黑方臺(tái)靜態(tài)液化誘發(fā)滑坡機(jī)理探究

劉林　戴福初

摘 要：當(dāng)前，學(xué)者們對(duì)地下水位緩慢上升條件下土體破壞瞬間超孔隙水壓力響應(yīng)的認(rèn)識(shí)尚不完全清晰。因此，以甘肅省黑方臺(tái)Q3黃土為研究對(duì)象，首先通過等壓固結(jié)不排水剪試驗(yàn)（ICU）確定黃土在不排水條件下的力學(xué)性質(zhì)，其次通過恒荷載排水剪切試驗(yàn)（DL）研究實(shí)際應(yīng)力路徑條件下土體的破壞過程。ICU試驗(yàn)結(jié)果表明，黑方臺(tái)地區(qū)飽和黃土在不排水條件下的靜態(tài)液化特征十分顯著，且不同深度的黃土試樣在低圍壓下均表現(xiàn)出較高的靜態(tài)液化潛勢。DL試驗(yàn)結(jié)果表明，深層的飽和黃土于恒荷載排水剪應(yīng)力路徑下破壞瞬間有超孔壓產(chǎn)生，土體發(fā)生了靜態(tài)液化。

關(guān)鍵詞：恒荷載排水剪切試驗(yàn)；實(shí)際應(yīng)力路徑；靜態(tài)液化；靜態(tài)液化型滑坡

引水灌溉工程于二十世紀(jì)六七十年代開始大量修建，致使黃土高原地區(qū)坡體下部的飽和黃土發(fā)生靜態(tài)液化，進(jìn)而引起滑坡破壞。其中，黑方臺(tái)地區(qū)是最典型的例子。靜態(tài)液化型滑坡剪出口位于黃土和粉質(zhì)黏土接觸處，整體形似圈椅，后壁高陡，且有泉水從其底部流出。此類滑坡啟動(dòng)后便會(huì)轉(zhuǎn)化為流動(dòng)狀態(tài)，滑距可達(dá)300 m，是黑方臺(tái)地區(qū)最危險(xiǎn)的一種滑坡。

眾多學(xué)者圍繞靜態(tài)液化誘發(fā)黃土滑坡的機(jī)理進(jìn)行了大量研究。陳守義[1]和戴福初等[2]探討了如何通過應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系解釋土質(zhì)滑坡形成機(jī)理。戴福初等[3-4]對(duì)松散擊實(shí)火山巖坡殘積土開展了等壓固結(jié)不排水剪試驗(yàn)（Isotropically Consolidated Undrained Shear Stress Test，ICU）、等壓固結(jié)排水剪試驗(yàn)（Isotropically Consolidated Drained Shear Stress Test，ICD）、常偏應(yīng)力排水剪試驗(yàn)（Constant Shear Drained Compression Test，CSD），對(duì)原狀火山巖坡殘積土開展了偏壓固結(jié)不排水剪試驗(yàn)（Anisotropically Consolidated Undrained Compression Test，ACU）與CSD試驗(yàn)，提出了剪脹型土和剪縮型土的暴雨滑坡機(jī)理。Xu L等[5-6]、金艷麗? ? ?等[7]、高靜賢等[8]、武彩霞等[9]分別對(duì)黑方臺(tái)、涇陽南塬、四川的原狀黃土開展了ICU、ACU與CSD試驗(yàn)，各自提出了靜態(tài)液化型滑坡的形成機(jī)理。閆蕊鑫[10]利用掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）研究了原狀黃土ICU試驗(yàn)前后微觀結(jié)構(gòu)的變化，提出原狀黃土靜態(tài)液化的結(jié)構(gòu)接觸—垮塌、孔喉阻塞兩階段演化模式。段釗[11]與藺曉燕[12]分別對(duì)涇陽南塬與黑方臺(tái)原狀黃土開展了ICU試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黃土圍壓及含水率的大小決定了黃土的變形破壞形式。

當(dāng)前，學(xué)者們對(duì)靜態(tài)液化型滑坡發(fā)生的原因已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)，即灌溉補(bǔ)給地下水導(dǎo)致底部飽和黃土發(fā)生靜態(tài)液化，但學(xué)者們從應(yīng)力-應(yīng)變角度研究此類滑坡機(jī)理尚存在以下問題：在實(shí)際應(yīng)力路徑條件下，如果發(fā)生靜態(tài)液化，破壞瞬間應(yīng)該可以觀察到超孔隙水壓力產(chǎn)生，但由于超孔壓快速產(chǎn)生又瞬間消散，低采集頻率的孔壓傳感器難以捕捉到瞬間出現(xiàn)的超孔壓峰值。此外，由于實(shí)際應(yīng)力路徑條件下靜態(tài)液化的突發(fā)性，常規(guī)三軸甚至應(yīng)力路徑試驗(yàn)儀器難以確保破壞前后試樣軸向壓力的恒定。因此，采用恒定軸向壓力、高頻采集孔壓的三軸儀可以獲得實(shí)際應(yīng)力路徑條件下飽和黃土靜態(tài)液化時(shí)的最大超孔隙水壓力。

為證明在常偏應(yīng)力排水剪條件下，土體破壞瞬間有超孔壓產(chǎn)生，即土體可以發(fā)生靜態(tài)液化，本研究以黑方臺(tái)Q3原狀黃土為研究對(duì)象，首先施加相同大小的4組圍壓于3組不同深度的原狀黃土試樣上進(jìn)行ICU試驗(yàn)，以獲得飽和黃土穩(wěn)態(tài)線；其次對(duì)深層黃土開展恒荷載排水剪切試驗(yàn)（Dead Load Test，DL），以研究實(shí)際應(yīng)力路徑條件下土體是否發(fā)生靜態(tài)液化，在此基礎(chǔ)上探討了黑方臺(tái)靜態(tài)液化型黃土滑坡的發(fā)生機(jī)理。

1?滑坡機(jī)理的試驗(yàn)研究

1.1? 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選用土樣均取自新塬村塬邊空地，坐標(biāo)為N36°05′33.17″、E103°17′20.52″。通過開挖探井的方式獲得土樣，探井總深度達(dá)到了33.4 m，直至紅粘土層。依據(jù)土樣所處深度，將本次試驗(yàn)所用土樣劃分成3組，第一組對(duì)應(yīng)深度12.0～14.5 m，第二組對(duì)應(yīng)深度20.0～23.1 m，第三組對(duì)應(yīng)深度32.5～33.4 m，ICU試驗(yàn)對(duì)同一深度下的飽和原狀黃土試樣分別施加50、100、200、350 kPa有效固結(jié)應(yīng)力。DL試驗(yàn)以第三組深度的兩塊試樣為研究對(duì)象，在施加170 kPa有效圍壓后，分別施加390、410 kPa大主應(yīng)力進(jìn)行偏壓固結(jié)，以模擬原位狀態(tài)下黃土的受力狀態(tài)。本次試驗(yàn)各層土體的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，均遵照SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》的要求通過試驗(yàn)獲取。

采用英國GDS三軸儀進(jìn)行ICU試驗(yàn)，采用課題組研發(fā)的DL三軸儀進(jìn)行DL試驗(yàn)。兩類試驗(yàn)主要步驟均包括飽和、固結(jié)以及剪切。本研究采用的飽和方法為先通二氧化碳、后水頭飽和結(jié)合反壓飽和。ICU試驗(yàn)飽和結(jié)束后，按預(yù)定的有效固結(jié)應(yīng)力進(jìn)行等壓固結(jié)，當(dāng)5 min內(nèi)體積變化量小于5 mm3時(shí)，固結(jié)階段結(jié)束。DL試驗(yàn)是等壓固結(jié)之后逐級(jí)添加砝碼進(jìn)行偏壓固結(jié)。ICU試驗(yàn)不排水剪切速率定為0.07 mm/min，試驗(yàn)結(jié)束條件為軸向應(yīng)變達(dá)到25.00%。DL試驗(yàn)通過圍壓以及軸向力保持不變、反壓以3 kPa/h的速率緩慢上升來剪切試樣。

1.2? ICU試驗(yàn)結(jié)果

由于各組試樣于不同圍壓下的關(guān)系曲線形態(tài)十分相似，即均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)變軟化特性，在篇幅有限的情況下，僅展示第一組深度黃土的試驗(yàn)結(jié)果，如圖1所示。

圖1（a）的q-ε_a曲線可劃分為3個(gè)階段。（1）應(yīng)力迅速增大階段：隨著軸向應(yīng)變?cè)黾樱珣?yīng)力急劇上升并在軸向應(yīng)變小于1.50%的條件下達(dá)到峰值，該階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似直線；（2）應(yīng)變軟化階段：偏應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著軸向應(yīng)變的增加，試樣骨架不能抵抗外部荷載，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)垮塌，試樣呈現(xiàn)強(qiáng)烈軟化特征；（3）應(yīng)力穩(wěn)定階段：應(yīng)變軟化完成后，土體的結(jié)構(gòu)特征被破壞，土顆粒之間發(fā)生重組，應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)黾幼兓徛M(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的土體強(qiáng)度為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度。

潛在液化勢（Liquefaction Potential Index，LPI）可表示為（q_max－q_min）/q_max，q_max和q_min分別表示峰值狀態(tài)和穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力）[10]。各組試驗(yàn)LPI隨初始有效圍壓的變化規(guī)律如圖2所示，相比高圍壓條件，低圍壓條件下的LPI更高。

圖1（b）所示的u-εa曲線表明：在偏應(yīng)力達(dá)到峰值前，超孔隙水壓力隨著偏應(yīng)力的增加而增大；在試樣產(chǎn)生應(yīng)變軟化的過程中，超孔隙水壓力持續(xù)上升；偏應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，超孔隙水壓力亦基本維持不變。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣產(chǎn)生了靜態(tài)液化。3組深度黃土的ICU試驗(yàn)結(jié)果表明，超孔隙水壓力達(dá)到了初始有效圍壓的87%～100%。不同深度試樣的孔壓比? ? ? Δu/σ3＇隨初始有效圍壓的變化曲線如圖3所示，該圖表明圍壓較低時(shí)，Δu/σ3＇更高。試驗(yàn)結(jié)束后拆取土樣時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，50 kPa和100 kPa有效圍壓下的試樣類似液體已完全液化。

圖1（c）所示的q-p＇曲線表明，不同深度的試樣均具有剪縮性，即平均有效應(yīng)力不斷減小，偏應(yīng)力先增大后減小。不同深度的試樣在軸向應(yīng)變約為20.00%時(shí)均達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)指大應(yīng)變條件下土體的應(yīng)力-應(yīng)變特性，即土體在常體積、常法向應(yīng)力和常剪應(yīng)力下保持常速率變形的狀態(tài)。

圖1（d）展示了e-ln p＇空間內(nèi)試樣的穩(wěn)態(tài)線，該穩(wěn)態(tài)線是通過擬合試樣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)條件時(shí)的孔隙比與平均主應(yīng)力得到的，所有穩(wěn)態(tài)線的相關(guān)系數(shù)R2均在0.9以上，表明擬合效果較好。

ICU試驗(yàn)結(jié)果表明，不排水條件下不同深度的飽和黃土試樣均可以發(fā)生靜態(tài)液化，所有試樣的破壞形式均為鼓脹破壞。

1.3? DL試驗(yàn)結(jié)果

圖4（a）為土體的u-t及εa-t曲線。由于試驗(yàn)設(shè)定的反壓增長速率僅為3 kPa/h，0.5 h左右可以認(rèn)為孔壓未發(fā)生變化，于是所有試樣的u-t曲線均選用了包含液化點(diǎn)在內(nèi)的時(shí)長30 min的數(shù)據(jù)，以更好地體現(xiàn)超孔壓的驟然產(chǎn)生。εa-t曲線則體現(xiàn)了孔隙水壓力產(chǎn)生的瞬間軸向應(yīng)變的變化。DL3試樣在軸向應(yīng)變約為23.00%時(shí)有約40 kPa超孔壓產(chǎn)生，超孔壓產(chǎn)生的瞬間軸向應(yīng)變并未產(chǎn)生明顯變化。DL4試樣破壞瞬間有約16 kPa的超孔壓產(chǎn)生，軸向應(yīng)變瞬間增長了約4.00%。第三組深度的土體均發(fā)生了靜態(tài)液化。

圖4（b）所示的ε_a-p＇曲線可劃分為兩段：OA段由于土中孔隙結(jié)構(gòu)尚未產(chǎn)生變形，軸向應(yīng)變略有增加。當(dāng)曲線抵達(dá)A點(diǎn)，即土體進(jìn)入剪縮階段后，軸向應(yīng)變快速增長。

圖4（c）所示的q-p＇曲線表明：試樣的偏應(yīng)力先近乎保持不變，待平均有效應(yīng)力降低至穩(wěn)態(tài)線附近時(shí)，試樣已進(jìn)入剪縮階段，由于土體軸向變形的快速增大，試樣橫截面積也迅速擴(kuò)大，偏應(yīng)力降低速度因此加快。

圖4（d）所示的e-ln p＇曲線表明：隨著孔壓的緩慢增加，兩試樣的孔隙比先近乎不變，然后快速降低。DL3與DL4初始狀態(tài)點(diǎn)均位于穩(wěn)態(tài)線之上，均具有靜態(tài)液化潛勢。

DL3和DL4的試驗(yàn)結(jié)果證明了深層飽和黃土于恒荷載排水剪應(yīng)力路徑下進(jìn)行剪切時(shí)，剪縮過程中均有超孔隙水壓力產(chǎn)生，土體發(fā)生了靜態(tài)液化。

2?結(jié)論

（1）ICU試驗(yàn)結(jié)果表明：黑方臺(tái)地區(qū)飽和原狀黃土在不排水條件下具有明顯的靜態(tài)液化特征。隨著初始有效圍壓增大，不同深度黃土試樣在剪切結(jié)束時(shí)的超孔隙水壓力、峰值強(qiáng)度、穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度也逐漸增大。整體上，低圍壓條件下黃土試樣的LPI更大，即試樣發(fā)生應(yīng)變軟化后強(qiáng)度降低得更明顯。

（2）DL試驗(yàn)結(jié)果表明：深層飽和原狀黃土于恒荷載排水剪應(yīng)力路徑下會(huì)發(fā)生靜態(tài)液化。

（3）試驗(yàn)尚有以下待改進(jìn)之處：首先，由于飽和黃土在估算的原位應(yīng)力狀態(tài)條件下固結(jié)后的孔隙比相對(duì)原位黃土的孔隙比明顯偏小，不可避免地影響試驗(yàn)結(jié)果，需開展更多試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；其次，本研究采用的黃土試樣為未灌溉的黃土，眾所周知，已灌溉黃土的干密度、含鹽量均產(chǎn)生了較大變化，需進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

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