飽和黃土液化標準的試驗研究

孫海妹，王蘭民，王 平，劉紅玫

（1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國地震局黃土地震工程開放實驗室，甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省巖土防災工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730000；4.蘭州大學，甘肅 蘭州 730000)

0 前言

統計資料表明，西安、太原、蘭州等黃土地區城市近年來地下水位都已普遍回升。盡管黃土物理性質與黏土有相似之處，但由于獨特的大孔隙結構和弱膠結特征，它有其自身的特點，不應與一般黏性土相混淆。在一定條件下，半干旱氣候條件下風成黃土具有較大的液化勢。1920年寧夏海原的8.5級大地震以及1989年塔吉克發生的5.5級地震，均在黃土層中觸發了廣泛的液化，造成嚴重破壞[1]。黃土液化已造成的災害、性質的不同和范圍的擴大都說明將飽和黃土與一般性黃土以及飽和黏土進行區別，單獨對其進行深入研究的必要性和緊迫性。盡管黃土在水和地震作用下孔隙水壓力的發展有時不能達到有效固結圍壓，而是產生較大的變形，但是其液化后較低的抗剪強度和大變形對結構物、生命線工程安全有著較大的影響。因此，研究黃土地震液化中的變形規律對于分析液化的危害性極為重要。

Prakash 和Puri (1982)[2]指出，美國黃土狀粉土中的黏土成份延緩了孔壓的發展過程，在所有的試驗中，10%的軸應變多發生于“初始液化”前。Ishihara （1990）[3]針對由1989年塔吉克5.5級地震觸發的黃土滑坡現象，指出半干旱地區的風成黃土層也會液化，深達15m的農業灌溉造成土層的不穩定。高含水量黃土的塑性降低，黃土的殘余強度降低到2-15kPa是這種現象發生的兩個根本原因。國內也對飽和黃土的液化現象進行了眾多研究[4-8]。

前人在飽和黃土振動液化的研究中，對孔隙水壓力的上升給予了較大興趣，建立了眾多的孔壓模型[7-9]。由于孔壓上升所受到的影響因素較多，飽和黃土的孔壓上升過程一直未能得出統一的認識，孔壓能否上升達到有效固結圍壓一直是一個爭執的焦點，而在孔壓上升過程中產生較大的變形以及變形和孔壓的關系得到了公認。本文主要從試驗角度研究不排水情況下，對飽和黃土在荷載振動作用下應變的變化規律，以及應變和孔壓的相互關系進行分析，提出黃土液化標準，為工程抗震和震害預防提供理論依據。

1 試驗基本情況

本文的試驗是以英國WF公司生產的空心圓柱扭剪儀的動三軸試驗系統為試驗平臺進行的蘭州原狀黃土飽和、液化試驗。該儀器通過伺服控制將氣壓轉為水壓，對試樣施加壓力。豎向荷載采用氣動作動器施加；圍壓及反壓均通過氣轉水系統施加。試驗過程完全通過計算機軟件來控制和設計；試驗數據數字化，并且試驗軟件可以進行基本的數據處理和圖形顯示以及向其它軟件如Excel輸出數據。

試驗采用蘭州榆中縣一個工程場地的原狀黃土，該場地地層主要為黃土狀粉土。土樣的物性指標、粒徑分布如表1所示。試驗用的試樣尺寸為50（直徑）×100（高度）mm。試樣采用反壓飽和法進行飽和，使用該法可在 2—3小時內使土樣達到完全飽和，即飽和度達到95%以上[10-15]。試驗中采用正弦等幅循環荷載，頻率為1Hz。

表1 試驗所用黃土的物性指標

2 試驗成果及分析

2.1 均壓固結下的孔壓、應變特性

本組試驗是將原狀黃土試樣飽和、均壓固結后，施加不同大小的循環荷載進行液化破壞試驗。圖1所列試驗的固結圍壓130 kPa，動荷載 25 kPa，循環應力比為0.1。

圖1為動荷載作用下軸應變和孔壓時程曲線。從圖1可以看出，在加荷的前幾周，振動孔壓平緩增加，約在第10振次時振動孔壓快速增加。當應變小于 2%時,孔壓和應變增長緩慢；應變大于 2%后,孔壓和應變增長加快；當應變達到 3%時,孔壓在一個周期內的波動增大，即孔壓的峰值在增加，但其谷值在下降；當應變大于3%后, 一個周期內的孔壓波動達到了90 kpa，孔壓持續上升直至達到有效圍壓，即 3%應變發生在初始液化前。在“初始液化”前，土樣由于應變太大而破壞。

圖1 動荷載下軸應變和孔壓時程圖Fig.1 The history of axial strain and pore pressure in loading.

圖2為軸向應變與孔隙水壓關系曲線。從圖中可看出，振動的初始階段軸向應變的峰值與孔隙壓力的峰值相對應。到振動后期，兩者的峰值不再對應，即當應變達到峰值時，孔隙水壓沒有達到最大值。在曲線的初始，小軸向應變增長對應著大幅增加的孔隙水壓；而在曲線的后期，應變大幅增加，孔壓變化相對不大。這說明前期與后期的軸向應變引起的體應變不同，開始階段的軸向應變與塑性體應變緊密聯系，導致較大的孔隙水壓力增幅，而后期的軸向應變主要是由于某一區域液化而產生的剪切破壞變形，此時，試件的塑性體應變增加并不多，因此，孔隙水壓力變化不大[16]。

試驗表明，蘭州黃土的軸向應變與孔隙水壓力存在一定的對應關系，在一個動荷循環內，軸向應變的變化影響到孔隙水壓力的變化。當應變小于2%時，孔壓和應變增長緩慢。這說明，在應變小于2%時，黃土的結構相對穩定，孔壓可以持續上升。應變達到 2%后，孔壓相對穩定后繼續上升；當應變大于3%以后，孔壓可能上升到有效圍壓，即3%應變通常出現在孔壓達到有效圍壓之前，但由于試樣的軸向應變太大多會造成試樣在“初始液化”前破壞，一般很難觀察到飽和黃土在動荷載作用下的“初始液化”現象。

圖2 動荷載下孔壓和應變的關系Fig.2 Relationship between pore pressure and axial strain in loading.

圖3 荷載和應變的滯回圈Fig.3 The hysterisis loop of load and axial strain.

原狀黃土試樣在動荷載作用下的應力一應變關系有兩個特點：一是非線性，二是滯后性。從圖3可看出：在初始振動階段，滯回圈呈不規則橢圓形。隨著振動次數的增加，滯回圈明顯變大，拉應變的幅值大幅增加，壓應變的幅值變化較小，同時相鄰振次之間的滯回圈差異逐步變大，說明出現了殘余的塑性應變，土樣已進入黏塑性階段。隨著振動次數的進一步增加，應變的增幅繼續增大直至達到破壞。滯回圈的形狀較初始階段發生了明顯的變化，即滯回圈不再是橢圓形，在軸向力為0處，應變出現了較大的突變，說明黃土在高應變處結構不穩定。雖然本試驗中軸向應變并沒有達到傳統意義上的液化標準——應變達5.0%，但我們觀察到，應變達到 3%后，在荷載和孔壓變化不大的情況下，軸應變繼續增加。直至在軸應變變化不大的情況下，荷載消減為0。

從試驗結果得出結論，均壓固結條件下，飽和原狀黃土在應力控制循環荷載作用下，飽和黃土孔壓和應變發展特點為：加荷初始階段就能顯示出明顯的孔壓和應變變化，且它們是隨振次的增加而逐漸增大的，而不是象飽和松砂那樣，在接近破壞時出現孔壓陡增或應變突然變大的散體結構崩潰式的液化現象。在某一振次時，黃土試樣中可能會出現殘余孔壓等于初始有效固結圍壓的“初始液化”現象。之后，產生“循環活動性”。也有可能在殘余孔壓等于初始有效固結圍壓前，由于應變太大導致試樣破壞。土體的軟化程度越大，剛度下降越大，雙幅應變值越大，因此可用雙幅應變的發展來間接反映土體的軟化。3%應變一定出現在初始液化前。應變大于 3%之后，一個周期內的孔壓波動出現明顯增加，試樣的軸向應變大幅增加，以致在孔壓未能達到有效圍壓的情況下，就造成試樣破壞。

黃土振動孔壓波動要比砂土振動孔壓波動大，在 3%軸應變前后，一個周期內的孔壓波動一般能超過1/4有效圍壓。對于黃土，在加荷過程中當試樣受拉時，試樣內可能出現負孔壓(即靜、動孔壓之和小于靜孔壓)，這可能是土層結構性的影響。

2.2 偏壓固結條件下的孔壓、應變特性

圖4是固結有效圍壓130kPa，固結比1.2時孔壓和軸應變的時程曲線。從圖中看出，偏壓固結下，循環荷載作用下的孔壓上升曲線和均壓固結下的孔壓上升曲線形態近似，在初始階段都是勻速上升，隨后上升速率加快。和均壓固結條件下不同的是，偏壓固結下的孔壓最大值達不到有效圍壓。本試驗的孔壓值在290周期時為最大，為124kPa，是有效圍壓的95%，而此時的軸向變形約為28%，土樣已經破壞。軸應變在263周期時達到3%，隨后在孔壓上升較慢的情況下，殘余應變由于微結構破壞而得到充分增長。

圖4 動荷下飽和原狀黃土試樣孔壓和應變的發展Fig.4 Development of pore pressure and axial strain in loading.

試驗結果表明，偏壓固結條件下的飽和原狀黃土試樣在振動破壞過程中，孔壓的最大值不能達到有效圍壓。3%的軸向應變破壞總是出現在孔壓的最大值之前，在達到最大孔壓之前，試樣一般已經破壞。

3 液化破壞標準

研究表明，砂土的100%孔壓比伴隨著大變形，其液化標準是100%孔壓比和10%的應變。而對于黃土來說，在孔壓比達到100%以前，應變已達到相當大的程度造成土樣破壞，100% 的孔壓比很難達到。在地震作用下，黃土的大變形甚至可以在沒有孔壓大幅度增長的情況下發生。或許沒有達到100%的孔壓比，但是由于循環荷載造成土結構的重塑、孔壓的發展，引起剪應力強度降低，造成大變形，引起土樣破壞。因此飽和原狀黃土的液化破壞更多是由它的變形特征來控制，而不是由孔壓發展來控制。在這種情況下，建議用應變的百分比來作為定義液化和動強度喪失的重要指標。

從試驗看出，飽和原狀黃土在應力控制循環荷載作用下，在軸應變達到 3%時，孔壓比的變化范圍可達到 0.2—1.0，孔壓的增長受試驗方法、儀器測量精度影響較大。均壓固結條件下，應變大于3%之后，一個周期內的孔壓波動出現明顯增加，一般能達到1/4有效圍壓。試樣的軸向應變大幅增加，以致在孔壓未能達到有效圍壓的情況下，就造成試樣破壞。偏壓固結條件下，孔壓的最大值不能達到有效圍壓，3%的軸向應變破壞總是出現在孔壓的最大值之前，一個周期內的孔壓波動出現明顯增加，在達到最大孔壓之前，試樣一般已經破壞。

考慮到3%應變一定發生在“初始液化”或“最大孔壓”之前以及軸應變大于3%后，軸應變增長的線性、一個周期內孔壓的大幅波動和孔壓增長的不確定性，我們認為應該以 3%應變作為判定黃土液化的一個重要指標。由于實際場地中的黃土處于偏壓固結狀態，因此以3%軸應變，0.2的孔壓比為液化破壞指標是比較合適的。

圖5是以上述液化破壞標準作出的振次比和應變關系圖。從圖中看出，在 3%應變前，應變的變化趨勢是比較一致的。超過 3%后，應變多呈線性發展，造成土樣破壞。因此，以 3%應變作為液化標準是比較安全的。

4 液化機理討論

原狀黃土應變和孔壓增長規律說明了飽和或近飽和的黃土液化勢是相當大的，且應變、孔壓發展迅速。由于黃土獨特的液化機理，往往震級不大就可以觸發黃土的液化。主要原因試析如下：在固結不排水的動三軸試驗中，黃土獨特的大孔隙結構，較高的孔隙比、粉粒含量、中孔隙含量、含鹽量是其液化的內因，外部條件是施加一定的動荷載。在荷載應力作用下，鹽類物質的溶解和中孔隙結構的迅速破壞，黃土結構連接強度隨循環次數的增加而逐漸喪失，一旦結構連接強度遭到破壞，黃土就顯示出強烈的剪縮特性，在不排水條件下轉化為孔隙水壓力的上升和有效應力的下降[17]。變形進一步增大，孔隙水壓力相應逐步上升，最終出現“初始液化”和“循環活動性”現象。當荷載應力較大時，快速產生較大的應變，孔隙水壓力還來不及發展試樣就產生破壞，因而試樣破壞時的孔壓水平較低；荷載應力較小時，應變逐漸增大過程中試樣結構逐漸遭到破壞，孔壓不斷積累，破壞時就可以達到較高的孔壓水平。因此，在黃土地區黃土體是存在液化的可能性的。

圖5 應變和振次比的關系Fig.5 Relationship between the axial strain and cycles ratios.

5 結語

根據飽和黃土在動荷載振動作用下的液化試驗結果，得出以下結論：

（1）3%軸應變通常出現在“初始液化”前；3%軸應變后，應變大幅增加，孔壓有可能達到初始有效固結圍壓，也有可能在“初始液化”前破壞；3%軸變形是黃土穩定變形和大幅變形的臨界點。

（2）“初始液化”判別標準對于黃土是不可行的。在實際場地，黃土處于偏壓固結狀態，因此以3%軸應變，0.2的孔壓比為液化破壞指標是比較合適的。

（3）在固結不排水的動三軸試驗中，黃土結構連接強度隨循環次數的增加而逐漸喪失，體積收縮，在不排水條件下轉化為孔隙水壓力的上升和有效應力的下降，最終可能出現“初始液化”和“循環活動性”。

目前利用空心圓柱扭剪儀的動三軸功能得到的飽和黃土液化試驗資料較少，所取得的室內初步試驗研究結果，尚有待于進一步深入研究和驗證。

致謝：感謝張振中研究員、王峻高級工程師在試驗過程中的指導和幫助。

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