0.   引言

土体大规模液化滑移灾害是地震诱发的重要次生灾害之一。1920年海原地震^[1]、2008年汶川地震^[2]和2018年印尼帕卢地震^[3]等多次强震均曾引发土体大规模液化滑移灾害,造成了大量的人员伤亡与财产损失。对于土体液化大变形方面的研究,陈育民等^[4]、刘汉龙等^[5]利用流体力学方法研究了饱和砂土液化后的力学特性与变形特征。潘华等^[6]通过对饱和南京细砂液化后特大流动变形特性的循环扭剪试验研究,探讨了初始有效围压、相对密度对饱和南京细砂液化后特性的影响。邹佑学等^[7]通过FLAC^3D二次开发平台,在VC⁺⁺环境下实现了基于砂土液化大变形机制的变动映射中心边界面弹塑性模型的二次开发。

上述研究主要是针对于饱和砂土和粉土进行的。然而,国内外的震害实例和室内试验研究都已证实饱和黄土,甚至高含水率的黄土具有显著的液化势,在一定强度的地震作用下可发生液化现象,导致大规模的黄土液化滑移灾害。Ishihara等^[8]通过研究认为前苏联塔吉克境内的流滑现象是由黄土地震液化造成的。

白铭学等^[1]通过对固原石碑塬地区滑移区进行实地考察和室内试验,提出滑移是由于马兰黄土中含砂层段地震液化上涌推挤两侧土体而造成的。杨振茂等^[9]通过应力控制固结不排水三轴试验,提出了饱和黄土流滑破坏的产生条件,并利用稳态强度理论来判断饱和黄土能否产生液化流滑的可能性。王兰民^[10]综合现场勘察、室内试验以及数值模拟分析结果,研究了黄土地层液化滑移的滑动条件、运动学及动力学特征,论述了黄土地层大规模地震液化滑移的机制,构建了滑距和致灾范围预测模型。

综上所述,尽管国内外已开展了关于土体液化大变形方面的研究,但此类研究主要针对砂土和粉土展开,对于黄土研究较少。本文在前人研究工作的基础上,通过对1920年海原地震中石碑塬黄土液化滑移区进行现场考察,选择了位于滑移区后缘的未扰动场地开挖探井取样,并在室内开展了饱和原状黄土的动三轴液化试验和液化后土体的三轴剪切试验。利用流体力学方法研究了黄土液化后的流动特性,研究结果可为黄土地区液化滑移灾害机理的认识和灾害预防提供参考依据。

1.   试验设备与试验方法

1.1   试样及试验设备

本次试验所采用的试样均取自石碑塬南液化滑移区后缘未扰动地层,取样深度为15 m。在现场取备长100 mm、宽100 mm、高200 mm的立方体土块封装后运至室内开展试验。试样的物性指标见表1。

表  1  试样物性指标

Table  1.  Basic physical parameters of loess samples

参数	取样深度/m	颗粒组成/%			孔隙比	含水率/%	塑性指数
		黏粒	粉粒	砂粒
数值	15	12.4	33.8	53.8	7.0	9.1	7.6

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试验由中国地震局黄土地震工程重点试验室的WF-12440型动三轴-空心圆柱扭剪试验系统完成。该系统配备了反压饱和装置,可有效提高饱和度,从而确保液化试验的精确度。

1.2   试验方法

试验室内将石碑塬液化滑移区后缘取备的原状土样统一切削成直径50 mm×高100 mm的圆柱形试样备用。采用低反压饱和法对试样进行饱和,该方法使土样的饱和度达到90%以上,使其达到规范中关于黄土饱和度的要求。为了减小试样在静压过程中的变形量,选择固结比Kc=1,轴向压力和围压均为100 kPa。固结变形小于0.0005 mm/min时,表明试样固结稳定^[11]。因地震作用具有加速度越高,持时越长,频率越低,则破坏越严重的特点,试验采用动荷载为频率1 Hz的等幅正弦荷载。试样液化破坏标准：轴向动应变ε_d≥3%且孔隙水压力比U_d/σ′₀≥0.2^[12]。

试样达到规定液化标准后,随后开展三轴剪切试验。不同试样的围压分别采用140, 200, 250 kPa。剪切速率为0.4 mm/min^[11]。试验加载过程如图1所示。

图  1  试验加载过程

Figure  1.  Loading process of tests

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2.   试验结果分析

2.1   试验结果

根据试验记录的动应力、动应变和动孔隙水压力变化过程,绘制饱和黄土的孔压比、轴向应变以及振次的变化曲线,如图2所示。由图可知,在循环加载前期,即振次在0~36次时,轴向应变以及孔压比的增长速率相对稳定,表明此时黄土试样的结构破坏为渐进破坏,抵抗外界干扰的能力较强。当振次达到40次左右时,黄土试样的轴向应变及孔压比开始急剧增大,动应力累积导致试样快速破坏失稳,丧失承载能力。此时黄土试样的轴向应变为1.5%左右,孔压比达到0.3,即未达到液化标准规定的轴向应变3%,试样就产生液化现象,目前的液化标准可能趋于保守。

图  2  孔压比-轴向应变-振次关系曲线

Figure  2.  Relationship among pore pressure ratio, axial strain and vibration number

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在试样达到液化标准后,立即开展恒定剪切速率的三轴剪切试验。试验记录试样的剪应力-剪应变变化曲线,如图3所示。由图3可知,剪应力-应变曲线呈“应变弱软化”状态。剪应力-应变曲线在前期呈现线性增长模式,表明此时试样在达到试样的液化标准时,并未完全丧失结构性,并能承受一定程度外部荷载作用。随着剪切试验的不断进行,在曲线达到峰值后,随着剪应变的增加,剪应力开始减小并最终较为稳定,表明黄土试样的结构性完全丧失,对外部荷载的抵抗能力下降。

图  3  剪应力-剪应变关系曲线

Figure  3.  Curves of shear stress versus strain

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2.2   黄土液化后流动特性

震害实例和室内模型试验结果表明^{[1, 13-14]},饱和黄土达到液化后具有一定的流动性,故可将液化后的土体假定为流体进行研究。利用流体力学原理分析任意时刻饱和黄土的黏滞性。为了研究饱和黄土液化及其流态化运动的过程与形成机制,基于液化后土体的三轴剪切试验结果,通过计算表观黏度来表征饱和黄土液化后的流动性。表观黏度通过下式计算：

式中,τ_a(t), 为对应时间的剪应力和剪应变率,η(t)为表观黏度。

式中,γ_i-1, γ, γ_i+1为时刻t_i-1, t, t_i+1的剪应变值。

根据式(1), (2)计算得出液化后黄土的表观黏度,并绘制表观黏度随轴向应变变化规律曲线,如图4所示。由图可知,随着轴向应变的增加,3个试样的表观黏度均出现了先增大后减小的现象,以试样sby-1为例,在轴向应变达到8%以前,试样的流动特性呈“剪切稠化”状态,即流动性能越来越差,在轴向应变达到8%后,试样的流动特性转而变成“剪切稀化”状态,试样的流动性能趋于良好。

图  4  表观黏度-轴向应变变化曲线

Figure  4.  Curves of apparent viscosity versus axial strain

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为了综合分析剪切过程中孔隙水压力和有效应力的变化对表观黏度的影响,以sby-1(围压140 kPa)黄土为例,绘制表观黏度、孔隙水压力及有效应力随轴向应变的变化曲线,如图5所示。由图可知,土样在三轴剪切的过程中,孔隙水压力不断增加,有效应力不断减小,二者相等时的轴向应变与表观黏度达到峰值时的轴向应变较为相近。因为试样开始三轴剪切的条件是达到试验规定的液化条件,但由于黄土具有较强的结构性以及颗粒间较强的黏聚力,使得黄土试样在达到试验规定的液化条件后,仍具有一部分抗剪强度与承载力,并未完全呈现出“流体”的性质,并未达到“完全液化”的状态,因此在三轴剪切时表观黏度首先呈现上升的现象,随着剪切试验的进行,孔隙水压力不断上升,试样最终达到“完全液化”状态,表现出“流体”特性,表观黏度不断降低,流动性趋于良好。

图  5  表观黏度-孔隙水压力-有效应力-轴向应变关系曲线

Figure  5.  Relationship among apparent viscosity, pore water pressure, effective stress and axial strain

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3.   石碑塬液化滑移灾害的形成机制

3.1   石碑塬地区地质条件

石碑原位于清水河沉降带南部头营与固原之间。在地貌上表现为一个孤兀高起的黄土塬,塬面向西和北西方向倾斜。滑移发生于黄土塬面以西的四级黄土台原上,地震前地面坡降为2.5%^[1]。南液化滑移区南北长约2.1 km,东西宽1.2~1.3 km,影响范围约2 km²。滑移区距离1920年海原地震震中约70 km,地震烈度达到Ⅹ度。液化滑移区的地下水主要来自大气降水和塬面汇水流入补给,上部潜水位位于8~20 m^[10]。石碑塬液化滑移区的地层结构如图6所示。

图  6  石碑塬地区地层剖面^[10]

Figure  6.  Stratigraphic section of Shibeiyuan area

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3.2   石碑塬液化滑移灾害形成机制

地震前地下水位的异常上升使得第一古土壤层下的砂质黄土层饱和。饱和后的砂质黄土层在海原地震长时间的地震力作用下产生液化现象^[15]。上部黄土层在地震作用下酥裂并“粉尘化”^[16],在液化层的“托浮”下沿缓斜坡运动。由图6可知,砂质黄土层上下均为渗透性极差的古土壤层,使得液化后的砂质黄土层内的孔隙水压力无法快速消散,且液化后黄土在受到单调剪切作用时会呈现“剪切稀化”性质。综合以上因素,最终导致低角度,长距离的液化滑移灾害的发生。

4.   结论

本文在已有研究的基础上,利用流体力学的方法对黄土液后的运动特性进行了分析与研究,并对石碑塬地区黄土液化滑移灾害的形成过程、运动特征进行研究分析。主要得出2点结论。

(1)石碑塬黄土在饱和状态下的表观黏度随着轴向应变的持续增加,由“剪切稠化”转变为“剪切稀化”,转变原因与黄土的结构性以及液化标准的选取有关。

(2)石碑塬地区较为特殊的地层结构(砂质黄土层上下均为渗透性极差的古土壤层)以及黄土液化后在受单调剪切时表现出的“剪切稀化”特性是导致低角度、长距离液化滑移灾害的重要原因。