徐 敏, 裴向軍, 張曉超(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

1920年寧夏海原8.5級地震引發(fā)了大量的黃土滑坡、崩塌群以及地震堰塞湖。其中發(fā)生在極震區(qū)東南部固原縣境內(nèi)清水河Ⅳ級黃土臺塬上的低角度地震液化黃土滑坡——石碑塬滑坡，就是典型的一例。石碑塬滑坡原始坡度2°～5°，從滑坡后壁開始延著滑移方向為一系列連續(xù)銜接的波浪起伏狀蛇形土丘，土丘長20～40 m，高2～3 m，長軸方向與滑坡的主滑方向大體垂直。因其規(guī)模的宏大、地表現(xiàn)象的奇特，引起了眾多專家學(xué)者的關(guān)注，他們分別從不同角度、不同深度和研究路徑對此進(jìn)行探討。

白銘學(xué)等對石碑塬黃土層低角度滑移進(jìn)行研究,認(rèn)為滑移是由于馬蘭黃土中含砂層段地震液化上涌推擠兩側(cè)土層而造成的[1]。王家鼎等通過對石碑塬滑移區(qū)滑移現(xiàn)象及其特征的現(xiàn)場勘察和室內(nèi)試驗，提出了黃土體解體、斜拋、粉塵化和遠(yuǎn)程運移而形成黃土流或黃土瀑布的復(fù)合機(jī)理[2]。袁麗俠提出海原地震誘發(fā)低角度滑坡的形成機(jī)理是震時突發(fā)水異常造成飽和粉砂土層震動液化后拖動上部黃土沿低角度共同滑移[3]。王蘭民等從土動力學(xué)、水電化學(xué)和微結(jié)構(gòu)角度對飽和黃土液化機(jī)理進(jìn)行了探討并提出了黃土液化的兩個判別標(biāo)準(zhǔn)[4]。李蘭等研究了黏粒含量對黃土抗液化能力的影響[5]。孫海妹等對黃土飽和方法進(jìn)行了試驗研究[6]。王蘭民、劉公社和佘躍心等多位學(xué)者對黃土的孔壓發(fā)展規(guī)律做了一些研究，通過對黃土試驗結(jié)果的擬合提出了不同取土地區(qū)的孔壓發(fā)展模式[4，7，8]。

通過對石碑塬滑坡的現(xiàn)場踏勘、鉆孔、坑槽探取樣以及大量的室內(nèi)試驗，本文在前人研究的基礎(chǔ)上探討了強(qiáng)震作用下石碑塬滑坡黃土的動力特性，并依據(jù)試驗成果，從液化的地震強(qiáng)度條件、土層特性、水文地質(zhì)條件等方面論述石碑塬滑坡的形成機(jī)制。

1 黃土動力特性

1.1 試驗設(shè)計

本項研究主要進(jìn)行了動模量、動阻尼比、液化和動強(qiáng)度試驗，試驗均采用美國MTS公司制造的MTS810 Teststar程控伺服土動三軸儀進(jìn)行。本次試驗所用試樣取自石碑塬滑坡后壁(取樣點Ⅰ)、滑移區(qū)飽和帶(取樣點Ⅱ)和滑移區(qū)外(取樣點Ⅲ)，具體取樣位置如圖1所示。每個取樣地點各采集9～15個試樣，其各項物理指標(biāo)見表1(每組試樣的平均值)。 試樣均為直徑50 mm、高100 mm。所有試樣均采用水頭和反壓飽和法，B值達(dá)到0.95以上。試驗在固結(jié)不排水條件下進(jìn)行；試驗時的固結(jié)壓力，根據(jù)取樣深度，分別取100 kPa、150 kPa和200 kPa；固結(jié)完成后，施加不同的動荷載，直到試樣破壞為止。試驗所用震動波形為正弦波，震動頻率為1 Hz，固結(jié)比Kc=1。

1.2 試驗成果及分析

1.2.1 黃土動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系

石碑塬滑坡黃土在不同取樣地點(以σo=100 kPa為例)和不同固結(jié)圍壓下(以取樣點Ⅰ為例)的動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。首先，我們可以看出：相同圍壓下不同取樣地點的飽和黃土達(dá)到相同的動應(yīng)變所需的動應(yīng)力差異較大。其中滑坡后壁原狀黃土所需動應(yīng)力較滑移區(qū)飽和帶黃土小，主要原因是飽和帶黃土系擾動土樣，地震后其物理力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征已發(fā)生變化；而滑移區(qū)外原狀黃土所需動應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過滑坡后壁黃土，進(jìn)一步說明在同一地震動作用下滑移區(qū)外黃土較不易發(fā)生破壞。其次，在同一固結(jié)圍壓下，動應(yīng)力較小時，動應(yīng)變隨著動應(yīng)力的增大而增大的趨勢較為明顯，當(dāng)動應(yīng)力達(dá)到一定值后動應(yīng)變隨著動應(yīng)力的增大而增大的趨勢開始變得緩和，這是由于黃土的振密效應(yīng)所引起的。任一應(yīng)變下，動應(yīng)力隨著固結(jié)圍壓的增大而增大。

1.2.2 動彈性模量與阻尼比

圖3為石碑塬滑坡黃土動彈性模量-動應(yīng)變關(guān)系曲線(以σo=100 kPa為例)。由圖可知，滑移區(qū)外黃土的初始動彈性模量最大，滑移區(qū)飽和帶黃土次之，滑坡后壁黃土的動彈性模量最小，且動彈性模量均隨動應(yīng)變的增大而非線性地降低。

土的阻尼比(λd)是在震動荷載作用下，一個周期內(nèi)由于土體內(nèi)阻所消耗的能量與作用在土體上總能量的比值。對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到動阻尼比-動應(yīng)變關(guān)系曲線，由圖4可知，阻尼比隨著動應(yīng)變的增大而增大；但是隨著動應(yīng)變的增大，這種趨勢越來越弱；當(dāng)動應(yīng)變達(dá)到一定程度時，阻尼比將不再隨著動應(yīng)變的增加而變化，而是保持一定的數(shù)值：這是由于能量耗散的緣故。

1.2.3 黃土液化特性

本文采用H.B.希德所提出的判別方法及準(zhǔn)則[9]來評判石碑塬黃土地震液化的可能性。通過黃土動三軸實驗確定相應(yīng)條件下引起飽和黃土液化所需的應(yīng)力比和某一深度土層的實際應(yīng)力狀態(tài)，計算出抗液化剪應(yīng)力值。如果取得的值小于據(jù)地震加速度求得的地震剪應(yīng)力值，則可能液化。

圖1 石碑塬滑坡黃土取樣位置圖Fig.1 The sampling locations of the loess on the Shibeiyuan landslide

表1 試驗原狀黃土的物理指標(biāo)Table 1 Basic physical parameters of the undisturbed loess samples

圖2 黃土動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Dynamic stress-strain curve of loess

圖3 黃土動彈性模量-動應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Dynamic elasticity modulus-strain curve of loess

圖4 黃土動阻尼比-動應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Dynamic damping ratio-strain curve of loess

抗液化剪應(yīng)力

(1)

地震剪應(yīng)力

(2)

通過對本次試驗進(jìn)行分析，得到石碑塬滑坡不同取樣點黃土的液化可能性分析，所有樣品均考慮飽和狀態(tài)，其結(jié)果如表2所示?？梢娀潞蟊?取樣點Ⅰ)和滑移區(qū)飽和帶(取樣點Ⅱ)黃土抗液化剪應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震剪應(yīng)力，可能液化。滑移區(qū)外黃土抗液化剪應(yīng)力大于地震剪應(yīng)力，不液化：試驗結(jié)果與實際符合。

表2 石碑塬滑坡不同取樣點黃土的液化可能性Table 2 Liquefaction potential evaluation of the loess at the different sampling locations on the Shibeiyuan Landslide

1.2.4 動強(qiáng)度

石碑塬滑坡后壁原狀黃土的動、靜強(qiáng)度結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，動強(qiáng)度的黏聚力和摩擦角都比靜強(qiáng)度的小，即動強(qiáng)度比靜強(qiáng)度低。說明地震動使黃土液化的同時抗剪強(qiáng)度衰弱。

1.2.5 孔壓、應(yīng)變的發(fā)展特性

圖6給出了滑坡后壁(取樣點Ⅰ)黃土試樣(σo=150 kPa)在循環(huán)應(yīng)力比為0.6的震動荷載下孔壓、應(yīng)變和動應(yīng)力的發(fā)展曲線。從圖中可以看出，孔壓和應(yīng)變的發(fā)展大致可以分為3個階段[10]。震動初期，孔壓和應(yīng)變均發(fā)展緩慢；隨著震動次數(shù)的增加，孔壓增長速率加快，在εd=3%～6%期間，孔壓呈直線增長，與此同時，動應(yīng)力明顯衰減；過了某一臨界應(yīng)變值后，應(yīng)變急劇增大，孔壓增長緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定，同時，動應(yīng)力也趨于穩(wěn)定，維持在50 kPa。這是由于震動初始階段，試樣的孔隙被水充滿，在動荷載作用下，原有結(jié)構(gòu)未遭破壞，應(yīng)變發(fā)展緩慢。隨著振次增加，土體剪切作用加強(qiáng)，破壞了顆粒間的黏結(jié)力，降低了中、大孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使得細(xì)小顆粒散落于孔隙中，黃土的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。與此同時，孔隙的體積逐漸減小，震陷速度逐漸增大，孔隙水來不及排出，導(dǎo)致孔隙水壓力急劇上升，土體有效應(yīng)力降低，土的強(qiáng)度大幅度喪失，應(yīng)變急劇增大。

圖5 動、靜強(qiáng)度摩爾包線Fig.5 Moore envelopes of dynamic strength and static strength(A)靜強(qiáng)度摩爾包線; (B)動強(qiáng)度摩爾包線

圖6 震動荷載下的孔壓、應(yīng)變和動應(yīng)力的發(fā)展Fig.6 Development of the pore water pressure, axial strain, dynamic stress with loading cycles(A)孔壓和應(yīng)變隨震動次數(shù)的發(fā)展; (B)動應(yīng)力隨震動次數(shù)的發(fā)展

1.2.6 孔壓與軸向應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系

孔壓的增長受到很多因素的影響，如含水率、黏粒含量、孔隙率、震動頻率和動荷載的大小等，其中，最主要的原因是由于土體孔隙的壓縮。土體孔隙的壓縮很直觀地表現(xiàn)在軸向應(yīng)變的發(fā)展，且上面的分析也表明，孔壓與軸向應(yīng)變存在一定的對應(yīng)關(guān)系。圖7為黃土孔壓比-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(u/σo-εd)，曲線擬合1和曲線擬合2分別采用鄧龍勝[11]和袁中夏[12]提出的公式對本文的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算擬合得到。

從圖中可以看出，曲線擬合2總體擬合效果較好，而曲線擬合1只在小應(yīng)變時擬合效果較佳。因此，本文的孔壓比-應(yīng)變關(guān)系采用袁中夏的擬合公式表示

u/σo=A-B·eC(-εd)

(3)

式中：u/σo表示孔壓比；A、B和C表示擬合參數(shù)；εd表示軸向應(yīng)變。

圖7 孔壓比-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.7 Pore water pressure ratio vs. axial strain

1.2.7 孔壓的增長模型

圖8為石碑塬滑坡后壁(取樣點Ⅰ)原狀黃土在不同固結(jié)圍壓和動應(yīng)力條件下按照王蘭民等提出的飽和黃土液化破壞標(biāo)準(zhǔn)[4]得到的u/uf-N/Nf關(guān)系曲線。其中u/uf表示孔壓比，N/Nf表示振次比。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)，石碑塬滑坡飽和原狀黃土的孔壓增長模式可用線性關(guān)系表示

u/uf=a(N/Nf)

(4)

式中：u和uf分別表示孔壓和液化破壞孔壓；N和Nf分別表示振次和液化振次；a表示回歸系數(shù)。

由圖8可以看出，試樣在相同圍壓不同動應(yīng)力下，原本分散的試驗數(shù)據(jù)具有很好的歸一性。說明動應(yīng)力的變化對孔壓比-振次比的關(guān)系影響較小。這與袁中夏和陳存禮得到的結(jié)果[12,13]一致。

圍壓σo=200 kPa、150 kPa、100 kPa時，根據(jù)式(2)對圖中試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)孔壓比-振次比的關(guān)系為線性相關(guān)，得到a值分別為1.049 9、1.064 7、1.081 8，其相關(guān)系數(shù)在0.98以上。a值與動應(yīng)力大小無關(guān)，而是隨著圍壓的減小而增大。

2 形成機(jī)制討論

石碑塬滑坡發(fā)生在極震區(qū)東南部固原縣境內(nèi)清水河Ⅳ級黃土臺塬上，主滑方向為270°，原始坡度為2°～5°?；聟^(qū)東、西兩側(cè)均以沖溝為界，東西長約1.2 km，南北寬約2.2 km。

石碑塬滑坡的形成與地震強(qiáng)度條件、地層巖性以及水文地質(zhì)條件等多方面因素密切相關(guān)。

2.1 地震強(qiáng)度條件

一般來說，震級在5級以上的才可能發(fā)生液化，即液化最低烈度為Ⅵ度。而石碑塬滑坡是在1920年海原地震(Ms=8.5)時形成的，地震烈度為Ⅹ度，位于地震帶東側(cè)，距離震中約70 km，地震波的傳播為滑坡的形成提供了強(qiáng)大的動力。

2.2 地層巖性

石碑塬滑坡地層自上而下依次為晚更新世馬蘭黃土Q3(深度：0～25 m)和中更新世離石黃土Q2(深度>25 m)。馬蘭黃土：上部黃土層(深度：0～7 m)、古土壤(深度：7～11 m)、砂質(zhì)黃土層(深度：11～20 m)和下部黃土層(深度：20～25 m)。離石黃土：第二古土壤層(深度：25～27 m)和下部黃土層。上部黃土層垂直節(jié)理發(fā)育，為地表水的下滲提供了很好的條件。第一古土壤層下部的砂質(zhì)黃土層處于飽和狀態(tài)時在地震力作用下極易液化。

2.3 水文地質(zhì)條件

石碑塬滑坡地面坡度較小，相對比較平整開闊，具良好的匯水條件。滑移區(qū)的地下水主要來自大氣降水，沿黃土中的大孔隙、垂直節(jié)理和落水洞滲入第一古壤層,再沿古壤層的裂隙繼續(xù)下滲。黃土層中的上部潛水其水位為8～20 m，埋藏于砂質(zhì)黃土層中。

綜上，石碑塬低角度黃土滑坡的形成機(jī)理是：處于飽和狀態(tài)的砂質(zhì)黃土層在強(qiáng)烈的地震荷載作用下，孔隙水壓力累積增長并伴隨著殘余變形的不斷增大，最終飽和砂質(zhì)黃土發(fā)生液化流滑;液化的同時，抗剪強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)遭到破壞。上部黃土層在砂質(zhì)黃土層液化的同時沿著低角度滑移，滑移過程中，整個滑移區(qū)產(chǎn)生波浪狀起伏地貌(圖9)。

3 結(jié) 論

基于白銘學(xué)、王家鼎等專家對石碑塬滑坡形成機(jī)制的研究,以及王蘭民、袁中夏、陳存禮等學(xué)者對飽和黃土液化的研究，本文通過對石碑塬滑坡黃土的一系列動力特性試驗，得到以下結(jié)論。

a.相同圍壓下不同取樣地點的飽和黃土達(dá)到相同的動應(yīng)變所需的動應(yīng)力差異較大?；茀^(qū)外原狀黃土所需動應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過滑坡后壁和滑移區(qū)飽和帶黃土，進(jìn)一步說明在同一地震動作用下滑移區(qū)外黃土較不易發(fā)生破壞。

b.滑移區(qū)外黃土的初始動彈性模量最大，滑移區(qū)飽和帶黃土次之，滑坡后壁黃土的動彈性模量最小。阻尼比隨著動應(yīng)變的增大而增大，當(dāng)動應(yīng)變達(dá)到一定程度時，阻尼比將不再隨著動應(yīng)變的增加而變化，而是保持一定的數(shù)值。

圖8 不同圍壓下u/uf-N/Nf關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between u/uf and N/Nf under different confining pressures

圖9 石碑塬滑坡黃土液化形成的波浪起伏狀地貌Fig.9 The wave-shape landform formed by the loess liquefaction of the Shibeiyuan landslide

c.均壓固結(jié)條件下，孔壓和應(yīng)變在震動初期均發(fā)展緩慢；隨著震動次數(shù)增加，應(yīng)變在3%～5%時孔壓的增長速率最快；應(yīng)變達(dá)到某一值以后，孔壓增長速率減慢并逐漸趨于穩(wěn)定，最終仍未上升到初始有效圍壓，而動應(yīng)力開始趨于穩(wěn)定。

d.孔壓比(u/uf)和振次比(N/Nf)可用線性關(guān)系表示，受固結(jié)圍壓變化的影響較大，動應(yīng)力對其影響較小。

e.運用H.B.希德所提出的判別方法及準(zhǔn)則對石碑塬黃土地震液化的可能性進(jìn)行了評判。飽和狀態(tài)下，滑坡后壁和滑移區(qū)飽和帶黃土抗液化剪應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震剪應(yīng)力，可能液化?；茀^(qū)外黃土抗液化剪應(yīng)力大于地震剪應(yīng)力，不液化，試驗結(jié)果符合實際。

f.動強(qiáng)度的黏聚力和摩擦角都比靜強(qiáng)度的小，即動強(qiáng)度比靜強(qiáng)度低。說明地震動使黃土液化的同時抗剪強(qiáng)度衰弱。

g.依據(jù)試驗成果，并從地震強(qiáng)度條件、地層巖性以及水文地質(zhì)條件等多方面因素討論了石碑塬滑坡的形成機(jī)制。

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