地震長期效應對黃土力學性質的影響

劉 偉,諶文武,楊 芳

(1.內蒙古大學 交通學院,內蒙古 呼和浩特 010070;2.蘭州大學 土木工程與力學學院,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

黃土在我國廣泛分布,其中西北地區黃土高原為主要分布區,隨著經濟社會的不斷發展,黃土高原區鐵路、公路、機場等大型工程數量不斷增加,規模持續擴大。黃土工程建設中,地震作用下的長期效應及黃土的力學性質研究工作至關重要。

黃土高原區獨特的地理位置致使該區地震作用頻發[1],地震發生后引起大量滑坡、震陷和液化災害,給當地居民的生命財產安全造成了巨大損失[2]。由于穿過黃土高原及其周邊的斷裂帶較多,斷裂帶引起地震活動較為頻繁,地震發生后往往引起黃土滑坡、泥石流、崩塌以及地面開裂等傷亡較重的地質災害,給該區造成嚴重的人員傷亡和財產損失[3],其中規模最大、破壞性最強的地震是發生于20世紀初的寧夏海原8.5級地震,地震發生時出現了大量黃土滑坡,造成的人員傷亡超過10萬,由地震直接和間接作用造成的災害均最嚴重,震后一段時期內該區的黃土滑坡仍然持續發生,地震長期效應產生的影響不容忽視。同時,黃土地區中強地震對黃土產生的影響也應引起足夠重視,如20世紀80年代塔吉克地區發生的5.5級地震,地震引起大范圍的滑坡和液化,災害造成農田被毀,村莊被埋的慘烈景象[2]。除地震荷載直接引起黃土滑坡外,地震與降雨、灌溉等其他因素耦合作用下產生的致災作用占主導地位[4-8]。耦合作用致災研究中側重介紹降雨強度、降雨持時及地震荷載的幅值等對滑坡的影響,并未考慮歷史地震發生后,地震長期效應對黃土力學性質的影響及在誘發滑坡中的具體作用。

黃土力學性質研究方面,主要集中于利用室內試驗對黃土的物理力學性質進行研究。室內試驗中的三軸試驗是研究飽和黃土力學特征的重要技術手段之一,學者通過固結不排水三軸壓縮試驗研究飽和黃土的剪切行為,研究發現剪切中產生的持續增加的孔隙水壓力是引起黃土失穩的重要原因[9]。試驗中發現黑方臺黃土具有典型的應變軟化特征[10],當剪切中不斷累積的孔隙水壓力升高到一定值時底部黃土發生液化破壞,引起黃土泥流型滑坡。黑方臺灌溉區,受黃土底部的不排水界面控制,不斷累積的灌溉下滲抬高地下水位,促使黃土飽和區范圍持續擴大,同時引起孔隙水壓力持續升高,室內試驗模擬后指出飽和黃土在不排水狀態下表現出明顯剪縮特性[11-13],易發生液化,進而誘發黃土滑坡。前期關于飽和黃土靜力學方面的研究均是基于單調遞增荷載作用下土體不排水剪切試驗獲得,通過室內試驗獲得土體強度[14-15],利用穩態理論對土體液化失穩進行分析,由于受到應力變化等影響使得穩態線不唯一[16]。動荷載作用下往往引起飽和黃土形成液化[17],液化后引起黃土滑坡[18-19]、地基失穩[20-22]等破壞。

地震發生后對黃土高原地區造成了嚴重的損失,已有黃土力學性質研究中,包括黃土靜力學和動力學研究等方面。力學性質的研究均集中于黃土在直接荷載下的力學響應,而地震影響后黃土的力學性質研究鮮有學者進行報道,即地震長期效應對黃土力學性質方面影響的研究工作亟待開展。本文在現場調查取樣的基礎上,利用動三軸儀對原狀黃土試樣進行模擬歷史地震預處理,然后對預處理后的試樣開展固結不排水三軸壓縮試驗,分析地震長期效應對黃土力學性質的影響,并結合微結構分析揭示力學性質差異性產生的內在機制。

1 試驗設備及方法

1.1 試樣

本次試驗中所用黃土原狀樣取自蘭州市和平鎮,通過人工探井開挖形成的陡立壁面進行取樣,深度8.0 m。首先利用削土刀除去表面松散黃土,取備內側較為均勻的原狀黃土。室內對黃土的基本物理性質進行分析[23],試樣的含水率、密度、比重、液限、塑限依次為10.01%～10.77%、1.38～1.42 g/cm3、2.70～2.71、24.36%～25.32%和14.95%～15.66%,同時對黃土的顆粒組成進行測試,顆粒分布曲線見圖1。

圖1 和平黃土顆粒分布曲線Fig.1 Particle size distributions of loess in Heping

1.2 試驗設備及方法

本次試驗中所用的設備為WF-12440型動三軸扭剪試驗系統,是由英國WF公司生產的一種全程序化控制三軸儀,可實現復雜應力條件下的土力學試驗。該設備的周圍壓力和反壓均通過氣轉水系統提供,軸向力加載系統由單獨的作動器控制,豎向荷載采用氣動作動器施加,能夠實現4個方向的動態協同控制,進而控制豎向主應力幅值,包括大小、頻率及方向,以模擬自然界土體真實受力條件。

試驗開始前首先對設備進行清零操作,后將預先削制好的尺寸為50 mm×100 mm原狀黃土放置在動三軸儀底座上。根據取樣的埋深情況計算試樣固結需要施加的軸向力和周圍壓力,對原狀黃土試樣進行固結,恢復試樣的初始應力狀態。固結穩定后依據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2015)[24]中蘭州地震動峰值加速度為0.15g～0.20g,考慮不同設防等級后選用地震峰值加速度PGA為0.15g、0.30g和0.40g進行模擬歷史地震預處理。

為便于對比,在室內預制初始含水率為15%的試樣進行分析,PGA預設方案中設置為0.00g作為未處理試樣組。模擬歷史地震處理后,對處理后的試樣依次進行飽和與固結,然后對試樣進行固結不排水三軸壓縮試驗,圍壓力設置為100 kPa,150 kPa和200 kPa,待單位時間內體積控制器中排水量穩定后進行固結不排水剪切試驗,設置加載速率為0.05 mm/min。分析有效圍壓、含水率、PGA等對于黃土力學性質的影響,同時結合掃描電鏡試驗與壓汞試驗對預處理前后的黃土試樣微結構進行分析,揭示地震長期效應影響黃土力學性質的內因。

本次試驗共設置36組樣品,編號為SL-1～SL-36,其中SL-1～SL-8為微結構試驗樣品組,SL-9～SL-12為常規直接剪切試驗測試黃土的抗剪強度指標試驗,SL-13～SL-24為初始含水率為10%的黃土樣品試驗結果,SL-25～SL-36為初始含水率為15%的黃土樣品試驗結果(表1、表2)。試驗中所用樣品均為篩選試樣,將樣品中有根系、蟲孔等試樣全部進行了剔除處理。

表1 微結構試驗方案Table 1 Scheme of microstructure tests

表2 三軸試驗測試方案Table 2 Scheme of triaxial tests

2 試驗結果

2.1 三軸試驗結果

研究中首先利用動三軸儀對原狀黃土試樣進行模擬歷史地震處理,預振處理后依次進行飽和與固結,在此基礎上進行固結不排水三軸壓縮試驗。預振中發現所有的黃土試樣均產生了明顯的軸向壓縮變形,初始含水率為10%的黃土試樣經預處理后其軸向壓縮變形可達0.24%～1.82%,而初始含水率增加至15%后進行預處理,軸向壓縮變形達到0.53%～7.87%,最大值為初始含水率為10%黃土試樣的4～32倍,充分說明黃土具有水敏性的典型特征,即含水率的微弱變化會致使黃土物理性質產生較大的差異性。

為深入分析歷史地震長期效應對黃土力學性質的影響,室內試驗中選取應力路徑曲線、應力-應變關系曲線、孔隙水壓力與應變關系曲線及有效圍壓與應變關系曲線進行分析。在分析黃土試樣力學性質的過程中,對不同初始條件下黃土原狀試樣的飽和抗剪強度指標值也進行計算,結果見圖2～圖7和表3～表4。計算中選用峰值偏應力,通過破壞包絡線獲取峰值強度指標。

表3 初始含水率10%時不同PGA作用下抗剪強度指標值Table 3 Shear strength indexes of loess samples under different PGA (w=10%)

表4 初始含水率 15%時不同PGA作用下抗剪強度指標值Table 4 Shear strength indexes of loess samples under different PGA (w=15%)

圖中曲線所示含義為PGA為0.15g、0.30g、0.40g的結果與PGA為0.00g試樣對比結果,可直觀反映不同地震效應對力學性質產生的影響。初始含水率為10%時,預處理后黃土原狀樣試驗結果如圖2～圖4所示,隨著PGA的增加,應力路徑、應力-應變關系、孔隙壓力發展規律等均發生了變化,表明地震荷載的幅值對后期黃土力學性質亦有影響。

圖2 PGA為0.00g和0.15g在w=10%時CU試驗結果Fig.2 Results of CU between PGA=0.00g and 0.15g in w=10%

圖3 PGA為0.00g和0.30g在w=10%時CU試驗結果Fig.3 Results of CU between PGA=0.00g and 0.30g in w=10%

圖4 PGA為0.00g和0.40g在w=10%時CU試驗結果Fig.4 Results of CU between PGA=0.00g and 0.40g in w=10%

當初始含水率為10%時,黃土原狀試樣經過歷史地震預處理后,軸向變形產生的應變較明顯,表明在地震作用下試樣內部結構被振密。

經歷歷史地震預處理后的黃土原狀樣,在固結不排水三軸壓縮試驗中可知[圖2～圖4中的(a)和(b)],峰值偏應力與未經歷歷史地震試樣相比均發生了顯著增加,隨著軸向應變的持續增加,應力-應變關系表現出明顯的應變軟化特征。孔隙水壓力在剪切中隨著軸向應變的增加而持續增大,當軸向應變超過4%后孔隙水壓力的增速開始減緩,后漸趨平穩[圖2(c)、圖3(c)、圖4(c)],孔壓的增加引起有效應力的持續降低[圖2(d)、圖3(d)、圖4(d)]。模擬歷史地震預處理后的黃土試樣的孔隙水壓力在相同應變時均低于未處理試樣,對應的有效圍壓則高于未處理試樣的有效圍壓。

初始含水率為10%時,歷史地震作用后,黃土內部膠結結構產生塑性變形,不同幅值的地震荷載作用后,試樣內部結構中的膠結結構的響應也不相同,隨著PGA的增大,黃土被振密的程度加深,宏觀上表現出峰值偏應力幅值增大和有效應力增加。預處理后的黃土試樣孔隙水壓力不易升高,表明前期地震引起黃土內部孔隙孔徑減小,顆粒之間的接觸方式發生改變,達到一種新的平衡狀態,此種情況下試樣的內部結構更加穩定,抵御外部荷載的能力進一步提高。當圍壓為100 kPa和150 kPa時,有效圍壓隨著軸向應變的增加最終趨于零點,表明此種狀況下的黃土試樣強度喪失,將形成失穩破壞。而圍壓增加至200 kPa時,有效圍壓隨著軸向應變的增加而趨于平緩,并未降低至零點,表明黃土的失穩破壞與埋深緊密聯系。圍壓增加后,黃土試樣產生失穩破壞的孔隙水壓力需要增加至更高的數值以引起有效應力降低。而圍壓增加的同時,黃土的強度也增加,該過程中孔壓的增加要抵御土體強度增加帶來的影響,最終表現為有效應力降低至某一恒定值。

圖2～圖4中的飽和試樣在應變為2%～4%時出現峰值偏應力,軸向應變4%后試樣的孔隙水壓力增幅減小,而有效圍壓也逐漸趨于零。抗剪強度指標值根據峰值偏應力對應的莫爾圓進行計算(表3)。有效圍壓降幅和孔隙水壓力的增加具有良好的對應關系,但與峰值偏應力的出現存在一定的滯后性。據此將飽和黃土固結不排水剪切分為以下三階段:(1)初始剪切階段,偏應力隨軸向應變持續增加,試樣內部孔隙水壓力持續增大;(2)剪切漸變階段,偏應力增速變緩,逐漸出現最大值,孔壓增速變緩,有效圍壓持續降低;(3)剪切穩定階段,偏應力隨著軸向應變的增加漸趨穩定,孔壓亦趨于穩定,增速較小,引起有效圍壓降幅減小,最終保持某一穩定值。

當初始含水率增加至15%時(圖5～圖7),經歷歷史地震預處理后的黃土試樣的峰值偏應力仍高于未處理試樣的偏應力,孔隙水壓力同樣低于未處理試樣,總體變化趨勢與10%黃土試樣的變化規律相同。但偏應力增加幅值及孔壓的降幅均大于初始含水率為10%的黃土試樣,這與15%試樣預處理中產生的軸向變形大于10%試樣的變形相對應。地震對黃土試樣作用后,黃土試樣內部膠結結構依然會產生塑性變形。含水率增加后,動荷載的作用將進一步促使內部顆粒相互擠緊,試樣內部的大孔隙孔徑變小,內部結構調整后形成一種新的穩定結構。孔隙的進一步減小加劇了孔隙水壓力響應的滯后性,致使孔隙水壓力無法持續升高。

圖5 PGA為0.00g和0.15g在w=15%時CU試驗結果Fig.5 Results of CU between PGA=0.00g and 0.15g in w=15%

圖6 PGA為0.00g和0.30g在w=15%時CU試驗結果Fig.6 Results of CU between PGA=0.00g and 0.30g in w=15%

圖7 PGA為0.00g和0.40g在w=15%時CU試驗結果Fig.7 Results of CU between PGA=0.00g and 0.40g in w=15%

同時根據峰值偏應力對應莫爾圓計算了抗剪強度指標(表4),上述初始含水率為10%的黃土試樣,黏聚力變化幅值為1.94～3.42 kPa,歷史地震影響后的黃土試樣的內摩擦角較未處理黃土試樣內摩擦角相比增幅較為明顯,當地震荷載對應的PGA由0.15g增加至0.30g時,黃土試樣內摩擦角增幅為1.32°～1.99°,當PGA為0.40g時內摩擦角和黏聚力提高2.67°和3.42 kPa,表明歷史地震荷載的增加對黃土內部結構的擾動增大,地震長期效應產生的影響愈發明顯。初始含水率不同引起黃土對動荷載響應不同,試樣初始含水量增加至15%時,經歷歷史地震影響后的黃土試樣的抗剪強度指標增幅顯著高于初始含水率為10%的試樣,PGA增加至0.40g時的內摩擦角和黏聚力高于PGA為0.15g和0.30g條件下3°和4 kPa。

2.2 微結構試驗結果

黃土原狀樣經歷先期地震后,其力學性質與未受擾動試樣相比發生了顯著變化,為揭示地震長期效應對黃土力學性質影響的內在機制,利用壓汞試驗和掃描電鏡試驗對預處理前后黃土的微結構進行了測試分析,結果見圖8～圖10。壓汞試驗中列出不同含水率試樣預處理后的進汞曲線,掃描電鏡試驗中列出PGA為0.00g和0.40g的試驗結果。

圖8 不同含水率不同PGA歷史地震處理后累積孔隙體積Fig.8 Cumulative pore volume under different water content and historical earthquakes with different PGA

初始含水率為10%的黃土試樣經歷歷史地震擾動后,內部大孔隙數量開始減少,中小孔隙數量變化相對較小,含水率增加至15%時,地震長期效應的影響亦主要體現在大孔隙數量的減少方面,大孔隙減少后試樣內部結構更加致密,后期力學試驗中的力學指標均顯著提高。

從圖9～10的掃描電鏡試驗中也可發現,與未處理黃土試樣相比,經歷歷史地震影響后的黃土試樣內部大孔隙數量明顯減少,中小孔隙的數量明顯增加,這與壓汞試驗結果相對應[圖9(a)和(b)、圖10(a)和(b)]。試樣經歷地震荷載擾動后,內部結構的變化與顆粒之間的相對運動聯系緊密,從圖9～圖10中(c)、(d)可知,含水率為10%和15%的黃土試樣經歷歷史地震擾動后,顆粒均發生了明顯移動。

圖9 含水率為10%黃土經歷歷史地震擾動后微結構變化Fig.9 Microstructure change of loess with water content of 10% disturbed by historical earthquake

地震長期效應引起黃土內部顆粒產生定向性排列,且相鄰顆粒之間開始被擠密,顆粒之間的間隙大大減小,顆粒移動過程中引起黃土內部原有的大孔隙結構坍塌破壞,造成大孔隙數量減少,中小孔隙數量增加[25]。較強地震荷載擾動后(PGA=0.40g),黃土內部顆粒出現了堆疊現象。

綜上,未受歷史地震擾動的黃土試樣,黃土大顆粒表面隨機排布著小顆粒,粒徑不同的顆粒相互堆疊形成的架空孔隙清晰可見。經歷史地震預處理后的試樣,由于含水率相對較高,尤其是初始含水率增加至15%時已接近塑限含水率,地震擾動后引起小顆粒向大顆粒附近滑移,由小顆粒聚集形成的膠結結構被破壞。較大的歷史地震荷載引起黃土內部顆粒滑移量較大,架空孔隙結構被徹底擠壓破壞,周圍粒徑較小的顆粒向塌陷的孔隙中滑移,引起顆粒之間的接觸更緊密。此外,顆粒的接觸方式也發生了較大變化,黃土內部顆粒間的接觸開始從點-面接觸向面-面接觸轉變,部分顆粒之間出現“咬合”現象,這也是宏觀上內摩擦角增加的重要內在因素。地震長期效應引起黃土顆粒間的大幅滑移及孔隙結構重組,表明內部微結構變化與歷史地震作用下黃土變形密切相關,如本研究中含水率為10%和15%的試樣在模擬歷史地震預處理中其軸向變形減少量達2.24～4.66 mm,徑向變形增加0.08～1.84 mm,表明試樣被振密。

3 討論

地震長期效應對黃土力學性質影響較大,本研究中黃土試樣初始含水率為10%和15%時,地震長期效應主要引起黃土力學性質中抗剪強度指標增大。結合微結構分析可知,地震引起黃土力學性質的增大與黃土在歷史地震中的微結構變化密切相關。

有學者對粉土在首次地震液化后土體的力學性質進行研究[26-27],指出土體首次液化后的固結比、動應力幅值等指標對其經歷二次地震后時的力學特性有明顯影響,表明早期地震對土體的損傷在后期力學特性變化中得以體現。

歷史地震荷載作用于黃土后,黃土試樣的軸向和徑向均發生明顯的位移,主要表現為軸向的壓縮和徑向的增大,為典型的振密現象。振密將引起內部孔隙結構發生變化,由壓汞試驗和掃描電鏡試驗可知,經歷歷史地震作用后的黃土試樣內部大孔隙結構被破壞,主要表現為被分解為孔徑較小的中孔隙和小孔隙。此外,地震作用主要通過破壞孔隙結構周圍的膠結結構而破壞架空孔隙結構,大孔隙結構失穩后黃土試樣中不穩定的膠結結構被破壞,而相對穩定的結構數量增加,致使黃土內部結構趨于穩定,能夠抵御外部荷載擾動的能力提高。壓汞試驗結果表明,地震影響后,黃土試樣內部的中小孔隙受地震荷載的影響相對較小,黃土內部獨特的大孔隙結構對地震荷載較敏感。大孔隙失穩中也引起黃土內部孔隙的形態及分布發生變化:圓形孔隙轉變為橢圓形,局部大孔隙破壞后被中小孔隙填充。

歷史地震影響后,黃土試樣內部除孔隙結構變化外,顆粒排列方式也發生變化。主要表現為地震擾動后,黃土試樣中的顆粒由不規則排列向定向排列轉變,當初始含水率增加至15%時,黃土試樣內部粒徑較小的顆粒向塌陷的大孔隙中遷移,致使塌陷后的孔隙結構更加致密和穩定。小顆粒向大顆粒周邊移動過程中,大顆粒也產生一定的位移,整個試樣內部顆粒間被擠密,粒間間隙的擠密表明試樣內部孔隙孔徑的減小,宏觀上表現為大孔隙數量減少,與壓汞試驗結果相對應。

當黃土試樣的初始含水率為10%～15%時,地震長期效應對黃土力學性質的影響主要表現為力學強度指標值的增加,與地震引起黃土內部結構振密相關。由于黃土具有水敏性和結構性的典型特征,故當試樣的初始含水率低于10%時,地震長期效應對黃土力學性質的影響需要進行進一步研究分析。

4 結論

通過動三軸模擬歷史地震預處理結合固結不排水三軸壓縮試驗、壓汞和掃描電鏡試驗對地震影響下黃土力學性質變化進行研究,主要分析地震長期效應對黃土力學性質的影響,得出以下結論:

(1)黃土試樣初始含水率為10%～15%時,地震長期效應對黃土力學性質的影響,主要表現為黃土強度增加,峰值偏應力分別增加4.156～24.155 kPa和3.150～24.767 kPa。

(2)歷史地震引起黃土試樣內部大孔隙結構破壞及中小孔隙數量增加是地震長期效應導致其力學性質增加的重要內在機制,而地震引起試樣內部顆粒定向性排列及小顆粒向塌陷的大孔隙中遷移引起顆粒接觸方式改變也是地震影響后黃土力學性質增大的重要原因。

(3)當試樣初始含水率為10%～15%時,地震長期效應將引起黃土力學性質增大,由于黃土具有水敏性和結構性,含水率低于10%時,地震長期效應對其力學性質的影響需要進一步研究。