飽和黃土動(dòng)態(tài)液化和靜態(tài)液化機(jī)理的差異性研究

程 超, 鐘秀梅, 劉釗釗, 劉富強(qiáng),江志杰, 王 謙,, 陶冬旺(1. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 70000;2. 中國地震局(甘肅省)黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 70000;. 中國地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

黃土是一種以粉粒為主、欠壓密、多孔隙、富含可溶鹽、垂直節(jié)理發(fā)育的第四紀(jì)沉積物,其廣泛分布于我國黃土高原地區(qū),且分布區(qū)域大多與強(qiáng)地震區(qū)一致[1-2]。國內(nèi)外多次震例已表明,飽和黃土具有液化勢,在地震作用下可產(chǎn)生液化,從而導(dǎo)致土體滑移與不均勻沉降等災(zāi)害,如1811、1812年美國新馬德里MS8.5、MS8.4、MS8.8地震均在密西西比河?xùn)|岸引起了液化沉降[3-4],1920年海原MS8.5地震引發(fā)了石碑塬液化滑移[5],1989年前蘇聯(lián)塔吉克MS5.5地震引發(fā)了吉爾薩液化滑移[6],2008年汶川MS8.0地震引發(fā)了田川液化滑坡[7],以及2013年岷縣—漳縣MS6.6地震引發(fā)了永光村液化滑坡[8-9]。不僅如此,動(dòng)水滲透及土體變形發(fā)展可導(dǎo)致飽和黃土靜態(tài)液化[10],從而誘發(fā)滑坡災(zāi)害,如陜西涇陽南塬滑坡[11]與甘肅黑方臺滑坡[12]等。可見,飽和黃土的動(dòng)態(tài)液化和靜態(tài)液化及其誘發(fā)的黃土斜坡失穩(wěn),已成為黃土地區(qū)人民生命安全與城鎮(zhèn)建設(shè)安全的重大隱患。

20世紀(jì)80年代后,國內(nèi)外學(xué)者逐漸重視飽和黃土的液化問題,并圍繞飽和黃土液化機(jī)理開展了大量的研究工作。Prakash等[13]發(fā)現(xiàn)在循環(huán)動(dòng)荷載作用下飽和黃土也具有循環(huán)軟化特性。Puri[14]提出了飽和黃土液化及破壞標(biāo)準(zhǔn)。Ishihara等[6]揭示了由地震引發(fā)的黃土液化滑移的機(jī)理。王蘭民等[5,15]發(fā)現(xiàn)在循環(huán)動(dòng)荷載作用下飽和黃土的動(dòng)孔隙水壓力上升,有效應(yīng)力迅速下降,土體強(qiáng)度大幅降低,動(dòng)應(yīng)變急劇增大,最終出現(xiàn)動(dòng)態(tài)液化。楊振茂等[16]發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)震作用下飽和黃土的結(jié)構(gòu)迅速破壞,體積收縮,在不排水條件下其孔隙水壓力上升,土體軟化和變形互相促進(jìn),最終導(dǎo)致動(dòng)態(tài)液化。金艷麗等[17]發(fā)現(xiàn)在灌溉或降雨作用下黃土斜坡達(dá)到飽和,孔隙水壓力增加,土體剪縮,超孔隙水壓力形成,最終導(dǎo)致靜態(tài)液化。王謙[18]發(fā)現(xiàn)在循環(huán)動(dòng)荷載作用下飽和黃土的土骨架對荷載的抵御能力逐漸降低,土骨架強(qiáng)度弱化和動(dòng)孔隙水壓力升高互相促進(jìn),結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸喪失,最終發(fā)生動(dòng)態(tài)液化。劉偉[19]發(fā)現(xiàn)在單調(diào)靜荷載作用下飽和黃土的孔隙水壓力不斷升高直至有效圍壓降低至零,架空孔隙結(jié)構(gòu)遇水失穩(wěn),黏土顆粒遇水向粉?？紫吨羞w移,從而引起剪縮,最終發(fā)生靜態(tài)液化。閆蕊鑫[20]發(fā)現(xiàn)黃土地區(qū)普遍存在靜態(tài)液化型滑坡,并提出了隔水層上覆黃土液化過程與發(fā)生機(jī)制、飽和黃土觸變液化特征與高速遠(yuǎn)程滑動(dòng)機(jī)制等4個(gè)機(jī)制。彭建兵等[10]認(rèn)為在灌溉或強(qiáng)降雨滲透下黃土斜坡形成飽和帶,黏聚力與內(nèi)摩擦角降低,出現(xiàn)滑裂面,滑體蠕動(dòng)變形,最終導(dǎo)致靜態(tài)液化。

綜上,飽和黃土在不同外荷載作用下其液化機(jī)理具有顯著差異,然而,有關(guān)飽和黃土動(dòng)態(tài)液化和靜態(tài)液化機(jī)理的差異性研究較少。本文以岷縣永光Q3黃土為研究對象,基于室內(nèi)動(dòng)、靜三軸試驗(yàn)和SEM細(xì)觀結(jié)構(gòu)測試,研究飽和黃土在動(dòng)、靜荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,孔隙水壓力-應(yīng)變關(guān)系和孔隙結(jié)構(gòu)特征,分析了動(dòng)、靜態(tài)液化機(jī)理,探討了液化機(jī)理差異性。研究結(jié)果有助于進(jìn)一步認(rèn)識飽和黃土液化機(jī)理,并可為黃土地區(qū)液化及液化誘發(fā)滑坡災(zāi)害的防治提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 黃土試樣

試驗(yàn)所用的原狀土樣取自甘肅省岷縣永光村,為Q3黃土,取樣深度為8 m,取樣方法參考《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程(JGJ/T87-2012)》[21]。取樣點(diǎn)的位置和取樣過程如圖1所示,室內(nèi)土工試驗(yàn)得到的原狀黃土基本物理性質(zhì)如表1所列,圖2所示。

圖1 取樣點(diǎn)的位置和取樣過程Fig.1 Location of sampling point and sampling process

初始容重/(kN·m-3)含水率/%比重液限/%塑限/%塑性指數(shù)15.9512.422.7127.0017.509.50

圖2 原狀黃土的顆粒級配曲線Fig.2 Particle-size curve of undisturbed loess

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

研究中動(dòng)、靜三軸試驗(yàn)均在WF-12440型動(dòng)態(tài)三軸-空心圓柱扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)(圖3)上完成。該設(shè)備應(yīng)變測試精度可達(dá)1×10-5,其配備的反壓飽和系統(tǒng)可保證試樣達(dá)到較高飽和度的同時(shí)盡可能減小對試樣的擾動(dòng)[22]。試驗(yàn)操作嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—2019)》[23]進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí),首先將取備的原狀黃土試樣制備成直徑50 mm、高100 mm的圓柱形試樣。然后在試驗(yàn)機(jī)上采用低反壓飽和法進(jìn)行飽和,通過多級飽和直至B值達(dá)到0.95,判定為土體飽和;為了減小固結(jié)加壓對試樣的擾動(dòng),所有試樣均采用各向同性固結(jié)。對于動(dòng)三軸試驗(yàn),固結(jié)壓力均選定為100 kPa,選用頻率為1 Hz的等幅正弦荷載進(jìn)行循環(huán)加載,動(dòng)應(yīng)力幅值分別為20 kPa、25 kPa和30 kPa;動(dòng)態(tài)液化破壞標(biāo)準(zhǔn)為:動(dòng)孔隙水壓力比ud/σ′0≥0.7,或動(dòng)孔隙水壓力比ud/σ′0≥0.2且軸向動(dòng)應(yīng)變εd=3%,哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)先達(dá)到就以哪個(gè)為準(zhǔn)[1]。對于靜三軸試驗(yàn),固結(jié)壓力分別選用80 kPa、140 kPa和200 kPa,剪切時(shí)采用應(yīng)變控制不排水剪切,剪切速率均為0.6 mm/min,當(dāng)土體軸向應(yīng)變達(dá)到16%時(shí)試驗(yàn)終止,選擇軸向應(yīng)變達(dá)到15%作為土體的剪切破壞標(biāo)準(zhǔn)。為便于與動(dòng)態(tài)液化比較,靜態(tài)液化破壞標(biāo)準(zhǔn)與動(dòng)態(tài)液化統(tǒng)一,即:孔隙水壓力比u/σ′0≥0.7,或孔隙水壓力比u/σ′0≥0.2且軸向應(yīng)變ε=3%,哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)先達(dá)到就以哪個(gè)為準(zhǔn)[1]。

圖3 WF-12440型動(dòng)態(tài)三軸-空心圓柱扭剪 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 WF-12440 dynamic triaxial-hollow cylinder torsional shear test system

土體SEM細(xì)觀結(jié)構(gòu)測試由KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡(圖4)完成。試驗(yàn)時(shí),首先采用真空冷凍干燥法干燥土樣,然后在干燥的土樣上取新鮮斷面,并將其背部進(jìn)行磨平處理,制備成長10 mm×寬10 mm×厚2 mm的方形薄片;然后將方形薄片用導(dǎo)電膠粘在樣品托上,并放入離子濺射儀中噴涂金膜,使其表面能夠?qū)щ姴⒎瓷涠坞娮映上?最后將噴金后的試樣置于掃描電子顯微鏡中,分別設(shè)置放大倍數(shù)為100倍、200倍、400倍、500倍和1 000倍,待圖像聚焦后進(jìn)行模擬拍攝。

圖4 KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡Fig.4 KYKY-2800B scanning electron microscope

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 動(dòng)態(tài)液化

基于動(dòng)三軸試驗(yàn)得到的飽和黃土動(dòng)應(yīng)力σd與動(dòng)應(yīng)變εd滯回曲線如圖5所示。由圖5可知,在各動(dòng)應(yīng)力條件下,循環(huán)動(dòng)荷載作用初期,飽和黃土的動(dòng)應(yīng)變增長緩慢,滯回圈長軸斜率較大,面積較小;動(dòng)應(yīng)變持續(xù)增大,并伴隨產(chǎn)生殘余變形,滯回圈面積也不斷增大;當(dāng)循環(huán)加載達(dá)到一定振次時(shí),動(dòng)殘余變形迅速增大,滯回圈長軸斜率明顯減小,短軸變長,面積增大,并出現(xiàn)動(dòng)應(yīng)力衰減,說明土體殘余強(qiáng)度逐漸降低,產(chǎn)生動(dòng)態(tài)液化。

圖5 動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between dynamic stress and dynamic strain

此外,不同動(dòng)應(yīng)力條件下,其σd-εd曲線形態(tài)具有較大差異。動(dòng)應(yīng)力σd越大,飽和黃土的滯回圈高度、寬度、開口越大,滯回圈面積也越大,說明每個(gè)荷載循環(huán)中的能量耗散越多,其內(nèi)部損傷累積越大,越容易發(fā)生動(dòng)態(tài)液化破壞。

根據(jù)動(dòng)三軸試驗(yàn)記錄的孔隙水壓力結(jié)果,通過歸一化處理計(jì)算得到動(dòng)孔隙水壓力比ud/σ′0(動(dòng)孔隙水壓力ud與有效圍壓σ′0的比值),繪制飽和黃土動(dòng)孔隙水壓力比ud/σ′0與軸向動(dòng)應(yīng)變εd關(guān)系曲線,如圖6所示。

圖6 動(dòng)孔隙水壓力比與動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between dynamic pore water pressure ratio and dynamic strain

由圖6可知,在循環(huán)動(dòng)荷載作用初期,因飽和而處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的土骨架由于振動(dòng)作用再次變形,使得大顆粒互相靠攏,部分小顆粒與團(tuán)粒填充大、中孔隙,孔隙比減小,動(dòng)孔隙水壓力急劇上升。隨著孔壁上具有隔水及膠結(jié)作用的可溶鹽的進(jìn)一步溶解,原有的部分封閉孔隙打開,進(jìn)而使孔隙擴(kuò)展、互通,甚至出現(xiàn)貫通通道[18],一定程度上使原先充水的孔隙中累積的動(dòng)孔隙水壓力得到消散。與此同時(shí),動(dòng)殘余變形因微結(jié)構(gòu)的破壞而充分增長。隨著循環(huán)動(dòng)荷載的持續(xù)作用,相鄰貫通通道間的薄壁結(jié)構(gòu)因動(dòng)孔隙水壓力的作用而破壞,有效應(yīng)力迅速降低,動(dòng)殘余變形急劇增長,最終土體因殘余強(qiáng)度無法抵御循環(huán)動(dòng)荷載作用而發(fā)生動(dòng)態(tài)液化。

2.2 靜態(tài)液化

基于靜三軸試驗(yàn)得到的飽和原狀黃土偏應(yīng)力q與軸向應(yīng)變ε關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知,不同圍壓條件下,飽和黃土的q-ε曲線均表現(xiàn)出弱硬化型特征,變化趨勢大致分為三個(gè)階段:初始階段(0%<ε<1%),軸向變形開始發(fā)展且q-ε曲線斜率較大;平緩階段(1%<ε<6%),軸向變形緩慢遞增,q-ε曲線斜率較小;穩(wěn)定階段(ε>6%),偏應(yīng)力q隨軸向應(yīng)變ε的增加而趨于穩(wěn)定。這是由于在單調(diào)靜荷載作用下,飽和黃土孔壁坍塌,孔隙收縮,導(dǎo)致偏應(yīng)力q隨軸向變形的發(fā)展而緩慢增大,當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度后,土顆粒重新排列,內(nèi)部應(yīng)力重分布逐漸均勻,使得q-ε曲線趨于穩(wěn)定。

圖7 偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between deviator stress and axial strain

根據(jù)靜三軸試驗(yàn)記錄的孔隙水壓力結(jié)果,計(jì)算得出飽和黃土孔隙水壓力比u/σ′0,繪制其與軸向應(yīng)變ε的關(guān)系曲線,如圖8所示。

圖8 孔隙水壓力比與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between pore water pressure ratio and axial strain

由圖8可知,在不同圍壓條件下,孔隙水壓力比u/σ′0均在軸向應(yīng)變ε增長的初期呈近似線性增長,軸向應(yīng)變ε>10%之后增長速度逐漸放緩。這是由于靜荷載作用下,土體內(nèi)的架空孔隙首先被破壞,顆粒發(fā)生重組,使得在變形初期孔隙水壓力的增長作用和消散作用處于相對平衡的狀態(tài);荷載作用后期,由于細(xì)小顆粒充填導(dǎo)致孔隙水壓力傳遞通道受阻,且土體在較大變形時(shí),原有的部分封閉孔隙受逐漸增大的荷載作用,孔壁破壞,使得其被孔隙水充填,一定程度上加劇了孔隙水壓力的消散作用。

根據(jù)圖6、圖8可知,在相同應(yīng)變的條件下,動(dòng)態(tài)液化的孔隙水壓力比遠(yuǎn)大于靜態(tài)液化的孔隙水壓力比,這是由于動(dòng)荷載作用下,土體中首先會產(chǎn)生彈性孔隙水壓力,有效應(yīng)力的降低使得土骨架相對于靜力條件下存在更大的變形勢;同時(shí),循環(huán)荷載作用時(shí),構(gòu)成土骨架的顆粒重組,但其過程不僅包含架空孔隙的坍塌,而且包含顆粒-孔隙結(jié)構(gòu)體系在動(dòng)荷載作用下的不斷調(diào)整,以達(dá)到一定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。而靜荷載作用下,土骨架的破壞將首先發(fā)生在薄弱部位,即初始階段土的變形主要來源于架空孔隙坍塌導(dǎo)致的顆粒重組;因此,相同應(yīng)變狀態(tài)下,循環(huán)動(dòng)荷載作用時(shí)的孔隙水壓力比較大。此外,土體的液化過程中孔隙水壓力的增長伴隨著累積孔隙水壓力的增加和孔隙結(jié)構(gòu)變化對孔隙水壓力的消散,其具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。相對于靜態(tài)液化,動(dòng)態(tài)液化達(dá)到一定應(yīng)變所需時(shí)間較短,孔隙水壓力消散較少,因此其孔隙水壓力比相對較大。

2.3 液化前后的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征

放大倍數(shù)為200倍的SEM圖像可以較為清晰地觀察到土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的總體情況,因此首先選擇其來定性分析,如圖9所示。圖中紅色線條示意孔隙邊界,黃色線條示意團(tuán)粒邊界。

圖9 原狀黃土液化前后的細(xì)觀結(jié)構(gòu)Fig.9 Mesostructure of undisturbed loess before and after liquefaction

按照與孔隙等面積圓半徑R的大小,將黃土中的孔隙分為四類:當(dāng)R<0.001 mm時(shí),稱其為微孔隙;當(dāng)0.001 mm≤R<0.004 mm時(shí),稱其為小孔隙;當(dāng)0.004 mm≤R<0.016 mm時(shí),稱其為中孔隙;當(dāng)R<0.016 mm時(shí),稱其為大孔隙[24]。

由圖9可知,原狀黃土結(jié)構(gòu)均勻,顆粒邊界清晰,顆粒間連接以鑲嵌搭接為主,且分布有團(tuán)粒,孔隙數(shù)量不多,但孔隙邊緣相對光滑,互相獨(dú)立;動(dòng)態(tài)液化后黃土結(jié)構(gòu)破碎,顆粒邊界模糊,孔隙數(shù)量有所增加,孔隙邊緣變得不規(guī)則且多棱角,且形成了貫通通道[18],其形狀為長條狀,但走向不明顯;靜態(tài)液化后黃土結(jié)構(gòu)破碎,顆粒邊界更加模糊,大孔隙數(shù)量增加,孔隙形狀各異。

為進(jìn)一步分析動(dòng)、靜態(tài)液化后原狀黃土孔隙細(xì)觀特征差異,采用南京大學(xué)劉春等[25]開發(fā)的PCAS孔隙圖像識別與分析系統(tǒng)對SEM圖像進(jìn)行處理。為保證獲取足夠的信息量并使照片處理結(jié)果較為準(zhǔn)確,選擇8～10張放大倍數(shù)為500倍的SEM圖像,提取并計(jì)算表觀孔隙比、孔隙度分維值、概率熵與孔隙分形維數(shù)等細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù),去除最大值和最小值后取平均值,所得結(jié)果如表2所列。

表2 液化前后飽和黃土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)

表觀孔隙比是指SEM圖像中的孔隙與顆粒的面積之比,可以間接反映土體三維空間孔隙比的變化[26]。由表2可知,飽和黃土動(dòng)態(tài)液化與靜態(tài)液化后的表觀孔隙比均有明顯增加,前者小于后者。結(jié)合圖9可知,外荷載作用破壞了土體中原有的孔隙結(jié)構(gòu),部分孔隙受孔隙水壓力的作用不斷擴(kuò)展并互相連通形成壓力傳遞通道,從而使得土體的大孔隙數(shù)量增多,表現(xiàn)為表觀孔隙面積有所增加;然而,靜態(tài)液化后黃土形成了數(shù)量眾多、形狀各異的大孔隙,從而導(dǎo)致靜態(tài)液化后飽和黃土的表觀孔隙面積變得更大。

孔隙度分維值基于分形理論,是描述土體孔隙尺度分布的定量評價(jià)指標(biāo)[27]?？紫抖确志S值越大,說明孔隙尺寸相差越大,孔隙的均一性越差。由表2可知,飽和黃土動(dòng)態(tài)液化與靜態(tài)液化后的孔隙度分維值均有所增加,前者小于后者。結(jié)合圖9可知,外荷載作用破壞了土骨架,微孔隙與小孔隙連通,從而使得土體的大、中孔隙的數(shù)量增多,導(dǎo)致孔隙尺寸差別有所增大;然而,在靜態(tài)液化的破壞過程中,部分大、中孔隙又被落入其中的細(xì)小顆粒充填,加大了孔隙尺寸差別,從而導(dǎo)致靜態(tài)液化后飽和黃土的孔隙均一性變得更差。

概率熵是反映結(jié)構(gòu)單元體有序性的物理量,可以描述黃土孔隙的整體排列狀況[28]。概率熵值越小,說明孔隙排列越規(guī)則,有序性越高。由表2可知,飽和黃土動(dòng)態(tài)液化與靜態(tài)液化后的概率熵均有所增加,前者大于后者。結(jié)合圖9可知,外荷載打亂了土體中原有孔隙的有序排列,導(dǎo)致概率熵增大;然而,相對靜態(tài)液化而言,動(dòng)態(tài)液化的破壞過程更加迅速,孔隙沒有時(shí)間重新排列規(guī)則,從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)液化后飽和黃土的孔隙排列變得更無序。

孔隙分形維數(shù)是反映孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的定量參數(shù)[29]。孔隙分形維數(shù)越大,說明孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,孔隙的空間形貌特征偏離光滑表面的程度越遠(yuǎn)。由表2可知,飽和黃土動(dòng)態(tài)液化的孔隙分形維數(shù)有所增加,靜態(tài)液化后的孔隙分形維數(shù)變化較小。結(jié)合圖9可知,動(dòng)態(tài)液化后黃土形成了數(shù)量多、形狀不規(guī)則的孔隙與長條狀、走向不明顯的貫通通道,從而使得其孔隙結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜。

3 液化機(jī)理差異性探討

基于動(dòng)態(tài)液化和靜態(tài)液化分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)荷載類型對液化過程中的力學(xué)特征和結(jié)構(gòu)特征具有顯著影響,其液化機(jī)理也具有明顯差異。飽和黃土動(dòng)態(tài)液化的機(jī)理是循環(huán)動(dòng)荷載作用下土骨架發(fā)生破壞,孔隙發(fā)生變形,從而導(dǎo)致孔隙水壓力上升,直至土體因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無法抵御循環(huán)動(dòng)荷載作用而呈現(xiàn)出以流滑[30]為特征的液化破壞。飽和黃土靜態(tài)液化的機(jī)理是單調(diào)靜荷載作用下土體內(nèi)的架空孔隙發(fā)生破壞,落入孔隙中的土顆粒重新排列、組合,孔隙水壓力逐漸增加直至液化破壞。

在原狀黃土的沉積過程中,由于物理化學(xué)因素,促使其顆粒接觸處產(chǎn)生了固化聯(lián)結(jié)鍵[31],該聯(lián)結(jié)鍵使土骨架具有一定的結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度,而這種連接強(qiáng)度的形成又阻礙了它的正常壓密,所以原狀黃土具有較高的孔隙比[16]。黃土的強(qiáng)度主要由顆粒膠結(jié)物質(zhì)決定,且其膠結(jié)物質(zhì)以黏土礦物(其中伊利石占62%)與CaCO3為主,其次是其他水溶鹽與腐殖質(zhì)等[31]。飽和后,由于膠結(jié)物質(zhì)中的易溶鹽NaCl、KCl、Na2SO4、NaCO3部分溶解[15]與顆粒周圍水膜吸附,使得土體中的雙電層變厚,導(dǎo)致黏聚力減小;另一方面,由于土體中的部分架空孔隙解構(gòu),使得孔隙周圍的顆粒重新排列,且顆粒間的潤滑作用因浸水而增強(qiáng),在一定程度導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減小,最終使得土體的強(qiáng)度降低。盡管飽和后土體的強(qiáng)度有所降低,但浸水變形穩(wěn)定后的飽和黃土仍保留了大部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,土骨架處于亞穩(wěn)定狀態(tài)[18]。

飽和黃土動(dòng)、靜態(tài)液化均伴隨著孔隙水壓力的變化,而孔隙水壓力的變化與土骨架及孔隙變化有關(guān),因此可從細(xì)觀結(jié)構(gòu)的角度比較兩種液化機(jī)理的差異性。在軸向應(yīng)變增長的初期,動(dòng)態(tài)液化的孔隙水壓力增長速度比靜態(tài)液化的孔隙水壓力增長速度要快。這是由于循環(huán)動(dòng)荷載作用下,土骨架因顆粒位移、重排而出現(xiàn)破壞,部分小顆粒與團(tuán)粒填充大、中孔隙,孔隙比減小,土體中產(chǎn)生彈性動(dòng)孔隙水壓力;而在單調(diào)靜荷載作用下,土骨架薄弱部位即架空孔隙結(jié)構(gòu)首先因孔壁坍塌而被壓縮,顆粒重新排列、組合,此時(shí)孔隙水壓力此消彼長,處于相對平衡的狀態(tài)。

在軸向應(yīng)變增長的中期,動(dòng)態(tài)液化的孔隙水壓力增長速度比靜態(tài)液化的孔隙水壓力增長速度要慢。這是由于循環(huán)動(dòng)荷載作用下,構(gòu)成土骨架的顆粒重新排列、組合,同時(shí)封閉孔隙因膠結(jié)物質(zhì)和隔水物質(zhì)部分溶解[15]而被打開并浸水,大、中孔隙擴(kuò)展、互通,甚至出現(xiàn)貫通通道,孔隙比增大,此時(shí)動(dòng)孔隙水壓力的增長作用和消散作用處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài);這與王謙[18]觀察到的動(dòng)態(tài)液化現(xiàn)象一致。而在單調(diào)靜荷載作用下,由于落入原有孔隙內(nèi)的細(xì)小顆粒充填孔隙,孔隙比減小,此時(shí)動(dòng)孔隙水壓力的增長作用略大于消散作用,從而使得孔隙水壓力增長速度有所變緩。

在軸向應(yīng)變增長的后期,動(dòng)態(tài)液化的孔隙水壓力增長速度再次變快,遠(yuǎn)超過靜態(tài)液化的孔隙水壓力的增長速度。這是由于持續(xù)的循環(huán)動(dòng)荷載作用使得動(dòng)孔隙水壓力的累積作用遠(yuǎn)大于消散作用;而隨著單調(diào)靜荷載的逐漸增大,土體中的封閉孔隙逐漸被打開,孔隙比增大,從而使得孔隙水壓力的消散作用在一定程度上加劇了。

4 結(jié)論

在對飽和黃土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)、靜三軸試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分析飽和黃土動(dòng)態(tài)液化和靜態(tài)液化機(jī)理的差異性,得出以下主要結(jié)論:

(1) 在循環(huán)動(dòng)荷載作用下,土骨架發(fā)生破壞,孔隙發(fā)生變形,從而導(dǎo)致孔隙水壓力上升,直至土體因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無法抵御循環(huán)動(dòng)荷載作用而呈現(xiàn)出以流滑為特征的動(dòng)態(tài)液化;而在單調(diào)靜荷載作用下,土體內(nèi)的架空孔隙逐漸被壓縮,落入孔隙中的土顆粒重新排列、組合,孔隙水壓力逐漸增加直至液化破壞。

(2) 與靜態(tài)液化相比,動(dòng)態(tài)液化后飽和黃土的表觀孔隙面積更小,孔隙均一性更好,孔隙排列更無序,孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

(3) 兩種液化機(jī)理的差異性主要表現(xiàn)在加載導(dǎo)致的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化過程差異引起的孔隙水壓力增長模式不同。與靜態(tài)液化相比,動(dòng)態(tài)液化的孔隙水壓力增長速度在軸向應(yīng)變增長初期更快,在軸向應(yīng)變增長中期更慢,在軸向應(yīng)變增長后期再次變快,遠(yuǎn)超過靜態(tài)液化的孔隙水壓力的增長速度。原狀黃土結(jié)構(gòu)均勻,孔隙數(shù)量不多,但液化后結(jié)構(gòu)破碎,且動(dòng)態(tài)液化后形成了長條狀貫通通道,靜態(tài)液化后形成了許多形狀各異的大孔隙。