飽和黃土液化判別方法的兩點發現

董 林， 王蘭民， 夏 坤

(1.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國地震局(甘肅省) 黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

(1.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國地震局(甘肅省) 黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

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飽和黃土液化判別方法的兩點發現

董 林1，2， 王蘭民1，2， 夏 坤2

(1.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國地震局(甘肅省) 黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

(1.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國地震局(甘肅省) 黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

黃土液化實例多與現有可液化土地質年代規定不符。采用動三軸彎曲元試驗設備對原狀黃土飽和過程進行剪切波速跟蹤測試，發現黃土浸水、結構先破壞再固結形成新的穩定結構的特點，證明經歷過飽和的黃土已不能再視其為飽和前的地質年代。蘭州馬蘭黃土中的黏粒有些是以黏土團塊的形式存在，而黏土團塊并不影響其他部分粉質土的液化，因此對于此類土應用黏粒含量進行液化判別時，應考慮將黏土團塊不計入黏粒含量。

黃土； 液化； 地層年代； 剪切波速； 黏粒含量

0 引言

黃土液化的判別是工程界長期存疑的問題，《建筑抗震設計規范》GB50011-2010[1]在飽和砂土、粉土液化判別條款中明確指出不含黃土。其中，關于地質年代初判準則，黃土與砂土、粉土差別最顯著。《建筑抗震設計規范》規定砂土、粉土地質年代為第四紀晚更新世(Q3)及其以前，Ⅶ、Ⅷ度時可判為不液化。而無論震害實例還是室內試驗都表明，Q3黃土也具有很大的液化勢和流態破壞勢[2-5]。如1989年前蘇聯塔吉克5.5級地震在半干旱的緩斜坡丘陵地形地貌下近乎平坦的風成黃土層中觸發了廣泛的液化，并形成大規模泥流，向前流滑了2.0 km，致使100多棟房屋埋在5 m 厚的泥中，200人喪生或失蹤。Ishihara K等[6]調查分析后認為，液化的發生是由于農業灌溉水濕化了7～17 m范圍多孔隙風成黃土層(Q3)。1920年中國海原8.5級地震時，石碑塬11～25 m深范圍內砂質黃土層(Q3)由于地下水大幅度上升而引起液化，上覆土體沿緩斜坡坡降方向向前滑移了1.5 km[3]。

在上述液化實例中，液化層為干旱地區Q3風成黃土層，由于經歷了農業灌溉或地下水大幅上升，遇地震而液化。而由于黃土獨特的多孔隙、弱膠結的結構性和水敏性，飽和過程對其結構性的影響可能很大，也就是說經歷了飽和過程的Q3黃土或許已不能再視為形成于第四紀晚更新世(Q3)。本文以動三軸彎曲元試驗設備對原狀黃土飽和過程剪切波速進行跟蹤測試，試圖查明飽和過程對黃土結構性的影響。

另外，高國瑞[7]發現蘭州馬蘭黃土黏粒含量平均在20%，最高達到30%，但濕陷仍甚為強烈。進一步的研究表明蘭州黃土中的黏粒表面活性為鈣離子和微晶體碳酸鈣所控制，普遍凝聚成集粒的結果[8]。筆者在長期從事黃土探井取樣及試驗切削土樣過程中，也發現黃土中有些黏粒是以黏土團塊的形式存在，而黏土團塊并不影響土體骨架。由于黏粒含量在黃土液化初判及詳判中都極為重要[9]，因此對于該現象應引起足夠的重視。

1 試驗儀器及試樣

1.1 試驗儀器

本研究試驗儀器為中國地震局工程力學研究所新近購置的英國GDS公司動三軸試驗系統DYNTTS，試樣底座和頂帽配備了壓電陶瓷彎曲元，接、發彎曲元懸臂一端入土長度均為2 mm，試驗儀器如圖1、2所示。相關彎曲元測試原理及剪切波形初至的判斷方法參見文獻[10-12]，這里不再贅述。

1.2 試樣

蘭州馬蘭黃土(Q3)屬干燥環境下的風力沉積物，地質年代介于1×104～10×104a，最大沉積厚度逾35 m。試驗用土取自蘭州市寺兒溝、桃樹坪小學及連搭鄉場地，共計三組原狀黃土試樣。各試樣取土深度及相應物性指標如表1所列。

圖1 動三軸試驗系統DYNTTSFig.1 Dynamic triaxial test system DYNTTS

圖2 GDS彎曲元Fig.2 GDS bender elements

2 黃土飽和過程剪切波速跟蹤測試

針對1.2節三組原狀黃土制作直徑50 mm、長100 mm試樣，以脫氣水水位差循環滲流方法[2-3]進行飽和。具體步驟為：試樣裝樣、合軸、壓力室注水之后測試試樣初始狀態剪切波速，然后對試樣施加20 kPa圍壓，通過1.1～1.2 m的水頭使脫氣水從試樣底部進入，并使空氣從試樣頂部排出，飽和過程采用彎曲元設備連續測試剪切波速。圖3為試樣LZ1-6彎曲元測試剪切波形與波速結果，圖4為三組試樣跟蹤測試結果。

表 1 原狀黃土的物性指標

圖3 彎曲元試驗的波形與波速結果Fig.3 Shear wave forms and velocities in bender element tests

圖4 原狀黃土飽和過程剪切波速跟蹤測試結果Fig.4 Shear wave velocity test results of intact loess during saturation

用剪切波速表征土體結構性有其優越性和合理性[12]。從圖3～4可見，原狀黃土試樣通水飽和，試樣剪切波速在初始10～20 min內急劇下降，反映了黃土水敏性的特性；而當試樣基本飽和之后，在20 kPa圍壓下重新固結，剪切波速甚至得到適當提高(LZ1-6、LZ6-6)，反映了黃土遇水結構破壞到再固結的特性。試樣LZ4-6無剪切波速下降后再提升的階段，由表1可知其干密度為1.29 g/cm3，非常小，這反映了黃土干密度對其水敏性強弱的影響。而不管其干密度大小，三組試樣剪切波速最終都達到一個穩定的狀態，證明黃土遇水、結構先破壞再固結形成新的穩定的結構。

在《建筑抗震設計規范》GB50011-2010修訂說明中提及，規范地質年代液化初判準則被多次指出在黃土地區的歷史地震黃土液化實例中不適用。究其原因，可能是概念理解上的差異。正如引言中所述的黃土液化實例，地質年代為Q3的風成黃土在經歷了地下水位上升或農業灌溉之后才會液化，但經歷過浸水的Q3風成黃土，由圖4可知，其結構已產生顯著的變化，不能再簡單視其為形成于晚更新世(Q3)時代。

3 黃土中黏粒賦存形式

正如引言中所述，黃土中黏粒賦存形式復雜。筆者在長期從事黃土探井取樣及實驗室黃土試樣制備的過程中，發現黃土中有些黏粒是以黏土團塊的形式存在(圖5)。

圖5 原狀黃土中的黏土團塊Fig.5 Clay lumps in intact loess specimens

《建筑抗震設計規范》GB50011-2010規定粉土的黏粒含量百分率，Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度分別不小于10、13和16時，可判為不液化土[1]。王蘭民等[9]則針對黃土提出相應烈度下黏粒含量界限為12、15和18，且在液化判別式中，還要考慮黏粒含量對土體標貫擊數及抗液化強度的影響。而對于圖5中黏粒賦存的形式，黏土團塊并不影響土體其他部分粉質黃土的液化。因此，考慮該土樣的黏粒含量應用于液化判別，應不計入黏土團塊中的黏粒部分。相應的，自然界中土體成因復雜，并不排除其他地區粉土、砂土中黏粒以相同的形式存在，這就要求廣大工程技術人員在應用土體黏粒含量指標時，對黏粒賦存形式給予一定的重視。

4 結語與建議

本文以動三軸彎曲元試驗設備對原狀黃土飽和過程剪切波速進行跟蹤測試，并對黃土中黏粒賦存形式進行討論，得出如下結論：

(1) 原狀黃土通水飽和，試樣剪切波速在通水之后急劇下降，反映了黃土水敏性的特性。而當試樣基本飽和之后，在20 kPa圍壓下重新固結，試樣剪切波速最終達到一個穩定的狀態，證明黃土遇水后結構先破壞、再固結形成新的穩定的結構。

(2) 歷史地震中地質年代為Q3的風成黃土在經歷了地下水位上升或農業灌溉之后才會液化，經歷過飽和的Q3風成黃土，不能再視其為形成于飽和前的地質年代。

(3) 黃土中有些黏粒是以黏土團塊的形式出現，對于該種土的黏粒含量應用于液化判別，應不計入黏土團塊中的黏粒部分。相應的，其他地區的粉土，也應區別其黏粒賦存形式。

References)

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GB50011-2010,Code for Seismic Design of Buildings[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2010.(in Chinese)

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WANG Lan-min,LIU Hong-mei,LI Lan,et al.Laboratory Study on the Mechanism and Beheviors of Saturated Loess Liquefaction[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2000,22(1)：89-94.(in Chinese)

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DENG Jin,WANG Lan-min,CHENG Ju-hong,et al.Analysis of Modification Technique for Reducing Loess Liquefaction Potential[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(4)：820-823.(in Chinese)

[6] Ishihara K,Okusa S, Oyagi N,et al. Lequefaction Introduced Flow Slide in the Collapsive Loess Deposit in Soviet Tajik[J].Soils and Foundations,1990,30(4):73-89.

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WANG Lan-min,YUAN Zhong-xia,WANG Guo-lie.Study on Method for Preliminary and Detailed Evaluation on Liquefaction of Loess Sites[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(1)：1-8.(in Chinese)

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ZHOU Yan-guo.Shear Wave Velocity-based Characterization of Soil Structure and Its Effects on Dynamic Behavior[D].Hangzhou:Zhejiang University,2007.(in Chinese)

Two Discoveries in the Liquefaction Evaluation Method of Saturated Loess

DONG Lin1,2, WANG Lan-min1,2, XIA Kun2

(1.InstituteofEngineeringMechanics,ChinaEarthquakeAdministration,Harbin150080,Heilongjiang,China;2.KeyLaboratoryofLoessEarthquakeEngineering,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,Gansu,China)

According to the seismic design code for buildings in China, the soil formed during or before the late Pleistocene will not be liquefied. However, case histories and laboratory test results show that the saturated late Pleistocene loess is potentially vulnerable to liquefaction. Using a cyclic triaxial apparatus with a bender element system, the shear wave velocities of undisturbed loess are tested continuously during sample saturation. The test results indicate that the shear wave velocity of loess in the saturation process is rapidly reduced in the first 10～20 min, and then, it becomes stable. Shear wave velocity is a parameter that accounts for the small strain shear stiffness of soil, which accurately characterizes soil structure. The rapid reduction of shear wave velocity indicates that the microstructure of the loess is destroyed by the sample saturation process. The stable shear wave velocity indicates that the saturated loess has a new stable microstructure. The above analysis proves that the saturated loess is different from the loess before saturation. Indeed, only loess that has been subjected to agricultural irrigation or groundwater rise is liquefied. Because the structure of the saturated loess differs from that of the original loess, different seismic design regulations should be applied as well. Therefore, the seismic design code for buildings in China should be adapted to consider the level of saturation of the loess in addition to its age. Furthermore, the saturated loess is no longer the late Pleistocene loess, and the geological age of liquefied loess may be consistent with seismic design code of buildings in China. We observed that clay particles exist in some loess as clay lumps, and clay lumps do not affect the liquefaction of other silty parts of the soil. However, in the clay content test, if the soil sample contains clay lumps, the clay content test result will be comparatively high and inconsistent with the static and dynamic mechanical behavior of the soil. Consequently, clay lumps should be removed from the clay content test sample, and then, the remaining clay content should be used to evaluate the soil’s liquefaction potential.

loess; liquefaction; stratigraphic chronology; shear wave velocity; clay particle content

2015-10-10

中國地震局地震預測研究所基本科研業務專項 (2013IESLZ03)；國家科技部地震行業專項(201308015)

董 林(1985-)，男，安徽人，博士研究生，助理研究員，主要從事巖土地震工程研究。E-mail:donglin408@163.com。

P315.2

A

1000-0844(2016)05-0770-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.05.0770