強震觸發黃土滑坡發生機制試驗

芮雪蓮， 裴向軍， 張曉超

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

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強震觸發黃土滑坡發生機制試驗

芮雪蓮， 裴向軍， 張曉超

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

為了進一步研究不同地震破壞程度后黃土的變形特性及穩態強度，通過MTS土動三軸儀進行了不同圍壓(100、150、200 kPa)、不同動應變(0,1%、2%、3%)條件下的飽和黃土靜力剪切試驗。結果表明：在相同試樣條件下，應力路徑對穩態強度影響極小，不同震動破壞程度的試樣在試驗結束后的殘余強度幾乎相等；黃土液化后的穩態強度隨著初始孔隙比的減小而增加；飽和度主要對黃土的黏聚力產生影響；初始有效固結壓力與穩態強度有良好的擬合關系。比較震后斜坡重力驅動剪應力與穩態強度的關系，可判斷斜坡會否發生破壞。

黃土滑坡； 液化后變形； 穩態強度； 影響因素

0 引 言

黃土分布廣闊，其特有的大孔隙、弱膠結的結構特征決定了黃土的地震易損性。1989年塔吉克首府Dushanbe南30 km Gissar村和1920年的寧夏海原在地震后黃土斜坡發生了長距離的流滑，關于其成因國內外學者持不同的見解，王家鼎等[1]認為海原地震誘發的黃土滑坡的形成機理是黃土體解體、斜拋和粉塵化，即氣化所致，而白銘學等[2]通過對現場的調查認為地震導致飽水的砂質黃土層發生液化，強度降低從而發生了低角度的黃土滑坡；Ishihar等[3]通過對Gissar村的現場調查認為地震動應力使得具有較高含水量的黃土孔隙水壓力增長從而導致黃土發生液化產生長距離的流滑；Seed等[4]認為地震導致的滑坡主要是因為土體的液化造成的；王蘭民等[5-8]通過研究黃土振動液化過程中孔隙水壓力的變化規律，提出了黃土液化過程中孔隙水壓力的本構模型。楊振茂等通過室內試驗研究了固結比、振動頻率、飽和度等對黃土液化的影響[9-10]。周永習等[11]通過室內三軸試驗研究了黃土液化后的穩態強度對黃土邊坡發生流滑破壞關鍵作用。國內外學者的研究主要集中于飽和黃土的液化機理和判別標準，而對液化后土體的變形和強度的研究很少。因此，研究飽和黃土液化后的變形特性，可以進一步準確地揭示地震之后低角度黃土滑坡發生流滑的機理。本文以石碑塬黃土滑坡為研究背景，進行了一系列的黃土液化后剪切試驗，以此探討震后黃土滑坡的殘余強度對滑坡發生的控制作用。現場條件下地震之后的黃土大變形的發生是在應力控制的方式下進行的，但是，由于試驗儀器的制約，筆者所進行的試驗均是以應變控制的方式進行的。

1 試驗儀器、試樣和試樣方案

1.1 試驗儀器、試樣

試驗使用美國MTS 810土動三軸試驗機雙向電液伺服材料測試系統，本試驗的試樣均取自寧夏石碑塬滑坡體后壁，其基本物理力學性質參數如表1所示，顆粒級配組成如圖1所示。為了考慮不同深度黃土孔隙比的差異，分別按照3種干密度進行重塑制備。試驗采用50 mm×100 mm實心圓柱試樣。

表1 黃土試樣物性指標

圖1 試樣顆粒分析曲線曲線

1.2 試驗方案

黃土試樣的飽和采取先通CO2，再水頭飽和、加反壓的方式，首先對試樣先通1 h CO2，再進行1 h水頭飽和，此時B值(孔壓增量與圍壓增量的比值)達到0.3左右，繼續施加反壓，反壓每級增加30 kPa并穩定15 min，圍壓與反壓之間始終保持20 kPa的壓差，當B值達到0.85，即認為飽和完畢。本試驗均為等壓固結。試驗采用頻率為1 Hz的正弦等幅循環荷載，試驗過程如圖2所示。

圖2 試驗加載過程示意圖

試驗分別為動、靜荷載作用階段，具體過程為：試樣飽和完畢之后在應力控制的條件下進行等壓固結；固結完畢之后對試樣分別施加動荷載。當試樣動應變分別達到1%，2%，3%時，將試樣的軸向應力控制方式改為應變控制，并保持圍壓不變，對試樣通過軸向應變控制以0.375 mm/min的恒定速率進行剪切試驗.。對第二批試樣采用相同的飽和固結方法，不同的是固結完畢之后對試樣分別按循環剪應力比(動應力幅值與有效固結圍壓的比值)為0，0.3，0.5施加動荷載，待動應變達到1%，將控制方式轉換為應變控制,以相同的速率進行剪切試驗直至試樣破壞。

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變-孔壓關系曲線

動荷載對土體的破壞或擾動主要表現在兩個方面：①在動荷載的作用下孔隙水壓力上升，從而導致有效應力降低；②土體產生一定程度的塑性殘余變形，改變了土體原有的強度特性。圖3為不同初始剪應變下孔壓和應力與應變關系曲線(圍壓為100 kPa，干密度為1.4 g/cm3)。在荷載的整個作用過程中。強度在動荷載作用階段達到了最大值， 在應變達到20%時，穩定于某一值，將此時黃土的強度定義為液化后不排水穩態強度Su。孔隙水壓力在動荷載作用的過程中上升速度較快，孔壓比可達0.71～0.84，根據王蘭民提出的初始液化判定標準[7]：①孔壓比≥0.7;②累計應變≥3%，且孔壓比≥0.2，兩者先達到哪個就采用哪個。此時黃土已處于液化狀態。飽和黃土在循環荷載的作用下達到液化狀態，孔隙水壓力上升迅速，達到不同初始剪應變后的孔隙水壓力不相同，初始剪應變為1%時的孔隙比為0.71，初始應變達到2%，3%時的孔隙水壓力明顯升高，孔壓比分別達到0.83，0.84。在靜加載的過程中孔隙水壓力繼續上升，但是速度明顯減緩，且隨著應變的增加，孔隙水壓力逐漸趨于相等。但與飽和砂土液化不同的是在試驗過程中未達到有效固結圍壓,如圖4所示。在荷載最重的整個過程中有效偏應力始終逐漸減小，雖然初始應變不同但是土體有效偏應力最終表現趨于某一穩定值，見圖5。

圖3 不同初始剪應變下應力-應變關系曲線

圖4 不同初始應變下的孔壓比—應變曲線

2.2 飽和黃土的液化強度和穩態強度

飽和黃土在等效循環荷載的持續作用下，土顆粒間的摩擦力和咬合力開始下降，在這一過程中，動應力的存在使得土顆粒重新排列聯結。動應變為3%時，孔壓比已達到0.86;動荷載作用完畢之后的黃土已經

圖5 不同初始應變下應力路徑曲線

達到液化狀態。依據不同圍壓下的動應力—振次關系曲線(見圖6),以(σdf+σ1c+σ3c)/2為圓心，(σdf+σ1c-σ3c)/2為半徑繪制莫爾應力圓，求取公切線，獲得達到3%[12]應變時的黃土動黏聚力Cd=9.0 kPa，動內摩擦角φd=13°作為其液化強度(見圖6)。

動荷載作用完畢后,土體在靜荷載的作用下逐漸達到一種比較穩定的狀態，土體的黏聚力和內摩擦角最后趨于穩定，即穩態。根據試驗不同圍壓下的殘余強度(穩態強度)以(σ1+σ3)/2為圓心，(σ1-σ3)/2為半徑繪制莫爾應力圓得出黃土處于穩態時的動黏聚力Cs=0.33 kPa，動內摩擦角φs=9°(見圖7)。

圖6 3%應變的動強度線

圖7 液化強度與穩態強度莫爾圓

2.3 黃土穩態強度的影響因素

2.3.1 孔隙比

孔隙比是黃土穩態強度qss(殘余強度)的關鍵影響因素。圖8為相同圍壓下孔隙比與飽和黃土液化后的穩態強度曲線。在相同圍壓條件下，對于不同的孔隙比試樣，孔隙比越小的試樣其液化后穩態強度越大，這是由于孔隙比越小土體越密實，孔隙水壓力的增長越慢，試樣液化后的穩態強度就越大。孔隙比超過一定值后，穩態強度的增速就會變緩慢。

圖8 孔隙比與穩態強度關系曲線

2.3.2 飽和度

試樣的飽和度通過孔隙水壓力系數B=ΔU/Δσ3判定，B越高即飽和度越高，郭斌等[13]通過大量實驗得到兩者之間的關系式:

Sr=exp(4.397 4+0.134 1B+0.121 1B2)

(1)

式中:Sr是試樣飽和度;B是孔隙水壓力系數。

飽和度越高，孔壓上升的越快，土體越容易達到液化狀態，相應的黃土的穩態強度越低(見圖9)，文獻[13-14]表明，隨著飽和度的升高，鈣離子和鎂離子濃度都大幅上升，說明溶解在水中碳酸鈣和水溶性鹽類也都隨之增長，大量膠結物溶解導致膠結強度大幅降低，進而導致黃土的黏聚力降低。吳炳坤通過試驗發現黃土在含水率達到30%以上時會完全喪失黏力。

圖9 飽和度與穩態強度的關系曲線

2.3.3 初始有效固結壓力

圖10為相同孔隙比和飽和度下的試樣在不同初始固結圍壓與穩態強度的關系曲線。由圖可知,初始有效固結壓力對穩態強度的影響較為明顯。在其他條件都相同的情況下初始有效固結壓力越大，飽和黃土在液化后的穩態強度越大。在Origin軟件中進行曲線擬合，擬合公式如下式,擬合系數為R2=1。

圖10 初始有效圍壓與穩態強度的關系曲線

(2)

圖10中，穩態強度與初始有效固結圍壓有很好的擬合關系，初始固結后的試樣，變形穩定，土體顆粒排列緊密、發生液化后的土體，顆粒之間的接觸減弱，強度降低。在繼續施加靜荷載的過程中，土體顆粒排列重組，直至重新達到某一穩定狀態。

2.4 黃土穩態強度對流滑破壞的控制作用

試驗結果表明:飽和黃土在動荷載的作用下達到液化狀態(孔壓比≥0.7)，此后在靜荷載的作用下繼續產生變形，在應變大于20%時才會達到穩態。地震作用后，以潛在滑動面上的一底面與坡面平行的單元體為研究對象，不計單元體側應力對穩定性的影響，對其進行應力分析，確定其震后初始應力狀態(見圖11)。其中，正應力、剪應力的表達式如下:

(3)

式中：G為單元體自重;θ為斜坡坡度。

圖11 坡體應力示意圖

在初始條件(土體初始孔隙比、含水量)和觸發條件(即地震引起的土體孔隙水壓力的升高)都滿足的情況下，比較重力驅動剪應力τ0與穩態強度的大小，即能判別坡體是否會發生流滑破壞。

3 結 論

飽和黃土在發生液化之后有可能會發生流滑坡壞，其發生流滑坡壞的關鍵并不是其液化之后的強度而是在液化之后黃土的穩態強度。若驅動剪應力大于穩態強度則黃土邊坡會發生流滑坡壞;反之，則沒有。通過對飽和黃土施加動荷載使其液化并對液化后的土體施加靜荷載使其繼續變形并最終達到穩態。本試驗中液化后黃土的穩態強度與不同的液化破壞程度關系并不明顯，兩者之間具體聯系還需進一步研究。但孔隙比、飽和度以及初始有效固結壓力對液化后的穩態強度影響明顯：

(1) 不同孔隙比對飽和黃土液化后的穩態強度有明顯的影響，在相同的有效初始固結壓力下隨著孔隙比的減小，土體越密實，穩態強度越大。

(2) 飽和度影響孔隙水壓力上升的速度，以及黃土中可溶鹽的溶解程度，從而影響粘聚力的大小。飽和度越高。液化后黃土的穩態強度則越低。

(4) 比較震后斜坡重力驅動剪應力與穩態強度的關系，判斷斜坡會否發生破壞。

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Laboratory Study of the Mechanism of Loess Landslide Caused by Violent Earthquake

RUIXue-lian，PEIXiang-jun，ZHANGXiao-chao

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China)

Residual strength plays a major role for the stability of the loess slope after the earthquake. A series of post liquefaction triaxial compression tests have been conducted to simulate the loess slope deformation characteristic and residual strength after liquefaction. Saturated loess under static shear tests has been conducted in the conditions of different pressures(100; 150; 200 kPa)and different dynamic strain (0;1%;2%;3%) by MTS dynamic tri-axial instrument. Testing result indicates that, for the same sample, stress path has little effect on residual strength, though the destruction levels of samples (0;1%;2%;3%) are different. The residual strength of samples after the experiment are almost equal. There is a negative correlation between initial void ratio, saturation and residual strength. The relationship of the initial consolidation stress and residual strength can be started with a quadratic function. According to the test result, the residual strength can be used to analyze the mechanism of Shi Beiyuan loess slide.

loess slide; post-liquefaction deformation; residual strength; influencing factors

2015-03-16

中國地質調查局項目(1212011140005)

芮雪蓮(1990-),女，甘肅白銀人，碩士生，主要研究方向為地質災害評價與預測。

張曉超(1978-),女，陜西富平人，講師，研究方向:地質災害與預測。Tel.:15881141954；E-mail:1165656878@qq.com

P 642.22

A

1006-7167(2016)01-0023-04