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揭秘黄土液化

发布时间:2020-10-12 13:44:36 来源:甘肃省地震局
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作者:王 平,柴少峰 ,车高凤

中国地震局黄土地震工程重点实验室

  摘要:饱和黄土地震液化是黄土地区典型震害之一,本文采用典型震例揭示了黄土液化的巨灾性,结合黄土自身特有的结构性、动力易损性、水敏性揭示了黄土液化机理。并且,从特殊土的角度揭示了黄土液化与砂土液化的区别,系统提出了判别方法和处置技术。

  1.黄土液化震(振)害

  历史强震曾多次诱发饱和黄土地层液化,造成低角度斜坡地层滑移、泥流和地面沉降,导致大量的人员伤亡和财产损失,如1989年塔吉克Ms5.5地震中黄土液化、1920年海原Ms8.5地震中固原县石碑塬黄土液化滑移(如图1)。2008年汶川地震和2013年岷漳地震也发生了黄土液化导致的斜坡土体滑移现象(如图2)。此外,现场爆破、工程振夯也证实了黄土液化可以造成灾害。揭秘饱和黄土液化机理,并提出饱和黄土液化的判别方法,对于防止和减轻黄土地区地震灾害、提升工程震灾防御能力具有重要意义。

2-图1

  2.黄土的结构性

  黄土是指以风力搬运的第四纪(地质年代)黄色粉土沉积物,具有成厚层连续分布的特点,在黄土地区它掩覆在低分水岭、山坡、丘陵,常与基岩不整合接触,无层理,常含有古土壤层及钙质结核层,垂直节理发育,常形成陡壁。风成特征使其颗粒组分以粉粒为主(见图3),具有垂向分布的节理和肉眼可见的大孔隙,土体颗粒之间多有可溶性盐晶胶结(如图4),从而使其具有强烈的水敏性和动力易损性。

2-图2  2-图3

图3黄土的粒度分布(孙军杰)             图4黄土的架空孔隙结构(刘红玫)

  3.饱和黄土地震液化机理

2-图5

(a)原状黄土,σ3=200kPa

2-图5b

(b)重塑黄土,σ3=100kPa

  图5原状和重塑黄土动应力、应变和孔隙水压力变化曲线(王谦)

  饱和黄土的液化主要是由它的物理力学特性、微结构特征以及水电化学性质决定的,外部因素动荷载和水的共同作用,都会影响土体强度(用粘聚力和内摩擦角表征),导致饱和黄土液化灾害。通常情况下,黄土饱和后土中起胶结作用的可溶性盐类部分溶解,土中黏粒等细颗粒吸水,导致土体黏聚力降低;部分土体内由于架空孔隙解构,孔隙周缘颗粒重排,同时,由于土体浸水给土颗粒之间提供了润滑,表现为内摩擦角有一定程度的减小,致使土体内摩擦力急剧降低。因此,黄土在浸水后,黏聚力和内摩擦力的降低共同导致了土体强度衰减。对于饱和后变形稳定的土体,其大部分结构强度仍会保留,土骨架此时处于亚稳定状态。如图5黄土的动应力、应变和孔隙水压力变化曲线所示,在动荷载作用下,亚稳态的土骨架再次变形,导致土体内孔隙体积被压缩,这便产生累积动孔隙水压力,从而使得土体有效应力持续减小,土骨架抗变形能力持续降低,直至土骨架的残余强度不足以抵御外界动荷载时,土体由于土骨架的损毁形成破坏。同时,由于持续的动荷载作用,使得土体内的动孔隙水压力稳定累积,从而使得土体在形成破坏后呈现近似的流态,如图6所示。

2-图6

图6 饱和黄土液化前后SEM微结构照片(王谦)

  4.黄土液化和砂土液化的区别

  学者给出了:饱和砂土液化是由于孔隙压力的升高而引起剪切强度丧失和有效应力降低,当孔隙压力与围压的比值接近100%时,砂土就会发生液化。对饱和马兰原状黄土试样的液化试验表明,饱和黄土完全液化时,孔压仅能上升到围压的70%左右,这对应于液化时的动应变可达2%-14%。而黄土的结构破坏应变为3%,当应变超过3%时,土体即会出现地层滑移、泥流和地面沉降等灾害。

  5.黄土液化的判别

  黄土液化势的判别是对未来强震中黄土场地是否产生液化以及液化等级的预测,其对工程地基的抗液化处理具有重要的指导意义。

  5.1黄土地基液化势初判方法

  对于饱和黄土场地,在设防烈度为Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度下,土中黏粒含量百分率分别为12、15和18时,可不考虑液化;当饱和黄土的含水率超过塑限含水率时,土体可产生类液化现象;当饱和黄土层中的剪切波速大于500m/s时,土体不具有液化势。

  5.2黄土地基液化势详判方法

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表1 液化判别标贯击数基准值参考值表(王兰民)

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表2 天然黄土液化等级判定标准(王兰民)

  在动荷载作用下,土体轴向变形大于3%且孔压比大于等于时0.2,判定该黄土发生液化破坏。其黄土地基液化可用标准贯入判别法判别地面以下20m范围内的液化,液化判别标准贯入锤击数临界值按照《建筑抗震设计规范(GB50011-2010)》规定计算,并根据液化指数(IIE)划分天然黄土液化等级分别为轻微、中等和严重三级。黄土液化判别标贯击数基准值参考值和天然黄土液化等级判定标准详见表1、表2。

  6.黄土场地抗液化处理技术

  为减少黄土地基液化灾害的发生,进行黄土地基抗液化处理技术和桩基抗震设计原则研究尤为重要。现有的地基处理方法众多,黄土地基可采用振冲挤密或振冲置换、强夯碎石墩,改性、改良等地基处理方法提高地基承载能力和抗液化能力。针对地基不同液化等级,结合高层建筑物的类别,可通过对基础与上部结构处理,或更高要求的措施,以期实现全部或部分消除液化沉陷,制定地基处理标准及结构措施。在桩基设计措施方面,则采取基桩抗震构造措施,并进行场地地基处理,包括基桩的液化前、液化后水平承载力测试,以及水平位移和稳定性验算等。

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