岷縣漳縣地震災(zāi)后重建場地黃土震害預(yù)測

王 謙，王蘭民，王 峻，郭 鵬，劉紅玫，盧育霞，侯鵬博

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000； 2.中國地震局黃土地震工程重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000；3. 中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；4.中國能源建設(shè)集團甘肅省電力設(shè)計院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

岷縣漳縣地震災(zāi)后重建場地黃土震害預(yù)測

王 謙1, 2, 3，王蘭民1, 2, 3，王 峻2,3，郭 鵬3，劉紅玫2,3，盧育霞2,3，侯鵬博4

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000； 2.中國地震局黃土地震工程重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000；3. 中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；4.中國能源建設(shè)集團甘肅省電力設(shè)計院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

通過對取自2013年岷縣漳縣Ms6.6地震影響區(qū)8個災(zāi)后重建安置點的黃土進行室內(nèi)動、靜三軸試驗，研究了極震區(qū)2個災(zāi)后重建場地黃土的動、靜力學(xué)特性，分析了地震影響區(qū)內(nèi)3個災(zāi)后重建安置場地的黃土斜坡穩(wěn)定性和5個場地黃土的震陷性；并結(jié)合安置點的地形地貌特點，對災(zāi)后重建場地潛在黃土地震地質(zhì)災(zāi)害進行了預(yù)測。結(jié)果表明：極震區(qū)黃土在靜力作用下具有明顯的應(yīng)力強化特性，在循環(huán)動荷載作用下具有剛度迅速衰減和粘滯性急劇增強的特征；MX-2和MX-3重建場地的斜坡在地震作用下存在失穩(wěn)的可能；Ⅷ度以上地震作用下，MX-1、ZX-1、LT-1和LX-1場地存在產(chǎn)生不同破壞等級震陷災(zāi)害的風(fēng)險；Ⅷ度以上地震作用下MX-1場地的黃土可產(chǎn)生液化，存在導(dǎo)致山體液化滑坡、泥流以及建構(gòu)筑物地基失穩(wěn)和不均勻沉降等地震災(zāi)害的風(fēng)險。

岷縣漳縣地震；黃土震陷；黃土液化；殘余變形特征；災(zāi)害預(yù)測

2013年7月22日7時45分，甘肅省定西市岷縣、漳縣發(fā)生Ms6.6地震，震中位于岷縣、漳縣交界(104.2°E，34.5°N)，震源深度20 km。 地震發(fā)震斷層為臨潭—宕昌斷裂，走向NW—NWW，傾向NE，傾角50°～70°。該斷裂為逆沖性質(zhì)，略具左旋走滑分量，歷史上曾發(fā)生過多次中強地震[1～2]。

本次地震地處西秦嶺山地向黃土高原過渡地帶，震中烈度為Ⅷ度，烈度Ⅵ度及以上區(qū)域總面積約1.64×104km2，受災(zāi)人口168.4萬。

黃土以粉粒為主，質(zhì)地疏松，具有較強的水敏性和地震易損性。地震作用下的黃土滑坡、地基震陷和飽和黃土液化構(gòu)成了黃土地區(qū)主要的地震地質(zhì)災(zāi)害。研究表明：含水率對黃土的動、靜強度和震陷性有顯著的影響，連續(xù)降雨造成含水率增大而導(dǎo)致的土體強度衰減是造成此次地震極震區(qū)滑坡大量分布的重要原因[3]，而土體濕度增大也會極大地增強其震陷性[4]。當(dāng)土體的含水率超過塑限含水率時，地震作用下的黃土液化將會導(dǎo)致建筑地基的不均勻沉降和斜坡丘陵地區(qū)的泥流，也可能導(dǎo)致具有低角度特征的滑坡災(zāi)害[5～7]。

本文依托岷縣漳縣地震災(zāi)后重建安置點地震安全性評估項目，選擇了本次地震極震區(qū)及地震影響區(qū)內(nèi)黃土覆蓋較厚區(qū)域的8個安置點，開挖探井取備了原狀黃土試樣進行室內(nèi)動、靜三軸試驗。基于試驗結(jié)果，結(jié)合安置點的地形地貌特點，對災(zāi)后重建場地黃土的潛在震害進行了預(yù)測；并根據(jù)震害預(yù)測結(jié)果，對黃土地區(qū)地震災(zāi)后重建安置場地的選址提出了建議。

1 試驗及結(jié)果

1.1試驗儀器及試樣

本次試驗儀器為中國地震局黃土地震工程重點實驗室的WF-12440型動三軸-空心圓柱扭剪試驗系統(tǒng)。試驗中所用的土樣分別取自岷縣漳縣地震影響區(qū)的8個災(zāi)后重建場地(圖1)，其中，岷縣永光、岷縣永星取樣場地位于岷縣梅川鎮(zhèn)東南部的黃土梁峁區(qū)；岷縣王家溝場地位于岷縣清水鄉(xiāng)東部的黃土梁峁區(qū)，場地西側(cè)有沖溝分布；漳縣馬泉場地位于漳縣馬泉鄉(xiāng)黃土梁間溝谷地帶；臨洮靳家泉場地位于臨洮縣南屏鎮(zhèn)洮河北岸的Ⅱ級階地前緣；隴西南十里鋪場地位于隴西縣菜子鎮(zhèn)菜子河Ⅲ級階地上；渭源五竹場地位于渭源縣五竹鎮(zhèn)渭河Ⅱ級階地上；康樂下乍場地位于康樂縣蓮麓鎮(zhèn)洮河西岸山間溝谷地帶，大山溝溝前沖洪積扇上。

圖1 取樣點分布簡圖Fig.1 Distribution of the sampling sites

研究中所取的土樣均為在各場地中未經(jīng)擾動的區(qū)域開挖探井取備，所有試樣均為原狀Q3黃土試樣，呈黃色或黃褐色，有肉眼可見的大孔隙，取樣深度2.0～8.0 m。試驗時試樣的尺寸統(tǒng)一為Φ50 mm×100 mm，各組試樣的基本物性參數(shù)和試驗類型見表1。

表1 試驗所用土樣的主要物性參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of the soil

1.2試驗方法

靜三軸試驗采用CU試驗方法，加載圍壓選取100，150，200 kPa。在各級圍壓作用下，對試樣施加軸向壓力進行剪切直至破壞，剪切速率均為0.6 mm/min。試驗中選用主應(yīng)力差(σ1c-σ3c)峰值為破壞點，對于應(yīng)力強化型土，選用15%應(yīng)變對應(yīng)的主應(yīng)力差值作為破壞點。

動彈性模量-阻尼比試驗的固結(jié)壓力模擬試樣的天然應(yīng)力狀態(tài)，固結(jié)比K0為0.59。待固結(jié)穩(wěn)定后，采用在一個試樣上分級施加動荷載的方法向試樣的軸向逐級由小到大施加動應(yīng)力，每級動應(yīng)力下振動10次，共施加8～10級動應(yīng)力。試驗在固結(jié)不排水條件下進行，試驗過程中固結(jié)壓力保持不變。模擬地震荷載選用頻率為1 Hz的正弦波。

震陷試驗的固結(jié)條件模擬地基土在有附加荷載下的應(yīng)力狀態(tài)，即：σ1c=200 kPa，σ3c=118 kPa。在該固結(jié)壓力下，對試樣進行固結(jié)，待固結(jié)變形穩(wěn)定后，對試樣施加軸向動荷載，測定振動后試樣的殘余變形。每組試驗選用4～5個物性參數(shù)相近的試樣在相同的固結(jié)條件下，分別施加不同幅值、頻率為1 Hz的等幅正弦荷載，記錄荷載作用下土的動應(yīng)力、動應(yīng)變變化曲線。

動三軸液化試驗分飽和、固結(jié)和循環(huán)剪切3個步驟。采用WF-12440自帶的反壓系統(tǒng)對試樣進行飽和，試樣的固結(jié)壓力按實際地層的壓力進行選取，固結(jié)比Kc=1.0。循環(huán)剪切時動荷載選用頻率為1 Hz的等幅正弦荷載。試樣的液化破壞標(biāo)準(zhǔn)選用應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)，即動應(yīng)變εd=3%，且動孔隙水壓力系數(shù)Ud/σ0>0.2。試驗中記錄循環(huán)荷載作用下土的動應(yīng)力、動應(yīng)變和動孔隙水壓力演化時程曲線。

1.3試驗結(jié)果

根據(jù)靜三軸試驗結(jié)果繪制應(yīng)力莫爾圓并確定其強度包線，從而求得抗剪強度指標(biāo)C、φ值(表2)。試驗分析結(jié)果見圖2～5。不同振動破壞次數(shù)對應(yīng)的液化應(yīng)力比見表3。

圖2 極震區(qū)(永星村)黃土的(σ1c-σ3c)-ε關(guān)系曲線Fig.2 Curves of (σ1c-σ3c)-ε of loess at Yongxing county

圖3 極震區(qū)(永光村)黃土的σd-εd關(guān)系曲線Fig.3 Curves of σd-εd of loess in the meizoseismal region at Yongguang county

圖4 不同災(zāi)后重建場地的震陷曲線Fig.4 Seismic subsidence curve of loess at different sites

圖5 動三軸液化試驗結(jié)果Fig.5 Results of the dynamic triaxial test

土樣編號試驗方法圍壓σ3/kPa破損時軸壓φ1/kPa抗剪強度C/kPaφ/(°)1002953MX?2150383745615820047011003480MX?3CU150449933124320058621003004KL?115042471522562005525

表3 不同振動破壞次數(shù)下的液化應(yīng)力比Table 3 Liquefaction stress ratio under differentcyclic number of vibration failure

2 試驗結(jié)果分析

2.1極震區(qū)黃土的動、靜力學(xué)特性

根據(jù)圖2、圖3可知，岷縣漳縣地震極震區(qū)黃土在靜荷載和循環(huán)動荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈先急劇增長后緩慢增長的非線性增長特性。靜荷載作用下，偏應(yīng)力(σ1c-σ3c)隨著軸向應(yīng)變的線性增加持續(xù)增大，呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力硬化特征，這是由于極震區(qū)黃土結(jié)構(gòu)松散，靜力作用下土體內(nèi)部孔隙的壓縮使得其結(jié)構(gòu)強度持續(xù)增大；當(dāng)軸向應(yīng)變達到15%左右時，偏應(yīng)力的增長趨于平緩。循環(huán)動荷載作用下當(dāng)動應(yīng)力幅值小于8 kPa時，動應(yīng)變隨著動應(yīng)力的增加呈近線性增大，但當(dāng)動應(yīng)力超過8 kPa時，動應(yīng)變隨動應(yīng)力的增加呈非線性急劇增大。

根據(jù)動彈性模量-阻尼比試驗結(jié)果計算每級循環(huán)荷載下極震區(qū)黃土的動剪切模量G和最大剪切模量G0，并通過計算參考應(yīng)變γr，利用其與動剪切模量比G/G0之間的關(guān)系進行非線性擬合，繪制黃土的G/G0-γd關(guān)系曲線。根據(jù)滯回曲線法確定土的阻尼比，繪制不同振動頻率的動荷載作用下極震區(qū)黃土的阻尼比(D)隨動剪應(yīng)變(γd)變化的曲線，如圖6所示[8]。

圖6 極震區(qū)黃土的G/G0-γd和D-γd關(guān)系曲線Fig.6 Curves of G/G0-γd and D-γd of loess in the meizoseismal region

由圖6可知，循環(huán)動荷載作用下極震區(qū)黃土的動剪切模量比隨著應(yīng)變的增大而衰減，γd達到0.005%后，隨著γd的繼續(xù)增大，G/G0衰減加劇，當(dāng)γd達到0.5%后G/G0的衰減趨于平緩，但此時動剪切模量僅為初始動剪切模量的7.6%，說明循環(huán)動荷載作用下隨著動剪應(yīng)變的增加，土的剛度顯著減小，土體抵抗變形的能力明顯減弱。而土的阻尼表征了動荷載作用下土的粘滯特性，極震區(qū)黃土的阻尼比D隨動剪應(yīng)變γd的增大而增大，其增長過程隨著γd的增大呈急劇增加，在γd達到0.05%后趨于平穩(wěn)的特點。表明循環(huán)動荷載作用下土體的粘滯性逐漸增強，使之更易軟化，從而導(dǎo)致土體抵抗變形的能力顯著減弱。結(jié)合岷縣漳縣Ms6.6地震現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，震前長期持續(xù)降水使得極震區(qū)黃土的天然含水率升高，土體物性參數(shù)的變化使其具有剛度隨循環(huán)動荷載迅速衰減和粘滯性急劇增強的特征，從而在極震區(qū)造成了較為嚴(yán)重的黃土地震地質(zhì)災(zāi)害。

2.2地震影響區(qū)潛在黃土地震災(zāi)害預(yù)測

運用ABAQUS軟件分別對MX-2、MX-3和KL-1場地斜坡建模，通過調(diào)整折減系數(shù)對斜坡的靜力穩(wěn)定性進行分析，求得斜坡的靜力穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs。為了考慮斜坡在動力作用下的穩(wěn)定性，通過采用在模型底部輸入水平向地震波的方法，計算了地震作用下邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)Fsd[9～10]。計算時輸入的地震波波形選用岷縣漳縣地震N-S分量，PGA分別按照場地所處的烈度區(qū)選取，計算參數(shù)及結(jié)果如表4所示。

表4 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 4 Calculated results of the loess slope stability

根據(jù)表4可知，無地震作用時，盡管震前連續(xù)降水使得地震影響區(qū)內(nèi)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)有所改變，然而位于極震區(qū)的MX-2場地、Ⅶ度區(qū)的MX-3場地和Ⅵ度區(qū)KL-1的斜坡穩(wěn)定系數(shù)Fs分別為1.216，1.012，4.204，除MX-3場地的斜坡由于彈性模量較小、坡度較大處于不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)外，其余場地的斜坡均穩(wěn)定。而在考慮地震作用的情況下，MX-2場地的斜坡穩(wěn)定系數(shù)Fsd為0.854，MX-3場地的斜坡穩(wěn)定系數(shù)Fsd為0.623，斜坡均會失穩(wěn)；KL-1斜坡由于計算時考慮的地震動峰值加速度較低，且坡度較緩，盡管斜坡穩(wěn)定系數(shù)Fsd減小為3.395，但斜坡仍非常穩(wěn)定，不存在失穩(wěn)破壞的可能。

通過動三軸試驗得到的震陷曲線，按照分層總和法及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[11]給出的不同烈度地震對應(yīng)的設(shè)計基本地震加速度值對各災(zāi)后重建場地的震陷量進行預(yù)測，并依據(jù)計算所得的最大震陷量對不同烈度下場地的震陷性進行評價[12]，結(jié)果如圖7、表5所示。

圖7 不同災(zāi)后重建場地的震陷量預(yù)測結(jié)果Fig.7 Calculate results of the seismic subsidence at different sites

場地編號計算深度/m最大震陷量/cm場地震陷性評價Ⅶ度Ⅷ度Ⅸ度Ⅶ度Ⅷ度Ⅸ度MX?12001659704990基本完好嚴(yán)重破壞失穩(wěn)破壞LT?11000352051200基本完好輕微破壞嚴(yán)重破壞LX?11201024021698基本完好中等破壞嚴(yán)重破壞WY?150005013028基本完好基本完好基本完好ZX?11161643601670基本完好輕微破壞嚴(yán)重破壞

由圖7和表5可知，在目前含水率狀態(tài)下，各場地在Ⅶ度地震作用下基本不存在地基震陷問題。在Ⅷ度地震作用下，MX-1場地將產(chǎn)生嚴(yán)重破壞的震陷災(zāi)害，ZX-1場地將產(chǎn)生中等破壞的震陷災(zāi)害，LT-1和LX-1場地將產(chǎn)生輕微破壞的震陷災(zāi)害，而WY-1場地基本不存在地基震陷問題；Ⅸ度地震作用下，MX-1場地地基將產(chǎn)生嚴(yán)重—失穩(wěn)破壞的震陷災(zāi)害，ZX-1、LT-1和LX-1場地將產(chǎn)生嚴(yán)重破壞的震陷災(zāi)害，而WY-1場地震陷量仍然較小，無產(chǎn)生明顯震陷災(zāi)害的可能。此外，由于黃土的震陷性與濕度變化有密切關(guān)系，如果各場地因連續(xù)降雨或生活用水管理不當(dāng)使黃土濕度增大時，在地震烈度Ⅶ度的作用下除WY-1場地外，其他場地都可能產(chǎn)生輕微破壞的震陷災(zāi)害。

根據(jù)表3，依據(jù)Seed-Idriss簡化判別法(公式(1)、(2))判別永光村黃土的潛在液化勢[13]，結(jié)果如表6所示。

(1)

(2)

式中：τ——黃土層在天然埋藏狀態(tài)下的抗液化強度；

Cr——修正系數(shù)；

σd——動應(yīng)力；

σ0′——有效側(cè)向應(yīng)力；

σv′——有效自重應(yīng)力；

τe——地震作用下平均剪應(yīng)力；

k——應(yīng)力折減系數(shù)；

amax——地震峰值加速度；

γ——計算土層深度ds以上的上覆土層天然重度；

g——重力加速度。

根據(jù)表6可知，極震區(qū)永光村場地的黃土在烈度為Ⅶ度的地震作用下不產(chǎn)生液化，無需考慮地震液化風(fēng)險；Ⅷ度和Ⅸ度地震作用下均會產(chǎn)生液化，從而導(dǎo)致山體液化滑坡、泥流以及建構(gòu)筑物地基失穩(wěn)和不均勻沉降等地震災(zāi)害。

表6 岷縣永光村黃土的液化勢判別結(jié)果Table 6 Liquefaction evaluation results

3 討論

岷縣漳縣地震影響區(qū)地處西秦嶺山地與黃土高原梁峁溝壑區(qū)的過渡地帶，山大溝深，極震區(qū)及其北部、東北部的黃土覆蓋層普遍較厚，地質(zhì)環(huán)境支離破碎，具有特殊的地質(zhì)災(zāi)害孕育條件，地震作用下發(fā)生次生地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險尤為突出。受到地質(zhì)環(huán)境的制約，岷縣漳縣地震災(zāi)后重建安置場地多位于山頂、山腰或山間溝谷地帶，使得災(zāi)后重建安置點面臨較為嚴(yán)重的黃土斜坡失穩(wěn)、震陷和液化等震害風(fēng)險。同時，山坡弧凸地帶的地震動放大效應(yīng)和邊坡效應(yīng)在一定程度上使安置點潛在震害危險性加劇。因此，災(zāi)后重建安置點選址和重建工作中，應(yīng)對災(zāi)后重建安置點周圍斜坡進行靜力和動力穩(wěn)定性分析，并按照規(guī)范要求與周圍斜坡保持適當(dāng)?shù)陌踩嚯x；黃土覆蓋較厚地區(qū)的場地應(yīng)按照規(guī)范進行震陷性與液化勢評價，對于可能產(chǎn)生震陷和液化災(zāi)害的場地應(yīng)按要求進行地基抗震陷與抗液化處理。此外，對于周邊有山泉出露、土體天然含水率較高的場地，地震作用下黃土的液化問題及其可能導(dǎo)致的災(zāi)害防治方法需在安置點建設(shè)中予以重點考慮。

4 結(jié)論

(1)岷縣漳縣地震極震區(qū)黃土在動、靜荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)顯著的非線性增長特性，其在循環(huán)動荷載作用下具有剛度迅速衰減和粘滯性急劇增強的特征。

(2)MX-2和MX-3重建場地的斜坡在大于Ⅶ度地震作用下均存在失穩(wěn)的可能；KL-1的斜坡由于剛度較大、坡度較小，在地震作用下不存在失穩(wěn)的可能。

(3)各重建場地的黃土地基在Ⅶ度地震作用下不存在地基震陷問題；Ⅷ度以上地震作用下，MX-1、ZX-1、LT-1和LX-1場地存在產(chǎn)生不同破壞等級震陷災(zāi)害的風(fēng)險，WY-1場地?zé)o產(chǎn)生明顯震陷災(zāi)害的可能。

(4)永光村場地的黃土在Ⅶ度地震作用下不產(chǎn)生液化；Ⅷ度以上地震作用下均會產(chǎn)生液化，存在導(dǎo)致山體液化滑坡、泥流以及建構(gòu)筑物地基失穩(wěn)和不均勻沉降等地震災(zāi)害的風(fēng)險。

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責(zé)任編輯：汪美華

PredictionofloessearthquakegeologicaldisastersinthereconstructionsitesaftertheMinxian-ZhangxianMs6.6earthquake

WANG Qian1, 2, 3, WANG Lanmin1, 2, 3, WANG Jun2, 3,GUO Peng3, LIU Hongmei2, 3, LU Yuxia2, 3, HOU Pengbo4

(1.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,LanzhouUniversity,Lanzhou，Gansu730000,China; 2.KeyLaboratoryofLoessEarthquakeEngineering,CEA,Lanzhou，Gansu730000,China; 3.LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou，Gansu730000,China; 4.EnergyChinaGSEPDI,Lanzhou，Gansu730000,China)

Based on the static and dynamic triaxial tests of loess specimen taken from 8 sites of Post-earthquake disaster reconstruction after the 2013 Minxian-ZhangxianMs6.6 Earthquake, the dynamic and static characteristics of loess in two reconstruction sites located in the meizoseismal region were analyzed in this paper. The stability of loess slope in 3 reconstruction sites and seismic subsidence properties of the loess in 5 sites in the earthquake affected areas were discussed. The potential loess geological disasters caused by the earthquake in the reconstruction areas were predicted with the combination of the geomorphological characteristics of settlements. The results indicate that the loess in the meizoseismal region is characterized by stress intensification under static loading. However, the rigidity can decay rapidly and the glutinousness can increase sharply under the cyclic loading. The slope in reconstruction sites MX-2 and MX-3 may be instabile under the effect of the earthquake. The reconstruction sites of MX-1, ZX-1, LT-1 and LX-1 have the risk of generating seismic subsidence disasters in different levels when the seismic intensity is greater than 8 degree. In addition, the loess in the MX-1 site can be liquefied when the seismic intensity is greater than 8 degree, and has the risk of inducing earthquake disasters such as landslides caused by liquefaction, mudflow, foundation failure and differential settlement.

Minxian-Zhangxian earthquake; loess subsidence; loess liquefaction; residual deformation behaviors; disaster prediction

TU435

A

1000-3665(2017)05-0137-06

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.21

2016-09-22;

2017-02-10

地震科技星火計劃項目(XH16038Y)；國家自然科學(xué)基金項目(51408567，51478444)；甘肅省地震局地震科技發(fā)展基金項目(2015M01)；甘肅省科技計劃項目(1308RJZA153)

王謙(1985-)，博士研究生，助理研究員，主要從事巖土動力特性理論及試驗工作。E-mail：wangq0930@126.com