饱和黄土动态液化和静态液化机理的差异性研究

程 超, 钟秀梅, 刘钊钊, 刘富强,江志杰, 王 谦,, 陶冬旺(1. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃 兰州 70000;2. 中国地震局(甘肃省)黄土地震工程重点实验室, 甘肃 兰州 70000;. 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

黄土是一种以粉粒为主、欠压密、多孔隙、富含可溶盐、垂直节理发育的第四纪沉积物,其广泛分布于我国黄土高原地区,且分布区域大多与强地震区一致[1-2]。国内外多次震例已表明,饱和黄土具有液化势,在地震作用下可产生液化,从而导致土体滑移与不均匀沉降等灾害,如1811、1812年美国新马德里MS8.5、MS8.4、MS8.8地震均在密西西比河东岸引起了液化沉降[3-4],1920年海原MS8.5地震引发了石碑塬液化滑移[5],1989年前苏联塔吉克MS5.5地震引发了吉尔萨液化滑移[6],2008年汶川MS8.0地震引发了田川液化滑坡[7],以及2013年岷县—漳县MS6.6地震引发了永光村液化滑坡[8-9]。不仅如此,动水渗透及土体变形发展可导致饱和黄土静态液化[10],从而诱发滑坡灾害,如陕西泾阳南塬滑坡[11]与甘肃黑方台滑坡[12]等。可见,饱和黄土的动态液化和静态液化及其诱发的黄土斜坡失稳,已成为黄土地区人民生命安全与城镇建设安全的重大隐患。

20世纪80年代后,国内外学者逐渐重视饱和黄土的液化问题,并围绕饱和黄土液化机理开展了大量的研究工作。Prakash等[13]发现在循环动荷载作用下饱和黄土也具有循环软化特性。Puri[14]提出了饱和黄土液化及破坏标准。Ishihara等[6]揭示了由地震引发的黄土液化滑移的机理。王兰民等[5,15]发现在循环动荷载作用下饱和黄土的动孔隙水压力上升,有效应力迅速下降,土体强度大幅降低,动应变急剧增大,最终出现动态液化。杨振茂等[16]发现在强震作用下饱和黄土的结构迅速破坏,体积收缩,在不排水条件下其孔隙水压力上升,土体软化和变形互相促进,最终导致动态液化。金艳丽等[17]发现在灌溉或降雨作用下黄土斜坡达到饱和,孔隙水压力增加,土体剪缩,超孔隙水压力形成,最终导致静态液化。王谦[18]发现在循环动荷载作用下饱和黄土的土骨架对荷载的抵御能力逐渐降低,土骨架强度弱化和动孔隙水压力升高互相促进,结构强度逐渐丧失,最终发生动态液化。刘伟[19]发现在单调静荷载作用下饱和黄土的孔隙水压力不断升高直至有效围压降低至零,架空孔隙结构遇水失稳,黏土颗粒遇水向粉粒孔隙中迁移,从而引起剪缩,最终发生静态液化。闫蕊鑫[20]发现黄土地区普遍存在静态液化型滑坡,并提出了隔水层上覆黄土液化过程与发生机制、饱和黄土触变液化特征与高速远程滑动机制等4个机制。彭建兵等[10]认为在灌溉或强降雨渗透下黄土斜坡形成饱和带,黏聚力与内摩擦角降低,出现滑裂面,滑体蠕动变形,最终导致静态液化。

综上,饱和黄土在不同外荷载作用下其液化机理具有显著差异,然而,有关饱和黄土动态液化和静态液化机理的差异性研究较少。本文以岷县永光Q3黄土为研究对象,基于室内动、静三轴试验和SEM细观结构测试,研究饱和黄土在动、静荷载作用下的应力-应变关系,孔隙水压力-应变关系和孔隙结构特征,分析了动、静态液化机理,探讨了液化机理差异性。研究结果有助于进一步认识饱和黄土液化机理,并可为黄土地区液化及液化诱发滑坡灾害的防治提供理论参考。

1 试验材料与方法

1.1 黄土试样

试验所用的原状土样取自甘肃省岷县永光村,为Q3黄土,取样深度为8 m,取样方法参考《建筑工程地质勘探与取样技术规程(JGJ/T87-2012)》[21]。取样点的位置和取样过程如图1所示,室内土工试验得到的原状黄土基本物理性质如表1所列,图2所示。

图1 取样点的位置和取样过程Fig.1 Location of sampling point and sampling process

初始容重/(kN·m-3)含水率/%比重液限/%塑限/%塑性指数15.9512.422.7127.0017.509.50

图2 原状黄土的颗粒级配曲线Fig.2 Particle-size curve of undisturbed loess

1.2 试验设备及方法

研究中动、静三轴试验均在WF-12440型动态三轴-空心圆柱扭剪试验系统(图3)上完成。该设备应变测试精度可达1×10-5,其配备的反压饱和系统可保证试样达到较高饱和度的同时尽可能减小对试样的扰动[22]。试验操作严格按照《土工试验方法标准(GB/T 50123—2019)》[23]进行。试验时,首先将取备的原状黄土试样制备成直径50 mm、高100 mm的圆柱形试样。然后在试验机上采用低反压饱和法进行饱和,通过多级饱和直至B值达到0.95,判定为土体饱和;为了减小固结加压对试样的扰动,所有试样均采用各向同性固结。对于动三轴试验,固结压力均选定为100 kPa,选用频率为1 Hz的等幅正弦荷载进行循环加载,动应力幅值分别为20 kPa、25 kPa和30 kPa;动态液化破坏标准为:动孔隙水压力比ud/σ′0≥0.7,或动孔隙水压力比ud/σ′0≥0.2且轴向动应变εd=3%,哪个标准先达到就以哪个为准[1]。对于静三轴试验,固结压力分别选用80 kPa、140 kPa和200 kPa,剪切时采用应变控制不排水剪切,剪切速率均为0.6 mm/min,当土体轴向应变达到16%时试验终止,选择轴向应变达到15%作为土体的剪切破坏标准。为便于与动态液化比较,静态液化破坏标准与动态液化统一,即:孔隙水压力比u/σ′0≥0.7,或孔隙水压力比u/σ′0≥0.2且轴向应变ε=3%,哪个标准先达到就以哪个为准[1]。

图3 WF-12440型动态三轴-空心圆柱扭剪 试验系统Fig.3 WF-12440 dynamic triaxial-hollow cylinder torsional shear test system

土体SEM细观结构测试由KYKY-2800B型扫描电子显微镜(图4)完成。试验时,首先采用真空冷冻干燥法干燥土样,然后在干燥的土样上取新鲜断面,并将其背部进行磨平处理,制备成长10 mm×宽10 mm×厚2 mm的方形薄片;然后将方形薄片用导电胶粘在样品托上,并放入离子溅射仪中喷涂金膜,使其表面能够导电并反射二次电子成像;最后将喷金后的试样置于扫描电子显微镜中,分别设置放大倍数为100倍、200倍、400倍、500倍和1 000倍,待图像聚焦后进行模拟拍摄。

图4 KYKY-2800B型扫描电子显微镜Fig.4 KYKY-2800B scanning electron microscope

2 试验结果及分析

2.1 动态液化

基于动三轴试验得到的饱和黄土动应力σd与动应变εd滞回曲线如图5所示。由图5可知,在各动应力条件下,循环动荷载作用初期,饱和黄土的动应变增长缓慢,滞回圈长轴斜率较大,面积较小;动应变持续增大,并伴随产生残余变形,滞回圈面积也不断增大;当循环加载达到一定振次时,动残余变形迅速增大,滞回圈长轴斜率明显减小,短轴变长,面积增大,并出现动应力衰减,说明土体残余强度逐渐降低,产生动态液化。

图5 动应力与动应变关系曲线Fig.5 Relationship between dynamic stress and dynamic strain

此外,不同动应力条件下,其σd-εd曲线形态具有较大差异。动应力σd越大,饱和黄土的滞回圈高度、宽度、开口越大,滞回圈面积也越大,说明每个荷载循环中的能量耗散越多,其内部损伤累积越大,越容易发生动态液化破坏。

根据动三轴试验记录的孔隙水压力结果,通过归一化处理计算得到动孔隙水压力比ud/σ′0(动孔隙水压力ud与有效围压σ′0的比值),绘制饱和黄土动孔隙水压力比ud/σ′0与轴向动应变εd关系曲线,如图6所示。

图6 动孔隙水压力比与动应变关系曲线Fig.6 Relationship between dynamic pore water pressure ratio and dynamic strain

由图6可知,在循环动荷载作用初期,因饱和而处于亚稳定状态的土骨架由于振动作用再次变形,使得大颗粒互相靠拢,部分小颗粒与团粒填充大、中孔隙,孔隙比减小,动孔隙水压力急剧上升。随着孔壁上具有隔水及胶结作用的可溶盐的进一步溶解,原有的部分封闭孔隙打开,进而使孔隙扩展、互通,甚至出现贯通通道[18],一定程度上使原先充水的孔隙中累积的动孔隙水压力得到消散。与此同时,动残余变形因微结构的破坏而充分增长。随着循环动荷载的持续作用,相邻贯通通道间的薄壁结构因动孔隙水压力的作用而破坏,有效应力迅速降低,动残余变形急剧增长,最终土体因残余强度无法抵御循环动荷载作用而发生动态液化。

2.2 静态液化

基于静三轴试验得到的饱和原状黄土偏应力q与轴向应变ε关系曲线如图7所示。由图7可知,不同围压条件下,饱和黄土的q-ε曲线均表现出弱硬化型特征,变化趋势大致分为三个阶段:初始阶段(0%<ε<1%),轴向变形开始发展且q-ε曲线斜率较大;平缓阶段(1%<ε<6%),轴向变形缓慢递增,q-ε曲线斜率较小;稳定阶段(ε>6%),偏应力q随轴向应变ε的增加而趋于稳定。这是由于在单调静荷载作用下,饱和黄土孔壁坍塌,孔隙收缩,导致偏应力q随轴向变形的发展而缓慢增大,当达到峰值强度后,土颗粒重新排列,内部应力重分布逐渐均匀,使得q-ε曲线趋于稳定。

图7 偏应力与轴向应变关系曲线Fig.7 Relationship between deviator stress and axial strain

根据静三轴试验记录的孔隙水压力结果,计算得出饱和黄土孔隙水压力比u/σ′0,绘制其与轴向应变ε的关系曲线,如图8所示。

图8 孔隙水压力比与轴向应变关系曲线Fig.8 Relationship between pore water pressure ratio and axial strain

由图8可知,在不同围压条件下,孔隙水压力比u/σ′0均在轴向应变ε增长的初期呈近似线性增长,轴向应变ε>10%之后增长速度逐渐放缓。这是由于静荷载作用下,土体内的架空孔隙首先被破坏,颗粒发生重组,使得在变形初期孔隙水压力的增长作用和消散作用处于相对平衡的状态;荷载作用后期,由于细小颗粒充填导致孔隙水压力传递通道受阻,且土体在较大变形时,原有的部分封闭孔隙受逐渐增大的荷载作用,孔壁破坏,使得其被孔隙水充填,一定程度上加剧了孔隙水压力的消散作用。

根据图6、图8可知,在相同应变的条件下,动态液化的孔隙水压力比远大于静态液化的孔隙水压力比,这是由于动荷载作用下,土体中首先会产生弹性孔隙水压力,有效应力的降低使得土骨架相对于静力条件下存在更大的变形势;同时,循环荷载作用时,构成土骨架的颗粒重组,但其过程不仅包含架空孔隙的坍塌,而且包含颗粒-孔隙结构体系在动荷载作用下的不断调整,以达到一定的动态平衡状态。而静荷载作用下,土骨架的破坏将首先发生在薄弱部位,即初始阶段土的变形主要来源于架空孔隙坍塌导致的颗粒重组;因此,相同应变状态下,循环动荷载作用时的孔隙水压力比较大。此外,土体的液化过程中孔隙水压力的增长伴随着累积孔隙水压力的增加和孔隙结构变化对孔隙水压力的消散,其具有明显的时间效应。相对于静态液化,动态液化达到一定应变所需时间较短,孔隙水压力消散较少,因此其孔隙水压力比相对较大。

2.3 液化前后的细观结构特征

放大倍数为200倍的SEM图像可以较为清晰地观察到土体细观结构变化的总体情况,因此首先选择其来定性分析,如图9所示。图中红色线条示意孔隙边界,黄色线条示意团粒边界。

图9 原状黄土液化前后的细观结构Fig.9 Mesostructure of undisturbed loess before and after liquefaction

按照与孔隙等面积圆半径R的大小,将黄土中的孔隙分为四类:当R<0.001 mm时,称其为微孔隙;当0.001 mm≤R<0.004 mm时,称其为小孔隙;当0.004 mm≤R<0.016 mm时,称其为中孔隙;当R<0.016 mm时,称其为大孔隙[24]。

由图9可知,原状黄土结构均匀,颗粒边界清晰,颗粒间连接以镶嵌搭接为主,且分布有团粒,孔隙数量不多,但孔隙边缘相对光滑,互相独立;动态液化后黄土结构破碎,颗粒边界模糊,孔隙数量有所增加,孔隙边缘变得不规则且多棱角,且形成了贯通通道[18],其形状为长条状,但走向不明显;静态液化后黄土结构破碎,颗粒边界更加模糊,大孔隙数量增加,孔隙形状各异。

为进一步分析动、静态液化后原状黄土孔隙细观特征差异,采用南京大学刘春等[25]开发的PCAS孔隙图像识别与分析系统对SEM图像进行处理。为保证获取足够的信息量并使照片处理结果较为准确,选择8～10张放大倍数为500倍的SEM图像,提取并计算表观孔隙比、孔隙度分维值、概率熵与孔隙分形维数等细观结构参数,去除最大值和最小值后取平均值,所得结果如表2所列。

表2 液化前后饱和黄土的细观结构参数

表观孔隙比是指SEM图像中的孔隙与颗粒的面积之比,可以间接反映土体三维空间孔隙比的变化[26]。由表2可知,饱和黄土动态液化与静态液化后的表观孔隙比均有明显增加,前者小于后者。结合图9可知,外荷载作用破坏了土体中原有的孔隙结构,部分孔隙受孔隙水压力的作用不断扩展并互相连通形成压力传递通道,从而使得土体的大孔隙数量增多,表现为表观孔隙面积有所增加;然而,静态液化后黄土形成了数量众多、形状各异的大孔隙,从而导致静态液化后饱和黄土的表观孔隙面积变得更大。

孔隙度分维值基于分形理论,是描述土体孔隙尺度分布的定量评价指标[27]。孔隙度分维值越大,说明孔隙尺寸相差越大,孔隙的均一性越差。由表2可知,饱和黄土动态液化与静态液化后的孔隙度分维值均有所增加,前者小于后者。结合图9可知,外荷载作用破坏了土骨架,微孔隙与小孔隙连通,从而使得土体的大、中孔隙的数量增多,导致孔隙尺寸差别有所增大;然而,在静态液化的破坏过程中,部分大、中孔隙又被落入其中的细小颗粒充填,加大了孔隙尺寸差别,从而导致静态液化后饱和黄土的孔隙均一性变得更差。

概率熵是反映结构单元体有序性的物理量,可以描述黄土孔隙的整体排列状况[28]。概率熵值越小,说明孔隙排列越规则,有序性越高。由表2可知,饱和黄土动态液化与静态液化后的概率熵均有所增加,前者大于后者。结合图9可知,外荷载打乱了土体中原有孔隙的有序排列,导致概率熵增大;然而,相对静态液化而言,动态液化的破坏过程更加迅速,孔隙没有时间重新排列规则,从而导致动态液化后饱和黄土的孔隙排列变得更无序。

孔隙分形维数是反映孔隙结构复杂程度的定量参数[29]。孔隙分形维数越大,说明孔隙结构越复杂,孔隙的空间形貌特征偏离光滑表面的程度越远。由表2可知,饱和黄土动态液化的孔隙分形维数有所增加,静态液化后的孔隙分形维数变化较小。结合图9可知,动态液化后黄土形成了数量多、形状不规则的孔隙与长条状、走向不明显的贯通通道,从而使得其孔隙结构变得更复杂。

3 液化机理差异性探讨

基于动态液化和静态液化分析结果,发现荷载类型对液化过程中的力学特征和结构特征具有显著影响,其液化机理也具有明显差异。饱和黄土动态液化的机理是循环动荷载作用下土骨架发生破坏,孔隙发生变形,从而导致孔隙水压力上升,直至土体因结构强度无法抵御循环动荷载作用而呈现出以流滑[30]为特征的液化破坏。饱和黄土静态液化的机理是单调静荷载作用下土体内的架空孔隙发生破坏,落入孔隙中的土颗粒重新排列、组合,孔隙水压力逐渐增加直至液化破坏。

在原状黄土的沉积过程中,由于物理化学因素,促使其颗粒接触处产生了固化联结键[31],该联结键使土骨架具有一定的结构连接强度,而这种连接强度的形成又阻碍了它的正常压密,所以原状黄土具有较高的孔隙比[16]。黄土的强度主要由颗粒胶结物质决定,且其胶结物质以黏土矿物(其中伊利石占62%)与CaCO3为主,其次是其他水溶盐与腐殖质等[31]。饱和后,由于胶结物质中的易溶盐NaCl、KCl、Na2SO4、NaCO3部分溶解[15]与颗粒周围水膜吸附,使得土体中的双电层变厚,导致黏聚力减小;另一方面,由于土体中的部分架空孔隙解构,使得孔隙周围的颗粒重新排列,且颗粒间的润滑作用因浸水而增强,在一定程度导致内摩擦角减小,最终使得土体的强度降低。尽管饱和后土体的强度有所降低,但浸水变形稳定后的饱和黄土仍保留了大部分结构强度,土骨架处于亚稳定状态[18]。

饱和黄土动、静态液化均伴随着孔隙水压力的变化,而孔隙水压力的变化与土骨架及孔隙变化有关,因此可从细观结构的角度比较两种液化机理的差异性。在轴向应变增长的初期,动态液化的孔隙水压力增长速度比静态液化的孔隙水压力增长速度要快。这是由于循环动荷载作用下,土骨架因颗粒位移、重排而出现破坏,部分小颗粒与团粒填充大、中孔隙,孔隙比减小,土体中产生弹性动孔隙水压力;而在单调静荷载作用下,土骨架薄弱部位即架空孔隙结构首先因孔壁坍塌而被压缩,颗粒重新排列、组合,此时孔隙水压力此消彼长,处于相对平衡的状态。

在轴向应变增长的中期,动态液化的孔隙水压力增长速度比静态液化的孔隙水压力增长速度要慢。这是由于循环动荷载作用下,构成土骨架的颗粒重新排列、组合,同时封闭孔隙因胶结物质和隔水物质部分溶解[15]而被打开并浸水,大、中孔隙扩展、互通,甚至出现贯通通道,孔隙比增大,此时动孔隙水压力的增长作用和消散作用处于动态平衡状态;这与王谦[18]观察到的动态液化现象一致。而在单调静荷载作用下,由于落入原有孔隙内的细小颗粒充填孔隙,孔隙比减小,此时动孔隙水压力的增长作用略大于消散作用,从而使得孔隙水压力增长速度有所变缓。

在轴向应变增长的后期,动态液化的孔隙水压力增长速度再次变快,远超过静态液化的孔隙水压力的增长速度。这是由于持续的循环动荷载作用使得动孔隙水压力的累积作用远大于消散作用;而随着单调静荷载的逐渐增大,土体中的封闭孔隙逐渐被打开,孔隙比增大,从而使得孔隙水压力的消散作用在一定程度上加剧了。

4 结论

在对饱和黄土进行动三轴试验、静三轴试验和扫描电镜试验的基础上,分析饱和黄土动态液化和静态液化机理的差异性,得出以下主要结论:

(1) 在循环动荷载作用下,土骨架发生破坏,孔隙发生变形,从而导致孔隙水压力上升,直至土体因结构强度无法抵御循环动荷载作用而呈现出以流滑为特征的动态液化;而在单调静荷载作用下,土体内的架空孔隙逐渐被压缩,落入孔隙中的土颗粒重新排列、组合,孔隙水压力逐渐增加直至液化破坏。

(2) 与静态液化相比,动态液化后饱和黄土的表观孔隙面积更小,孔隙均一性更好,孔隙排列更无序,孔隙结构更复杂。

(3) 两种液化机理的差异性主要表现在加载导致的细观结构变化过程差异引起的孔隙水压力增长模式不同。与静态液化相比,动态液化的孔隙水压力增长速度在轴向应变增长初期更快,在轴向应变增长中期更慢,在轴向应变增长后期再次变快,远超过静态液化的孔隙水压力的增长速度。原状黄土结构均匀,孔隙数量不多,但液化后结构破碎,且动态液化后形成了长条状贯通通道,静态液化后形成了许多形状各异的大孔隙。