地震長(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響

劉 偉,諶文武,楊 芳

(1.內(nèi)蒙古大學(xué) 交通學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070;2.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

黃土在我國(guó)廣泛分布,其中西北地區(qū)黃土高原為主要分布區(qū),隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展,黃土高原區(qū)鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)等大型工程數(shù)量不斷增加,規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。黃土工程建設(shè)中,地震作用下的長(zhǎng)期效應(yīng)及黃土的力學(xué)性質(zhì)研究工作至關(guān)重要。

黃土高原區(qū)獨(dú)特的地理位置致使該區(qū)地震作用頻發(fā)[1],地震發(fā)生后引起大量滑坡、震陷和液化災(zāi)害,給當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全造成了巨大損失[2]。由于穿過(guò)黃土高原及其周邊的斷裂帶較多,斷裂帶引起地震活動(dòng)較為頻繁,地震發(fā)生后往往引起黃土滑坡、泥石流、崩塌以及地面開(kāi)裂等傷亡較重的地質(zhì)災(zāi)害,給該區(qū)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[3],其中規(guī)模最大、破壞性最強(qiáng)的地震是發(fā)生于20世紀(jì)初的寧夏海原8.5級(jí)地震,地震發(fā)生時(shí)出現(xiàn)了大量黃土滑坡,造成的人員傷亡超過(guò)10萬(wàn),由地震直接和間接作用造成的災(zāi)害均最嚴(yán)重,震后一段時(shí)期內(nèi)該區(qū)的黃土滑坡仍然持續(xù)發(fā)生,地震長(zhǎng)期效應(yīng)產(chǎn)生的影響不容忽視。同時(shí),黃土地區(qū)中強(qiáng)地震對(duì)黃土產(chǎn)生的影響也應(yīng)引起足夠重視,如20世紀(jì)80年代塔吉克地區(qū)發(fā)生的5.5級(jí)地震,地震引起大范圍的滑坡和液化,災(zāi)害造成農(nóng)田被毀,村莊被埋的慘烈景象[2]。除地震荷載直接引起黃土滑坡外,地震與降雨、灌溉等其他因素耦合作用下產(chǎn)生的致災(zāi)作用占主導(dǎo)地位[4-8]。耦合作用致災(zāi)研究中側(cè)重介紹降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)及地震荷載的幅值等對(duì)滑坡的影響,并未考慮歷史地震發(fā)生后,地震長(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響及在誘發(fā)滑坡中的具體作用。

黃土力學(xué)性質(zhì)研究方面,主要集中于利用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。室內(nèi)試驗(yàn)中的三軸試驗(yàn)是研究飽和黃土力學(xué)特征的重要技術(shù)手段之一,學(xué)者通過(guò)固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)研究飽和黃土的剪切行為,研究發(fā)現(xiàn)剪切中產(chǎn)生的持續(xù)增加的孔隙水壓力是引起黃土失穩(wěn)的重要原因[9]。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)黑方臺(tái)黃土具有典型的應(yīng)變軟化特征[10],當(dāng)剪切中不斷累積的孔隙水壓力升高到一定值時(shí)底部黃土發(fā)生液化破壞,引起黃土泥流型滑坡。黑方臺(tái)灌溉區(qū),受黃土底部的不排水界面控制,不斷累積的灌溉下滲抬高地下水位,促使黃土飽和區(qū)范圍持續(xù)擴(kuò)大,同時(shí)引起孔隙水壓力持續(xù)升高,室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M后指出飽和黃土在不排水狀態(tài)下表現(xiàn)出明顯剪縮特性[11-13],易發(fā)生液化,進(jìn)而誘發(fā)黃土滑坡。前期關(guān)于飽和黃土靜力學(xué)方面的研究均是基于單調(diào)遞增荷載作用下土體不排水剪切試驗(yàn)獲得,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得土體強(qiáng)度[14-15],利用穩(wěn)態(tài)理論對(duì)土體液化失穩(wěn)進(jìn)行分析,由于受到應(yīng)力變化等影響使得穩(wěn)態(tài)線不唯一[16]。動(dòng)荷載作用下往往引起飽和黃土形成液化[17],液化后引起黃土滑坡[18-19]、地基失穩(wěn)[20-22]等破壞。

地震發(fā)生后對(duì)黃土高原地區(qū)造成了嚴(yán)重的損失,已有黃土力學(xué)性質(zhì)研究中,包括黃土靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究等方面。力學(xué)性質(zhì)的研究均集中于黃土在直接荷載下的力學(xué)響應(yīng),而地震影響后黃土的力學(xué)性質(zhì)研究鮮有學(xué)者進(jìn)行報(bào)道,即地震長(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)方面影響的研究工作亟待開(kāi)展。本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取樣的基礎(chǔ)上,利用動(dòng)三軸儀對(duì)原狀黃土試樣進(jìn)行模擬歷史地震預(yù)處理,然后對(duì)預(yù)處理后的試樣開(kāi)展固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn),分析地震長(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響,并結(jié)合微結(jié)構(gòu)分析揭示力學(xué)性質(zhì)差異性產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試樣

本次試驗(yàn)中所用黃土原狀樣取自蘭州市和平鎮(zhèn),通過(guò)人工探井開(kāi)挖形成的陡立壁面進(jìn)行取樣,深度8.0 m。首先利用削土刀除去表面松散黃土,取備內(nèi)側(cè)較為均勻的原狀黃土。室內(nèi)對(duì)黃土的基本物理性質(zhì)進(jìn)行分析[23],試樣的含水率、密度、比重、液限、塑限依次為10.01%～10.77%、1.38～1.42 g/cm3、2.70～2.71、24.36%～25.32%和14.95%～15.66%,同時(shí)對(duì)黃土的顆粒組成進(jìn)行測(cè)試,顆粒分布曲線見(jiàn)圖1。

圖1 和平黃土顆粒分布曲線Fig.1 Particle size distributions of loess in Heping

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本次試驗(yàn)中所用的設(shè)備為WF-12440型動(dòng)三軸扭剪試驗(yàn)系統(tǒng),是由英國(guó)WF公司生產(chǎn)的一種全程序化控制三軸儀,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力條件下的土力學(xué)試驗(yàn)。該設(shè)備的周?chē)鷫毫头磯壕ㄟ^(guò)氣轉(zhuǎn)水系統(tǒng)提供,軸向力加載系統(tǒng)由單獨(dú)的作動(dòng)器控制,豎向荷載采用氣動(dòng)作動(dòng)器施加,能夠?qū)崿F(xiàn)4個(gè)方向的動(dòng)態(tài)協(xié)同控制,進(jìn)而控制豎向主應(yīng)力幅值,包括大小、頻率及方向,以模擬自然界土體真實(shí)受力條件。

試驗(yàn)開(kāi)始前首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行清零操作,后將預(yù)先削制好的尺寸為50 mm×100 mm原狀黃土放置在動(dòng)三軸儀底座上。根據(jù)取樣的埋深情況計(jì)算試樣固結(jié)需要施加的軸向力和周?chē)鷫毫?對(duì)原狀黃土試樣進(jìn)行固結(jié),恢復(fù)試樣的初始應(yīng)力狀態(tài)。固結(jié)穩(wěn)定后依據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)[24]中蘭州地震動(dòng)峰值加速度為0.15g～0.20g,考慮不同設(shè)防等級(jí)后選用地震峰值加速度PGA為0.15g、0.30g和0.40g進(jìn)行模擬歷史地震預(yù)處理。

為便于對(duì)比,在室內(nèi)預(yù)制初始含水率為15%的試樣進(jìn)行分析,PGA預(yù)設(shè)方案中設(shè)置為0.00g作為未處理試樣組。模擬歷史地震處理后,對(duì)處理后的試樣依次進(jìn)行飽和與固結(jié),然后對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn),圍壓力設(shè)置為100 kPa,150 kPa和200 kPa,待單位時(shí)間內(nèi)體積控制器中排水量穩(wěn)定后進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn),設(shè)置加載速率為0.05 mm/min。分析有效圍壓、含水率、PGA等對(duì)于黃土力學(xué)性質(zhì)的影響,同時(shí)結(jié)合掃描電鏡試驗(yàn)與壓汞試驗(yàn)對(duì)預(yù)處理前后的黃土試樣微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,揭示地震長(zhǎng)期效應(yīng)影響黃土力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)因。

本次試驗(yàn)共設(shè)置36組樣品,編號(hào)為SL-1～SL-36,其中SL-1～SL-8為微結(jié)構(gòu)試驗(yàn)樣品組,SL-9～SL-12為常規(guī)直接剪切試驗(yàn)測(cè)試黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn),SL-13～SL-24為初始含水率為10%的黃土樣品試驗(yàn)結(jié)果,SL-25～SL-36為初始含水率為15%的黃土樣品試驗(yàn)結(jié)果(表1、表2)。試驗(yàn)中所用樣品均為篩選試樣,將樣品中有根系、蟲(chóng)孔等試樣全部進(jìn)行了剔除處理。

表1 微結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方案Table 1 Scheme of microstructure tests

表2 三軸試驗(yàn)測(cè)試方案Table 2 Scheme of triaxial tests

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 三軸試驗(yàn)結(jié)果

研究中首先利用動(dòng)三軸儀對(duì)原狀黃土試樣進(jìn)行模擬歷史地震處理,預(yù)振處理后依次進(jìn)行飽和與固結(jié),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)。預(yù)振中發(fā)現(xiàn)所有的黃土試樣均產(chǎn)生了明顯的軸向壓縮變形,初始含水率為10%的黃土試樣經(jīng)預(yù)處理后其軸向壓縮變形可達(dá)0.24%～1.82%,而初始含水率增加至15%后進(jìn)行預(yù)處理,軸向壓縮變形達(dá)到0.53%～7.87%,最大值為初始含水率為10%黃土試樣的4～32倍,充分說(shuō)明黃土具有水敏性的典型特征,即含水率的微弱變化會(huì)致使黃土物理性質(zhì)產(chǎn)生較大的差異性。

為深入分析歷史地震長(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響,室內(nèi)試驗(yàn)中選取應(yīng)力路徑曲線、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、孔隙水壓力與應(yīng)變關(guān)系曲線及有效圍壓與應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行分析。在分析黃土試樣力學(xué)性質(zhì)的過(guò)程中,對(duì)不同初始條件下黃土原狀試樣的飽和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值也進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)圖2～圖7和表3～表4。計(jì)算中選用峰值偏應(yīng)力,通過(guò)破壞包絡(luò)線獲取峰值強(qiáng)度指標(biāo)。

表3 初始含水率10%時(shí)不同PGA作用下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值Table 3 Shear strength indexes of loess samples under different PGA (w=10%)

表4 初始含水率 15%時(shí)不同PGA作用下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值Table 4 Shear strength indexes of loess samples under different PGA (w=15%)

圖中曲線所示含義為PGA為0.15g、0.30g、0.40g的結(jié)果與PGA為0.00g試樣對(duì)比結(jié)果,可直觀反映不同地震效應(yīng)對(duì)力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生的影響。初始含水率為10%時(shí),預(yù)處理后黃土原狀樣試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示,隨著PGA的增加,應(yīng)力路徑、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、孔隙壓力發(fā)展規(guī)律等均發(fā)生了變化,表明地震荷載的幅值對(duì)后期黃土力學(xué)性質(zhì)亦有影響。

圖2 PGA為0.00g和0.15g在w=10%時(shí)CU試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of CU between PGA=0.00g and 0.15g in w=10%

圖3 PGA為0.00g和0.30g在w=10%時(shí)CU試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of CU between PGA=0.00g and 0.30g in w=10%

圖4 PGA為0.00g和0.40g在w=10%時(shí)CU試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of CU between PGA=0.00g and 0.40g in w=10%

當(dāng)初始含水率為10%時(shí),黃土原狀試樣經(jīng)過(guò)歷史地震預(yù)處理后,軸向變形產(chǎn)生的應(yīng)變較明顯,表明在地震作用下試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)被振密。

經(jīng)歷歷史地震預(yù)處理后的黃土原狀樣,在固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)中可知[圖2～圖4中的(a)和(b)],峰值偏應(yīng)力與未經(jīng)歷歷史地震試樣相比均發(fā)生了顯著增加,隨著軸向應(yīng)變的持續(xù)增加,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化特征?？紫端畨毫υ诩羟兄须S著軸向應(yīng)變的增加而持續(xù)增大,當(dāng)軸向應(yīng)變超過(guò)4%后孔隙水壓力的增速開(kāi)始減緩,后漸趨平穩(wěn)[圖2(c)、圖3(c)、圖4(c)],孔壓的增加引起有效應(yīng)力的持續(xù)降低[圖2(d)、圖3(d)、圖4(d)]。模擬歷史地震預(yù)處理后的黃土試樣的孔隙水壓力在相同應(yīng)變時(shí)均低于未處理試樣,對(duì)應(yīng)的有效圍壓則高于未處理試樣的有效圍壓。

初始含水率為10%時(shí),歷史地震作用后,黃土內(nèi)部膠結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形,不同幅值的地震荷載作用后,試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的膠結(jié)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也不相同,隨著PGA的增大,黃土被振密的程度加深,宏觀上表現(xiàn)出峰值偏應(yīng)力幅值增大和有效應(yīng)力增加。預(yù)處理后的黃土試樣孔隙水壓力不易升高,表明前期地震引起黃土內(nèi)部孔隙孔徑減小,顆粒之間的接觸方式發(fā)生改變,達(dá)到一種新的平衡狀態(tài),此種情況下試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,抵御外部荷載的能力進(jìn)一步提高。當(dāng)圍壓為100 kPa和150 kPa時(shí),有效圍壓隨著軸向應(yīng)變的增加最終趨于零點(diǎn),表明此種狀況下的黃土試樣強(qiáng)度喪失,將形成失穩(wěn)破壞。而圍壓增加至200 kPa時(shí),有效圍壓隨著軸向應(yīng)變的增加而趨于平緩,并未降低至零點(diǎn),表明黃土的失穩(wěn)破壞與埋深緊密聯(lián)系。圍壓增加后,黃土試樣產(chǎn)生失穩(wěn)破壞的孔隙水壓力需要增加至更高的數(shù)值以引起有效應(yīng)力降低。而圍壓增加的同時(shí),黃土的強(qiáng)度也增加,該過(guò)程中孔壓的增加要抵御土體強(qiáng)度增加帶來(lái)的影響,最終表現(xiàn)為有效應(yīng)力降低至某一恒定值。

圖2～圖4中的飽和試樣在應(yīng)變?yōu)?%～4%時(shí)出現(xiàn)峰值偏應(yīng)力,軸向應(yīng)變4%后試樣的孔隙水壓力增幅減小,而有效圍壓也逐漸趨于零?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)值根據(jù)峰值偏應(yīng)力對(duì)應(yīng)的莫爾圓進(jìn)行計(jì)算(表3)。有效圍壓降幅和孔隙水壓力的增加具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但與峰值偏應(yīng)力的出現(xiàn)存在一定的滯后性。據(jù)此將飽和黃土固結(jié)不排水剪切分為以下三階段:(1)初始剪切階段,偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變持續(xù)增加,試樣內(nèi)部孔隙水壓力持續(xù)增大;(2)剪切漸變階段,偏應(yīng)力增速變緩,逐漸出現(xiàn)最大值,孔壓增速變緩,有效圍壓持續(xù)降低;(3)剪切穩(wěn)定階段,偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增加漸趨穩(wěn)定,孔壓亦趨于穩(wěn)定,增速較小,引起有效圍壓降幅減小,最終保持某一穩(wěn)定值。

當(dāng)初始含水率增加至15%時(shí)(圖5～圖7),經(jīng)歷歷史地震預(yù)處理后的黃土試樣的峰值偏應(yīng)力仍高于未處理試樣的偏應(yīng)力,孔隙水壓力同樣低于未處理試樣,總體變化趨勢(shì)與10%黃土試樣的變化規(guī)律相同。但偏應(yīng)力增加幅值及孔壓的降幅均大于初始含水率為10%的黃土試樣,這與15%試樣預(yù)處理中產(chǎn)生的軸向變形大于10%試樣的變形相對(duì)應(yīng)。地震對(duì)黃土試樣作用后,黃土試樣內(nèi)部膠結(jié)結(jié)構(gòu)依然會(huì)產(chǎn)生塑性變形。含水率增加后,動(dòng)荷載的作用將進(jìn)一步促使內(nèi)部顆粒相互擠緊,試樣內(nèi)部的大孔隙孔徑變小,內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整后形成一種新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。孔隙的進(jìn)一步減小加劇了孔隙水壓力響應(yīng)的滯后性,致使孔隙水壓力無(wú)法持續(xù)升高。

圖5 PGA為0.00g和0.15g在w=15%時(shí)CU試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of CU between PGA=0.00g and 0.15g in w=15%

圖6 PGA為0.00g和0.30g在w=15%時(shí)CU試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of CU between PGA=0.00g and 0.30g in w=15%

圖7 PGA為0.00g和0.40g在w=15%時(shí)CU試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Results of CU between PGA=0.00g and 0.40g in w=15%

同時(shí)根據(jù)峰值偏應(yīng)力對(duì)應(yīng)莫爾圓計(jì)算了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(表4),上述初始含水率為10%的黃土試樣,黏聚力變化幅值為1.94～3.42 kPa,歷史地震影響后的黃土試樣的內(nèi)摩擦角較未處理黃土試樣內(nèi)摩擦角相比增幅較為明顯,當(dāng)?shù)卣鸷奢d對(duì)應(yīng)的PGA由0.15g增加至0.30g時(shí),黃土試樣內(nèi)摩擦角增幅為1.32°～1.99°,當(dāng)PGA為0.40g時(shí)內(nèi)摩擦角和黏聚力提高2.67°和3.42 kPa,表明歷史地震荷載的增加對(duì)黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)增大,地震長(zhǎng)期效應(yīng)產(chǎn)生的影響愈發(fā)明顯。初始含水率不同引起黃土對(duì)動(dòng)荷載響應(yīng)不同,試樣初始含水量增加至15%時(shí),經(jīng)歷歷史地震影響后的黃土試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增幅顯著高于初始含水率為10%的試樣,PGA增加至0.40g時(shí)的內(nèi)摩擦角和黏聚力高于PGA為0.15g和0.30g條件下3°和4 kPa。

2.2 微結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

黃土原狀樣經(jīng)歷先期地震后,其力學(xué)性質(zhì)與未受擾動(dòng)試樣相比發(fā)生了顯著變化,為揭示地震長(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)影響的內(nèi)在機(jī)制,利用壓汞試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)預(yù)處理前后黃土的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試分析,結(jié)果見(jiàn)圖8～圖10。壓汞試驗(yàn)中列出不同含水率試樣預(yù)處理后的進(jìn)汞曲線,掃描電鏡試驗(yàn)中列出PGA為0.00g和0.40g的試驗(yàn)結(jié)果。

圖8 不同含水率不同PGA歷史地震處理后累積孔隙體積Fig.8 Cumulative pore volume under different water content and historical earthquakes with different PGA

初始含水率為10%的黃土試樣經(jīng)歷歷史地震擾動(dòng)后,內(nèi)部大孔隙數(shù)量開(kāi)始減少,中小孔隙數(shù)量變化相對(duì)較小,含水率增加至15%時(shí),地震長(zhǎng)期效應(yīng)的影響亦主要體現(xiàn)在大孔隙數(shù)量的減少方面,大孔隙減少后試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密,后期力學(xué)試驗(yàn)中的力學(xué)指標(biāo)均顯著提高。

從圖9～10的掃描電鏡試驗(yàn)中也可發(fā)現(xiàn),與未處理黃土試樣相比,經(jīng)歷歷史地震影響后的黃土試樣內(nèi)部大孔隙數(shù)量明顯減少,中小孔隙的數(shù)量明顯增加,這與壓汞試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)[圖9(a)和(b)、圖10(a)和(b)]。試樣經(jīng)歷地震荷載擾動(dòng)后,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化與顆粒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)聯(lián)系緊密,從圖9～圖10中(c)、(d)可知,含水率為10%和15%的黃土試樣經(jīng)歷歷史地震擾動(dòng)后,顆粒均發(fā)生了明顯移動(dòng)。

圖9 含水率為10%黃土經(jīng)歷歷史地震擾動(dòng)后微結(jié)構(gòu)變化Fig.9 Microstructure change of loess with water content of 10% disturbed by historical earthquake

地震長(zhǎng)期效應(yīng)引起黃土內(nèi)部顆粒產(chǎn)生定向性排列,且相鄰顆粒之間開(kāi)始被擠密,顆粒之間的間隙大大減小,顆粒移動(dòng)過(guò)程中引起黃土內(nèi)部原有的大孔隙結(jié)構(gòu)坍塌破壞,造成大孔隙數(shù)量減少,中小孔隙數(shù)量增加[25]。較強(qiáng)地震荷載擾動(dòng)后(PGA=0.40g),黃土內(nèi)部顆粒出現(xiàn)了堆疊現(xiàn)象。

綜上,未受歷史地震擾動(dòng)的黃土試樣,黃土大顆粒表面隨機(jī)排布著小顆粒,粒徑不同的顆粒相互堆疊形成的架空孔隙清晰可見(jiàn)。經(jīng)歷史地震預(yù)處理后的試樣,由于含水率相對(duì)較高,尤其是初始含水率增加至15%時(shí)已接近塑限含水率,地震擾動(dòng)后引起小顆粒向大顆粒附近滑移,由小顆粒聚集形成的膠結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞。較大的歷史地震荷載引起黃土內(nèi)部顆?；屏枯^大,架空孔隙結(jié)構(gòu)被徹底擠壓破壞,周?chē)捷^小的顆粒向塌陷的孔隙中滑移,引起顆粒之間的接觸更緊密。此外,顆粒的接觸方式也發(fā)生了較大變化,黃土內(nèi)部顆粒間的接觸開(kāi)始從點(diǎn)-面接觸向面-面接觸轉(zhuǎn)變,部分顆粒之間出現(xiàn)“咬合”現(xiàn)象,這也是宏觀上內(nèi)摩擦角增加的重要內(nèi)在因素。地震長(zhǎng)期效應(yīng)引起黃土顆粒間的大幅滑移及孔隙結(jié)構(gòu)重組,表明內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化與歷史地震作用下黃土變形密切相關(guān),如本研究中含水率為10%和15%的試樣在模擬歷史地震預(yù)處理中其軸向變形減少量達(dá)2.24～4.66 mm,徑向變形增加0.08～1.84 mm,表明試樣被振密。

3 討論

地震長(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)影響較大,本研究中黃土試樣初始含水率為10%和15%時(shí),地震長(zhǎng)期效應(yīng)主要引起黃土力學(xué)性質(zhì)中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增大。結(jié)合微結(jié)構(gòu)分析可知,地震引起黃土力學(xué)性質(zhì)的增大與黃土在歷史地震中的微結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。

有學(xué)者對(duì)粉土在首次地震液化后土體的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究[26-27],指出土體首次液化后的固結(jié)比、動(dòng)應(yīng)力幅值等指標(biāo)對(duì)其經(jīng)歷二次地震后時(shí)的力學(xué)特性有明顯影響,表明早期地震對(duì)土體的損傷在后期力學(xué)特性變化中得以體現(xiàn)。

歷史地震荷載作用于黃土后,黃土試樣的軸向和徑向均發(fā)生明顯的位移,主要表現(xiàn)為軸向的壓縮和徑向的增大,為典型的振密現(xiàn)象。振密將引起內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,由壓汞試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)可知,經(jīng)歷歷史地震作用后的黃土試樣內(nèi)部大孔隙結(jié)構(gòu)被破壞,主要表現(xiàn)為被分解為孔徑較小的中孔隙和小孔隙。此外,地震作用主要通過(guò)破壞孔隙結(jié)構(gòu)周?chē)哪z結(jié)結(jié)構(gòu)而破壞架空孔隙結(jié)構(gòu),大孔隙結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后黃土試樣中不穩(wěn)定的膠結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞,而相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)數(shù)量增加,致使黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,能夠抵御外部荷載擾動(dòng)的能力提高。壓汞試驗(yàn)結(jié)果表明,地震影響后,黃土試樣內(nèi)部的中小孔隙受地震荷載的影響相對(duì)較小,黃土內(nèi)部獨(dú)特的大孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)地震荷載較敏感。大孔隙失穩(wěn)中也引起黃土內(nèi)部孔隙的形態(tài)及分布發(fā)生變化:圓形孔隙轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形,局部大孔隙破壞后被中小孔隙填充。

歷史地震影響后,黃土試樣內(nèi)部除孔隙結(jié)構(gòu)變化外,顆粒排列方式也發(fā)生變化。主要表現(xiàn)為地震擾動(dòng)后,黃土試樣中的顆粒由不規(guī)則排列向定向排列轉(zhuǎn)變,當(dāng)初始含水率增加至15%時(shí),黃土試樣內(nèi)部粒徑較小的顆粒向塌陷的大孔隙中遷移,致使塌陷后的孔隙結(jié)構(gòu)更加致密和穩(wěn)定。小顆粒向大顆粒周邊移動(dòng)過(guò)程中,大顆粒也產(chǎn)生一定的位移,整個(gè)試樣內(nèi)部顆粒間被擠密,粒間間隙的擠密表明試樣內(nèi)部孔隙孔徑的減小,宏觀上表現(xiàn)為大孔隙數(shù)量減少,與壓汞試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

當(dāng)黃土試樣的初始含水率為10%～15%時(shí),地震長(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)為力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)值的增加,與地震引起黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)振密相關(guān)。由于黃土具有水敏性和結(jié)構(gòu)性的典型特征,故當(dāng)試樣的初始含水率低于10%時(shí),地震長(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響需要進(jìn)行進(jìn)一步研究分析。

4 結(jié)論

通過(guò)動(dòng)三軸模擬歷史地震預(yù)處理結(jié)合固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)、壓汞和掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)地震影響下黃土力學(xué)性質(zhì)變化進(jìn)行研究,主要分析地震長(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響,得出以下結(jié)論:

(1)黃土試樣初始含水率為10%～15%時(shí),地震長(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響,主要表現(xiàn)為黃土強(qiáng)度增加,峰值偏應(yīng)力分別增加4.156～24.155 kPa和3.150～24.767 kPa。

(2)歷史地震引起黃土試樣內(nèi)部大孔隙結(jié)構(gòu)破壞及中小孔隙數(shù)量增加是地震長(zhǎng)期效應(yīng)導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)增加的重要內(nèi)在機(jī)制,而地震引起試樣內(nèi)部顆粒定向性排列及小顆粒向塌陷的大孔隙中遷移引起顆粒接觸方式改變也是地震影響后黃土力學(xué)性質(zhì)增大的重要原因。

(3)當(dāng)試樣初始含水率為10%～15%時(shí),地震長(zhǎng)期效應(yīng)將引起黃土力學(xué)性質(zhì)增大,由于黃土具有水敏性和結(jié)構(gòu)性,含水率低于10%時(shí),地震長(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響需要進(jìn)一步研究。