地震长期效应对黄土力学性质的影响

刘 伟,谌文武,杨 芳

(1.内蒙古大学 交通学院,内蒙古 呼和浩特 010070;2.兰州大学 土木工程与力学学院,甘肃 兰州 730000)

0 引言

黄土在我国广泛分布,其中西北地区黄土高原为主要分布区,随着经济社会的不断发展,黄土高原区铁路、公路、机场等大型工程数量不断增加,规模持续扩大。黄土工程建设中,地震作用下的长期效应及黄土的力学性质研究工作至关重要。

黄土高原区独特的地理位置致使该区地震作用频发[1],地震发生后引起大量滑坡、震陷和液化灾害,给当地居民的生命财产安全造成了巨大损失[2]。由于穿过黄土高原及其周边的断裂带较多,断裂带引起地震活动较为频繁,地震发生后往往引起黄土滑坡、泥石流、崩塌以及地面开裂等伤亡较重的地质灾害,给该区造成严重的人员伤亡和财产损失[3],其中规模最大、破坏性最强的地震是发生于20世纪初的宁夏海原8.5级地震,地震发生时出现了大量黄土滑坡,造成的人员伤亡超过10万,由地震直接和间接作用造成的灾害均最严重,震后一段时期内该区的黄土滑坡仍然持续发生,地震长期效应产生的影响不容忽视。同时,黄土地区中强地震对黄土产生的影响也应引起足够重视,如20世纪80年代塔吉克地区发生的5.5级地震,地震引起大范围的滑坡和液化,灾害造成农田被毁,村庄被埋的惨烈景象[2]。除地震荷载直接引起黄土滑坡外,地震与降雨、灌溉等其他因素耦合作用下产生的致灾作用占主导地位[4-8]。耦合作用致灾研究中侧重介绍降雨强度、降雨持时及地震荷载的幅值等对滑坡的影响,并未考虑历史地震发生后,地震长期效应对黄土力学性质的影响及在诱发滑坡中的具体作用。

黄土力学性质研究方面,主要集中于利用室内试验对黄土的物理力学性质进行研究。室内试验中的三轴试验是研究饱和黄土力学特征的重要技术手段之一,学者通过固结不排水三轴压缩试验研究饱和黄土的剪切行为,研究发现剪切中产生的持续增加的孔隙水压力是引起黄土失稳的重要原因[9]。试验中发现黑方台黄土具有典型的应变软化特征[10],当剪切中不断累积的孔隙水压力升高到一定值时底部黄土发生液化破坏,引起黄土泥流型滑坡。黑方台灌溉区,受黄土底部的不排水界面控制,不断累积的灌溉下渗抬高地下水位,促使黄土饱和区范围持续扩大,同时引起孔隙水压力持续升高,室内试验模拟后指出饱和黄土在不排水状态下表现出明显剪缩特性[11-13],易发生液化,进而诱发黄土滑坡。前期关于饱和黄土静力学方面的研究均是基于单调递增荷载作用下土体不排水剪切试验获得,通过室内试验获得土体强度[14-15],利用稳态理论对土体液化失稳进行分析,由于受到应力变化等影响使得稳态线不唯一[16]。动荷载作用下往往引起饱和黄土形成液化[17],液化后引起黄土滑坡[18-19]、地基失稳[20-22]等破坏。

地震发生后对黄土高原地区造成了严重的损失,已有黄土力学性质研究中,包括黄土静力学和动力学研究等方面。力学性质的研究均集中于黄土在直接荷载下的力学响应,而地震影响后黄土的力学性质研究鲜有学者进行报道,即地震长期效应对黄土力学性质方面影响的研究工作亟待开展。本文在现场调查取样的基础上,利用动三轴仪对原状黄土试样进行模拟历史地震预处理,然后对预处理后的试样开展固结不排水三轴压缩试验,分析地震长期效应对黄土力学性质的影响,并结合微结构分析揭示力学性质差异性产生的内在机制。

1 试验设备及方法

1.1 试样

本次试验中所用黄土原状样取自兰州市和平镇,通过人工探井开挖形成的陡立壁面进行取样,深度8.0 m。首先利用削土刀除去表面松散黄土,取备内侧较为均匀的原状黄土。室内对黄土的基本物理性质进行分析[23],试样的含水率、密度、比重、液限、塑限依次为10.01%～10.77%、1.38～1.42 g/cm3、2.70～2.71、24.36%～25.32%和14.95%～15.66%,同时对黄土的颗粒组成进行测试,颗粒分布曲线见图1。

图1 和平黄土颗粒分布曲线Fig.1 Particle size distributions of loess in Heping

1.2 试验设备及方法

本次试验中所用的设备为WF-12440型动三轴扭剪试验系统,是由英国WF公司生产的一种全程序化控制三轴仪,可实现复杂应力条件下的土力学试验。该设备的周围压力和反压均通过气转水系统提供,轴向力加载系统由单独的作动器控制,竖向荷载采用气动作动器施加,能够实现4个方向的动态协同控制,进而控制竖向主应力幅值,包括大小、频率及方向,以模拟自然界土体真实受力条件。

试验开始前首先对设备进行清零操作,后将预先削制好的尺寸为50 mm×100 mm原状黄土放置在动三轴仪底座上。根据取样的埋深情况计算试样固结需要施加的轴向力和周围压力,对原状黄土试样进行固结,恢复试样的初始应力状态。固结稳定后依据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2015)[24]中兰州地震动峰值加速度为0.15g～0.20g,考虑不同设防等级后选用地震峰值加速度PGA为0.15g、0.30g和0.40g进行模拟历史地震预处理。

为便于对比,在室内预制初始含水率为15%的试样进行分析,PGA预设方案中设置为0.00g作为未处理试样组。模拟历史地震处理后,对处理后的试样依次进行饱和与固结,然后对试样进行固结不排水三轴压缩试验,围压力设置为100 kPa,150 kPa和200 kPa,待单位时间内体积控制器中排水量稳定后进行固结不排水剪切试验,设置加载速率为0.05 mm/min。分析有效围压、含水率、PGA等对于黄土力学性质的影响,同时结合扫描电镜试验与压汞试验对预处理前后的黄土试样微结构进行分析,揭示地震长期效应影响黄土力学性质的内因。

本次试验共设置36组样品,编号为SL-1～SL-36,其中SL-1～SL-8为微结构试验样品组,SL-9～SL-12为常规直接剪切试验测试黄土的抗剪强度指标试验,SL-13～SL-24为初始含水率为10%的黄土样品试验结果,SL-25～SL-36为初始含水率为15%的黄土样品试验结果(表1、表2)。试验中所用样品均为筛选试样,将样品中有根系、虫孔等试样全部进行了剔除处理。

表1 微结构试验方案Table 1 Scheme of microstructure tests

表2 三轴试验测试方案Table 2 Scheme of triaxial tests

2 试验结果

2.1 三轴试验结果

研究中首先利用动三轴仪对原状黄土试样进行模拟历史地震处理,预振处理后依次进行饱和与固结,在此基础上进行固结不排水三轴压缩试验。预振中发现所有的黄土试样均产生了明显的轴向压缩变形,初始含水率为10%的黄土试样经预处理后其轴向压缩变形可达0.24%～1.82%,而初始含水率增加至15%后进行预处理,轴向压缩变形达到0.53%～7.87%,最大值为初始含水率为10%黄土试样的4～32倍,充分说明黄土具有水敏性的典型特征,即含水率的微弱变化会致使黄土物理性质产生较大的差异性。

为深入分析历史地震长期效应对黄土力学性质的影响,室内试验中选取应力路径曲线、应力-应变关系曲线、孔隙水压力与应变关系曲线及有效围压与应变关系曲线进行分析。在分析黄土试样力学性质的过程中,对不同初始条件下黄土原状试样的饱和抗剪强度指标值也进行计算,结果见图2～图7和表3～表4。计算中选用峰值偏应力,通过破坏包络线获取峰值强度指标。

表3 初始含水率10%时不同PGA作用下抗剪强度指标值Table 3 Shear strength indexes of loess samples under different PGA (w=10%)

表4 初始含水率 15%时不同PGA作用下抗剪强度指标值Table 4 Shear strength indexes of loess samples under different PGA (w=15%)

图中曲线所示含义为PGA为0.15g、0.30g、0.40g的结果与PGA为0.00g试样对比结果,可直观反映不同地震效应对力学性质产生的影响。初始含水率为10%时,预处理后黄土原状样试验结果如图2～图4所示,随着PGA的增加,应力路径、应力-应变关系、孔隙压力发展规律等均发生了变化,表明地震荷载的幅值对后期黄土力学性质亦有影响。

图2 PGA为0.00g和0.15g在w=10%时CU试验结果Fig.2 Results of CU between PGA=0.00g and 0.15g in w=10%

图3 PGA为0.00g和0.30g在w=10%时CU试验结果Fig.3 Results of CU between PGA=0.00g and 0.30g in w=10%

图4 PGA为0.00g和0.40g在w=10%时CU试验结果Fig.4 Results of CU between PGA=0.00g and 0.40g in w=10%

当初始含水率为10%时,黄土原状试样经过历史地震预处理后,轴向变形产生的应变较明显,表明在地震作用下试样内部结构被振密。

经历历史地震预处理后的黄土原状样,在固结不排水三轴压缩试验中可知[图2～图4中的(a)和(b)],峰值偏应力与未经历历史地震试样相比均发生了显著增加,随着轴向应变的持续增加,应力-应变关系表现出明显的应变软化特征。孔隙水压力在剪切中随着轴向应变的增加而持续增大,当轴向应变超过4%后孔隙水压力的增速开始减缓,后渐趋平稳[图2(c)、图3(c)、图4(c)],孔压的增加引起有效应力的持续降低[图2(d)、图3(d)、图4(d)]。模拟历史地震预处理后的黄土试样的孔隙水压力在相同应变时均低于未处理试样,对应的有效围压则高于未处理试样的有效围压。

初始含水率为10%时,历史地震作用后,黄土内部胶结结构产生塑性变形,不同幅值的地震荷载作用后,试样内部结构中的胶结结构的响应也不相同,随着PGA的增大,黄土被振密的程度加深,宏观上表现出峰值偏应力幅值增大和有效应力增加。预处理后的黄土试样孔隙水压力不易升高,表明前期地震引起黄土内部孔隙孔径减小,颗粒之间的接触方式发生改变,达到一种新的平衡状态,此种情况下试样的内部结构更加稳定,抵御外部荷载的能力进一步提高。当围压为100 kPa和150 kPa时,有效围压随着轴向应变的增加最终趋于零点,表明此种状况下的黄土试样强度丧失,将形成失稳破坏。而围压增加至200 kPa时,有效围压随着轴向应变的增加而趋于平缓,并未降低至零点,表明黄土的失稳破坏与埋深紧密联系。围压增加后,黄土试样产生失稳破坏的孔隙水压力需要增加至更高的数值以引起有效应力降低。而围压增加的同时,黄土的强度也增加,该过程中孔压的增加要抵御土体强度增加带来的影响,最终表现为有效应力降低至某一恒定值。

图2～图4中的饱和试样在应变为2%～4%时出现峰值偏应力,轴向应变4%后试样的孔隙水压力增幅减小,而有效围压也逐渐趋于零。抗剪强度指标值根据峰值偏应力对应的莫尔圆进行计算(表3)。有效围压降幅和孔隙水压力的增加具有良好的对应关系,但与峰值偏应力的出现存在一定的滞后性。据此将饱和黄土固结不排水剪切分为以下三阶段:(1)初始剪切阶段,偏应力随轴向应变持续增加,试样内部孔隙水压力持续增大;(2)剪切渐变阶段,偏应力增速变缓,逐渐出现最大值,孔压增速变缓,有效围压持续降低;(3)剪切稳定阶段,偏应力随着轴向应变的增加渐趋稳定,孔压亦趋于稳定,增速较小,引起有效围压降幅减小,最终保持某一稳定值。

当初始含水率增加至15%时(图5～图7),经历历史地震预处理后的黄土试样的峰值偏应力仍高于未处理试样的偏应力,孔隙水压力同样低于未处理试样,总体变化趋势与10%黄土试样的变化规律相同。但偏应力增加幅值及孔压的降幅均大于初始含水率为10%的黄土试样,这与15%试样预处理中产生的轴向变形大于10%试样的变形相对应。地震对黄土试样作用后,黄土试样内部胶结结构依然会产生塑性变形。含水率增加后,动荷载的作用将进一步促使内部颗粒相互挤紧,试样内部的大孔隙孔径变小,内部结构调整后形成一种新的稳定结构。孔隙的进一步减小加剧了孔隙水压力响应的滞后性,致使孔隙水压力无法持续升高。

图5 PGA为0.00g和0.15g在w=15%时CU试验结果Fig.5 Results of CU between PGA=0.00g and 0.15g in w=15%

图6 PGA为0.00g和0.30g在w=15%时CU试验结果Fig.6 Results of CU between PGA=0.00g and 0.30g in w=15%

图7 PGA为0.00g和0.40g在w=15%时CU试验结果Fig.7 Results of CU between PGA=0.00g and 0.40g in w=15%

同时根据峰值偏应力对应莫尔圆计算了抗剪强度指标(表4),上述初始含水率为10%的黄土试样,黏聚力变化幅值为1.94～3.42 kPa,历史地震影响后的黄土试样的内摩擦角较未处理黄土试样内摩擦角相比增幅较为明显,当地震荷载对应的PGA由0.15g增加至0.30g时,黄土试样内摩擦角增幅为1.32°～1.99°,当PGA为0.40g时内摩擦角和黏聚力提高2.67°和3.42 kPa,表明历史地震荷载的增加对黄土内部结构的扰动增大,地震长期效应产生的影响愈发明显。初始含水率不同引起黄土对动荷载响应不同,试样初始含水量增加至15%时,经历历史地震影响后的黄土试样的抗剪强度指标增幅显著高于初始含水率为10%的试样,PGA增加至0.40g时的内摩擦角和黏聚力高于PGA为0.15g和0.30g条件下3°和4 kPa。

2.2 微结构试验结果

黄土原状样经历先期地震后,其力学性质与未受扰动试样相比发生了显著变化,为揭示地震长期效应对黄土力学性质影响的内在机制,利用压汞试验和扫描电镜试验对预处理前后黄土的微结构进行了测试分析,结果见图8～图10。压汞试验中列出不同含水率试样预处理后的进汞曲线,扫描电镜试验中列出PGA为0.00g和0.40g的试验结果。

图8 不同含水率不同PGA历史地震处理后累积孔隙体积Fig.8 Cumulative pore volume under different water content and historical earthquakes with different PGA

初始含水率为10%的黄土试样经历历史地震扰动后,内部大孔隙数量开始减少,中小孔隙数量变化相对较小,含水率增加至15%时,地震长期效应的影响亦主要体现在大孔隙数量的减少方面,大孔隙减少后试样内部结构更加致密,后期力学试验中的力学指标均显著提高。

从图9～10的扫描电镜试验中也可发现,与未处理黄土试样相比,经历历史地震影响后的黄土试样内部大孔隙数量明显减少,中小孔隙的数量明显增加,这与压汞试验结果相对应[图9(a)和(b)、图10(a)和(b)]。试样经历地震荷载扰动后,内部结构的变化与颗粒之间的相对运动联系紧密,从图9～图10中(c)、(d)可知,含水率为10%和15%的黄土试样经历历史地震扰动后,颗粒均发生了明显移动。

图9 含水率为10%黄土经历历史地震扰动后微结构变化Fig.9 Microstructure change of loess with water content of 10% disturbed by historical earthquake

地震长期效应引起黄土内部颗粒产生定向性排列,且相邻颗粒之间开始被挤密,颗粒之间的间隙大大减小,颗粒移动过程中引起黄土内部原有的大孔隙结构坍塌破坏,造成大孔隙数量减少,中小孔隙数量增加[25]。较强地震荷载扰动后(PGA=0.40g),黄土内部颗粒出现了堆叠现象。

综上,未受历史地震扰动的黄土试样,黄土大颗粒表面随机排布着小颗粒,粒径不同的颗粒相互堆叠形成的架空孔隙清晰可见。经历史地震预处理后的试样,由于含水率相对较高,尤其是初始含水率增加至15%时已接近塑限含水率,地震扰动后引起小颗粒向大颗粒附近滑移,由小颗粒聚集形成的胶结结构被破坏。较大的历史地震荷载引起黄土内部颗粒滑移量较大,架空孔隙结构被彻底挤压破坏,周围粒径较小的颗粒向塌陷的孔隙中滑移,引起颗粒之间的接触更紧密。此外,颗粒的接触方式也发生了较大变化,黄土内部颗粒间的接触开始从点-面接触向面-面接触转变,部分颗粒之间出现“咬合”现象,这也是宏观上内摩擦角增加的重要内在因素。地震长期效应引起黄土颗粒间的大幅滑移及孔隙结构重组,表明内部微结构变化与历史地震作用下黄土变形密切相关,如本研究中含水率为10%和15%的试样在模拟历史地震预处理中其轴向变形减少量达2.24～4.66 mm,径向变形增加0.08～1.84 mm,表明试样被振密。

3 讨论

地震长期效应对黄土力学性质影响较大,本研究中黄土试样初始含水率为10%和15%时,地震长期效应主要引起黄土力学性质中抗剪强度指标增大。结合微结构分析可知,地震引起黄土力学性质的增大与黄土在历史地震中的微结构变化密切相关。

有学者对粉土在首次地震液化后土体的力学性质进行研究[26-27],指出土体首次液化后的固结比、动应力幅值等指标对其经历二次地震后时的力学特性有明显影响,表明早期地震对土体的损伤在后期力学特性变化中得以体现。

历史地震荷载作用于黄土后,黄土试样的轴向和径向均发生明显的位移,主要表现为轴向的压缩和径向的增大,为典型的振密现象。振密将引起内部孔隙结构发生变化,由压汞试验和扫描电镜试验可知,经历历史地震作用后的黄土试样内部大孔隙结构被破坏,主要表现为被分解为孔径较小的中孔隙和小孔隙。此外,地震作用主要通过破坏孔隙结构周围的胶结结构而破坏架空孔隙结构,大孔隙结构失稳后黄土试样中不稳定的胶结结构被破坏,而相对稳定的结构数量增加,致使黄土内部结构趋于稳定,能够抵御外部荷载扰动的能力提高。压汞试验结果表明,地震影响后,黄土试样内部的中小孔隙受地震荷载的影响相对较小,黄土内部独特的大孔隙结构对地震荷载较敏感。大孔隙失稳中也引起黄土内部孔隙的形态及分布发生变化:圆形孔隙转变为椭圆形,局部大孔隙破坏后被中小孔隙填充。

历史地震影响后,黄土试样内部除孔隙结构变化外,颗粒排列方式也发生变化。主要表现为地震扰动后,黄土试样中的颗粒由不规则排列向定向排列转变,当初始含水率增加至15%时,黄土试样内部粒径较小的颗粒向塌陷的大孔隙中迁移,致使塌陷后的孔隙结构更加致密和稳定。小颗粒向大颗粒周边移动过程中,大颗粒也产生一定的位移,整个试样内部颗粒间被挤密,粒间间隙的挤密表明试样内部孔隙孔径的减小,宏观上表现为大孔隙数量减少,与压汞试验结果相对应。

当黄土试样的初始含水率为10%～15%时,地震长期效应对黄土力学性质的影响主要表现为力学强度指标值的增加,与地震引起黄土内部结构振密相关。由于黄土具有水敏性和结构性的典型特征,故当试样的初始含水率低于10%时,地震长期效应对黄土力学性质的影响需要进行进一步研究分析。

4 结论

通过动三轴模拟历史地震预处理结合固结不排水三轴压缩试验、压汞和扫描电镜试验对地震影响下黄土力学性质变化进行研究,主要分析地震长期效应对黄土力学性质的影响,得出以下结论:

(1)黄土试样初始含水率为10%～15%时,地震长期效应对黄土力学性质的影响,主要表现为黄土强度增加,峰值偏应力分别增加4.156～24.155 kPa和3.150～24.767 kPa。

(2)历史地震引起黄土试样内部大孔隙结构破坏及中小孔隙数量增加是地震长期效应导致其力学性质增加的重要内在机制,而地震引起试样内部颗粒定向性排列及小颗粒向塌陷的大孔隙中迁移引起颗粒接触方式改变也是地震影响后黄土力学性质增大的重要原因。

(3)当试样初始含水率为10%～15%时,地震长期效应将引起黄土力学性质增大,由于黄土具有水敏性和结构性,含水率低于10%时,地震长期效应对其力学性质的影响需要进一步研究。