3%，塑限為20.5%。圖9中的試驗(yàn)土樣取自白銀—蘭州高速公路沿線的8個(gè)不同探井，天然容重為13.52～16.46 kN/m3，天然含水量為7.18%～19.15%，孔隙比為0.908～1.195，液限為25.4%～26.8%，塑限為16.5%～16.9%。圖7～9中，固結(jié)均壓（σc）為3方向固結(jié)圍壓的均值，臨界動(dòng)應(yīng)力比為臨界動(dòng)應(yīng)力與固結(jié)均壓的比值。圖7a和8a顯示，臨界動(dòng)應(yīng)力隨含水量的增加、固結(jié)均壓的降低和固結(jié)比的增加均呈現(xiàn)出變小趨勢(shì)，同一含水量條件下臨界動(dòng)應(yīng)力隨固結(jié)均壓的增加和固結(jié)比的減小而呈變大趨勢(shì)，且這種變大趨勢(shì)隨含水量的增加減弱。這是由于臨界動(dòng)應(yīng)力的大小主要是由黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所主導(dǎo)，而黃土具有極強(qiáng)的水敏性，所以含水量的增加必然會(huì)引起臨界動(dòng)應(yīng)力的減小。另一方面，固結(jié)均壓的存在可以抵抗附加動(dòng)應(yīng)力的破壞作用，而隨著固結(jié)比增大而增加的偏應(yīng)力則會(huì)增強(qiáng)對(duì)土結(jié)構(gòu)的破壞作用，故而臨界動(dòng)應(yīng)力隨著固結(jié)均壓的增加和固結(jié)比的減小而變大。此外，黃土的結(jié)構(gòu)性隨著含水量的增加而減弱，所以在高含水量條件下固結(jié)圍壓和固結(jié)比對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力的影響幅度也相應(yīng)地的變?nèi)酢?/p>

為去除固結(jié)均壓對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力的影響，圖7b和8b進(jìn)一步給出了臨界動(dòng)應(yīng)力比隨含水量和固結(jié)均壓的變化關(guān)系。從圖7b和8b可以看出，臨界動(dòng)應(yīng)力比隨含水量、固結(jié)均壓和固結(jié)比的增加而減小；臨界動(dòng)應(yīng)力比與含水量之間存在很好冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2處在0.961 3～0.992 4之間。低含水量條件下臨界動(dòng)應(yīng)力比受固結(jié)均壓和固結(jié)比的影響較大，而高含水量條件下則較小，該現(xiàn)象進(jìn)一步說明了臨界動(dòng)應(yīng)力受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主導(dǎo)，高含水量條件下黃土結(jié)構(gòu)性的釋放使得其臨界動(dòng)應(yīng)力趨于一致。圖9a給出了同一固結(jié)條件下不同天然含水量條件下臨界動(dòng)應(yīng)力隨孔隙比的變化關(guān)系，可以看出臨界動(dòng)應(yīng)力隨孔隙比的增大基本呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。由圖7a可見，臨界動(dòng)應(yīng)力與含水量的變化關(guān)系可粗略認(rèn)為存在負(fù)線性相關(guān)。由此，為消除含水量對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力的影響，圖9b給出了臨界動(dòng)應(yīng)力與含水量乘積隨孔隙比的變化關(guān)系，更為明顯地反映出臨界動(dòng)應(yīng)力隨孔隙比增大而減小的變化規(guī)律。

3 結(jié)論與討論

本文回顧了國(guó)內(nèi)外在砂、軟和黃土場(chǎng)地震陷研究方面所取得的成果進(jìn)展，并針對(duì)黃土震陷研究中的震陷性判定、震陷量估算和抗震陷處理技術(shù)等關(guān)鍵問題展開了深入探討，并著重就現(xiàn)存的缺少黃土震陷實(shí)例、區(qū)域性黃土的震陷性差異和震陷臨界動(dòng)應(yīng)力的影響因素分析等問題展開了細(xì)致分析。

震陷性判定標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已納入地方性規(guī)范，但面對(duì)我國(guó)廣大的黃土區(qū)域是否具有適用性尚需進(jìn)一步開展大量的室內(nèi)試驗(yàn)工作。場(chǎng)地震陷性評(píng)價(jià)仍以室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)手段為準(zhǔn)，現(xiàn)有的震陷量估算方法尚處在理論研究階段而并不具有工程應(yīng)用性。震陷量估算模型構(gòu)建需要擺脫眾多影響因素之間的關(guān)系謎局，從黃土震陷形成的物理力學(xué)機(jī)制著手或借助土力學(xué)方法著手。常用的濕陷性黃土地基處理技術(shù)如強(qiáng)夯法、擠密樁法和化學(xué)灌漿法等對(duì)震陷性黃土地基改良同樣具有很好的適用性。

黃土震陷實(shí)例在黃土地區(qū)的歷次強(qiáng)震甚至中強(qiáng)震中均有發(fā)現(xiàn)，歷史震害中發(fā)現(xiàn)的建筑物基礎(chǔ)沉降、平坦場(chǎng)地重力型裂縫和低緩坡度的黃土地震滑坡可作為黃土震陷的例證。黃土場(chǎng)地震陷災(zāi)害受土性條件、地形地貌和地震動(dòng)作用等因素的影響而表現(xiàn)出不同類型的發(fā)育模式，如震密型震陷、液化型震陷和震陷型滑坡。黃土場(chǎng)地震陷的力學(xué)機(jī)制研究不僅需要考慮黃土微結(jié)構(gòu)特征和顆粒組分的區(qū)域性差異，還需要考慮干濕型黃土的水敏性差異以及場(chǎng)地地形條件差異等因素的影響。震陷臨界動(dòng)應(yīng)力受黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所主導(dǎo)，同時(shí)受水的影響作用顯著。

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