地震力作用下的黃土液化

賈 倩, 劉增榮

西安建筑科技大學(xué)（710055）

1 黃土液化和地震災(zāi)害概述

地震是當(dāng)代人類(lèi)面臨的最大的自然災(zāi)害之一。全世界平均發(fā)生破壞性地震近千次,其中震級(jí)達(dá)7級(jí)或者7級(jí)以上的大地震約十幾次，給人類(lèi)帶來(lái)了極大的災(zāi)難，嚴(yán)重的威脅了人們的財(cái)產(chǎn)和生命安全。

我國(guó)是一個(gè)黃土面積分布廣、層厚大的國(guó)家，其地層層序之完整，成因類(lèi)型復(fù)雜，均是舉世聞名的。我國(guó)黃土類(lèi)土主要是風(fēng)積成因類(lèi)型、也有沖積、洪積和冰水沉積等成因類(lèi)型。

2 黃土液化原因及其主要影響因素

2.1 液化原因

當(dāng)?shù)卣鹆φ駝?dòng)作用到土體后,由于土粒大小形狀和所受荷載不同導(dǎo)致土粒接觸點(diǎn)處所受到的振動(dòng)力大小與方向各異，從而破壞土粒間原有平衡，使土骨架受損，當(dāng)土層中的含水量較高時(shí)，在動(dòng)應(yīng)力和水的共同作用下,孔隙水壓力就可能上升，有效應(yīng)力降低，抗剪強(qiáng)度減小,并引起地基失穩(wěn)而沉陷或者滑動(dòng)，這就是黃土的液化。

2.2 影響液化的因素

1）地震烈度：多次震害調(diào)查表明,烈度高的地區(qū)噴水冒砂較之烈度低的地區(qū)嚴(yán)重,一般在6度地區(qū)就很少看到有液化現(xiàn)象。室內(nèi)動(dòng)力試驗(yàn)表明，施加的動(dòng)應(yīng)力或加速度越大,持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，土樣就越容易液化。為了將地震烈度作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)因素納入計(jì)算,可將烈度按表1轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的地面最大加速度系數(shù)а（а=地面最大加速度/g），即地震系數(shù)。

表1 地震烈度與а的關(guān)系

2）土層埋深ds：對(duì)于一給定初始密度的土層，其頂板埋深越大，則上部土的自重壓力增加。使土的液化可能性減小。另一方面，由于地震產(chǎn)生的動(dòng)剪應(yīng)力在地表下某一深度范圍內(nèi)隨深度的增加而增大,而又使土的液化可能性在一定深度內(nèi)隨深度增加而增大的作用。土層埋深對(duì)液化勢(shì)的影響反映了上述兩項(xiàng)的綜合作用。

3）標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N：標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)（標(biāo)貫數(shù)）常常用于判斷天然砂土和輕亞粘土的密實(shí)程度。標(biāo)貫數(shù)越高，表明土越密實(shí)，因而越不容易液化。

4）地下水位dw：地下水位的深度對(duì)液化有明顯的影響。地下水位越深，越不容易液化。

5）上覆粘土層的厚度s：上覆粘土層的厚度越大，可液化土層所受的上覆壓力也越大。使液化的可能性減小。

6）液化土層的厚度h：液化層厚度的大小對(duì)噴水冒砂也有影響。當(dāng)液化層很薄時(shí)，即使在地震作用下發(fā)生液化，其體積壓縮量也很小，由于體積壓縮而排出的水量不多，從而超孔壓引起的向上滲流通常不足以穿透上覆非液化土層而形成噴水冒砂。反之，則有此可能。一般認(rèn)為，液化層越厚，引起噴冒的可能性越大。

7）粘土顆粒含量Ps：土的粘粒含量越高，顆粒間的粘結(jié)力增強(qiáng)，土結(jié)構(gòu)特征改變。

8）塑性指數(shù)Ip：按現(xiàn)行《工業(yè)與民用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，塑性指數(shù)越大，即土中粘粒含量越高，越不易液化。

2) 由于東墻和北墻為內(nèi)墻，與鄰室房間相連，故忽略內(nèi)墻與鄰室房間的熱量傳遞，將內(nèi)墻的邊界條件近似設(shè)為絕熱壁面.

9）平均粒徑d50：土的粒徑愈粗，滲透性愈大，孔隙水壓力容易消散，因而不易產(chǎn)生液化；反之,土粒愈細(xì)，特別是其中含有較多粘粒時(shí)，由于粘著力較大、土顆粒不易離散，因而也不容易液化。

10）不均勻系數(shù)u：研究發(fā)現(xiàn)，顆粒均勻的土較級(jí)配良好的土易于液化?？梢夯恋牟痪鶆蛳禂?shù)u≤10。

3 國(guó)內(nèi)外黃土液化研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)黃土液化方面的研究較少，相關(guān)的研究主要集中在中國(guó)、美國(guó)、前蘇聯(lián)。

美國(guó)的研究主要在Missauri-Rolla大學(xué)。1982年P(guān)rakash首次提出了黃土液化的問(wèn)題。根據(jù)對(duì)黃土狀土進(jìn)行等幅循環(huán)荷載下的振動(dòng)三軸液化試驗(yàn),得到了飽和黃土起始液化的軸向應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)和孔隙水壓力標(biāo)準(zhǔn)值。1984年P(guān)uri利用同樣的試驗(yàn)方法，對(duì)美國(guó)中、西部的原狀黃土、重塑黃土進(jìn)行了研究，得出了飽和黃土的破壞標(biāo)準(zhǔn)和液化標(biāo)準(zhǔn)。Ishihara等對(duì)1989年前蘇聯(lián)塔吉境內(nèi)由黃土地震液化引起的流滑現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了調(diào)查研究。

1990年白銘學(xué)等分析了1920年海原發(fā)生的8.5級(jí)地震的震害。研究了高烈度地震時(shí)黃土地層的液化移動(dòng)。劉公社、巫志輝研究了動(dòng)荷載下飽和黃土的孔壓演化規(guī)律及其在地震動(dòng)力分析中的應(yīng)用。王家鼎在2001年則根據(jù)此提出了一種強(qiáng)震作用下黃土斜坡滑移的復(fù)合機(jī)理。王蘭民等根據(jù)液化試驗(yàn)的應(yīng)力、應(yīng)變及孔壓時(shí)間過(guò)程曲線、液化前后的孔隙微結(jié)構(gòu)的電鏡照片和液化前后水中離子濃度的變化，分別從土動(dòng)力學(xué)、水電化學(xué)和微結(jié)構(gòu)角度分析了黃土液化的機(jī)理。中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所受寧夏地震局的委托，對(duì)寧夏固原原狀黃土進(jìn)行了室內(nèi)液化試驗(yàn)，得出了固原飽和黃土的孔壓增長(zhǎng)模型。河海大學(xué)劉漢龍等通過(guò)室內(nèi)飽和擊實(shí)黃土動(dòng)三軸試驗(yàn)來(lái)模擬強(qiáng)夯黃土地基的液化勢(shì)，研究認(rèn)為對(duì)強(qiáng)夯處理的黃土，若處于飽和或近飽和狀態(tài)，在動(dòng)荷載作用下會(huì)發(fā)生液化并引起較大變形。何開(kāi)明在2001年初步分析了黃土與砂土在液化機(jī)理、孔壓增長(zhǎng)模型、體積壓縮系數(shù)及滲透系數(shù)方面的差異以便認(rèn)識(shí)黃土液化具有孔壓增長(zhǎng)快、消散慢和沉降大的特性。2002年何開(kāi)明與王志剛等用有限元方法對(duì)碎石樁黃土復(fù)合地基抗液化性狀進(jìn)行了數(shù)值分析,為在黃土地區(qū)開(kāi)展碎石樁處理方法提供了理論依據(jù)。2006年王峻等通過(guò)往返加荷動(dòng)三軸試驗(yàn)，認(rèn)為蘭州某民用機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程場(chǎng)地的飽和黃土和飽和砂土更容易發(fā)生液化。閆華林等用固結(jié)不排水方式對(duì)飽和原狀黃土進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析了不同的有效圍壓、循環(huán)應(yīng)力比、加荷頻率、飽和度及超固結(jié)比對(duì)飽和黃土液化的影響。

4 亟待解決的問(wèn)題

由前述可知,前人在黃土液化的理論研究方面已取得了一些成果，但仍有一些問(wèn)題亟待深入解決。

4.1 黃土液化的試驗(yàn)方法

黃土液化與砂土液化在機(jī)理與表現(xiàn)上均有一定的差異，砂土的試驗(yàn)方法不能套用于黃土試驗(yàn)。在上述的研究中認(rèn)為由于孔壓的傳遞,使孔壓上升到一定的制約而達(dá)不到有效圍壓。僅為其70%～90%，其孔壓標(biāo)準(zhǔn)為Ud/σ0=0.7。就飽和黃土的液化標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)了討論并系統(tǒng)地對(duì)飽和黃土的液化勢(shì)及其影響因素進(jìn)行了研究。但目前現(xiàn)有的實(shí)例資料較少,一般都是基于隨機(jī)地震波荷載作用下的動(dòng)三軸試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)研究,計(jì)算預(yù)測(cè)不同超越概率下黃土液化的方法,所取得的室內(nèi)初步試驗(yàn)結(jié)果有待進(jìn)一步深入的驗(yàn)證。

4.2 動(dòng)荷載下孔壓與應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律

4.3 強(qiáng)震作用下黃土層低角度滑移產(chǎn)生的條件

黃土地層發(fā)生液化滑移的內(nèi)因條件是必須具有比較完整的晚更新世以來(lái)的黃土地層剖面,并且其中存在飽含水的砂層或砂質(zhì)黃土。這種條件只存在二級(jí)以上的黃土階地或低的黃土臺(tái)原上才能同時(shí)具備,外因條件是黃土地層發(fā)生低角度滑移需要較強(qiáng)的地震動(dòng)力條件。這兩個(gè)條件要在地震烈度達(dá)到9°或者9°以上才能滿足。但已有的液化資料中，絕大部分取自沿海地區(qū)沖積、洪積、海積地層，內(nèi)陸地震或其他成因類(lèi)型的砂土液化震例非常少。寧夏海原地震則是一個(gè)高烈度內(nèi)陸的實(shí)例。但關(guān)于黃土地層角度滑移機(jī)理與預(yù)測(cè)方法研究較少，可進(jìn)一步開(kāi)展。

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