黑方台静态液化诱发滑坡机理探究

刘林　戴福初

摘 要：当前，学者们对地下水位缓慢上升条件下土体破坏瞬间超孔隙水压力响应的认识尚不完全清晰。因此，以甘肃省黑方台Q3黄土为研究对象，首先通过等压固结不排水剪试验（ICU）确定黄土在不排水条件下的力学性质，其次通过恒荷载排水剪切试验（DL）研究实际应力路径条件下土体的破坏过程。ICU试验结果表明，黑方台地区饱和黄土在不排水条件下的静态液化特征十分显著，且不同深度的黄土试样在低围压下均表现出较高的静态液化潜势。DL试验结果表明，深层的饱和黄土于恒荷载排水剪应力路径下破坏瞬间有超孔压产生，土体发生了静态液化。

关键词：恒荷载排水剪切试验；实际应力路径；静态液化；静态液化型滑坡

引水灌溉工程于二十世纪六七十年代开始大量修建，致使黄土高原地区坡体下部的饱和黄土发生静态液化，进而引起滑坡破坏。其中，黑方台地区是最典型的例子。静态液化型滑坡剪出口位于黄土和粉质黏土接触处，整体形似圈椅，后壁高陡，且有泉水从其底部流出。此类滑坡启动后便会转化为流动状态，滑距可达300 m，是黑方台地区最危险的一种滑坡。

众多学者围绕静态液化诱发黄土滑坡的机理进行了大量研究。陈守义[1]和戴福初等[2]探讨了如何通过应力-应变关系解释土质滑坡形成机理。戴福初等[3-4]对松散击实火山岩坡残积土开展了等压固结不排水剪试验（Isotropically Consolidated Undrained Shear Stress Test，ICU）、等压固结排水剪试验（Isotropically Consolidated Drained Shear Stress Test，ICD）、常偏应力排水剪试验（Constant Shear Drained Compression Test，CSD），对原状火山岩坡残积土开展了偏压固结不排水剪试验（Anisotropically Consolidated Undrained Compression Test，ACU）与CSD试验，提出了剪胀型土和剪缩型土的暴雨滑坡机理。Xu L等[5-6]、金艳丽     等[7]、高静贤等[8]、武彩霞等[9]分别对黑方台、泾阳南塬、四川的原状黄土开展了ICU、ACU与CSD试验，各自提出了静态液化型滑坡的形成机理。闫蕊鑫[10]利用扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）研究了原状黄土ICU试验前后微观结构的变化，提出原状黄土静态液化的结构接触—垮塌、孔喉阻塞两阶段演化模式。段钊[11]与蔺晓燕[12]分别对泾阳南塬与黑方台原状黄土开展了ICU试验，发现黄土围压及含水率的大小决定了黄土的变形破坏形式。

当前，学者们对静态液化型滑坡发生的原因已经达成了共识，即灌溉补给地下水导致底部饱和黄土发生静态液化，但学者们从应力-应变角度研究此类滑坡机理尚存在以下问题：在实际应力路径条件下，如果发生静态液化，破坏瞬间应该可以观察到超孔隙水压力产生，但由于超孔压快速产生又瞬间消散，低采集频率的孔压传感器难以捕捉到瞬间出现的超孔压峰值。此外，由于实际应力路径条件下静态液化的突发性，常规三轴甚至应力路径试验仪器难以确保破坏前后试样轴向压力的恒定。因此，采用恒定轴向压力、高频采集孔压的三轴仪可以获得实际应力路径条件下饱和黄土静态液化时的最大超孔隙水压力。

为证明在常偏应力排水剪条件下，土体破坏瞬间有超孔压产生，即土体可以发生静态液化，本研究以黑方台Q3原状黄土为研究对象，首先施加相同大小的4组围压于3组不同深度的原状黄土试样上进行ICU试验，以获得饱和黄土稳态线；其次对深层黄土开展恒荷载排水剪切试验（Dead Load Test，DL），以研究实际应力路径条件下土体是否发生静态液化，在此基础上探讨了黑方台静态液化型黃土滑坡的发生机理。

1 滑坡机理的试验研究

1.1  试验方案

试验选用土样均取自新塬村塬边空地，坐标为N36°05′33.17″、E103°17′20.52″。通过开挖探井的方式获得土样，探井总深度达到了33.4 m，直至红粘土层。依据土样所处深度，将本次试验所用土样划分成3组，第一组对应深度12.0～14.5 m，第二组对应深度20.0～23.1 m，第三组对应深度32.5～33.4 m，ICU试验对同一深度下的饱和原状黄土试样分别施加50、100、200、350 kPa有效固结应力。DL试验以第三组深度的两块试样为研究对象，在施加170 kPa有效围压后，分别施加390、410 kPa大主应力进行偏压固结，以模拟原位状态下黄土的受力状态。本次试验各层土体的基本物理性质指标如表1所示，均遵照SL 237—1999《土工试验规程》的要求通过试验获取。

采用英国GDS三轴仪进行ICU试验，采用课题组研发的DL三轴仪进行DL试验。两类试验主要步骤均包括饱和、固结以及剪切。本研究采用的饱和方法为先通二氧化碳、后水头饱和结合反压饱和。ICU试验饱和结束后，按预定的有效固结应力进行等压固结，当5 min内体积变化量小于5 mm3时，固结阶段结束。DL试验是等压固结之后逐级添加砝码进行偏压固结。ICU试验不排水剪切速率定为0.07 mm/min，试验结束条件为轴向应变达到25.00%。DL试验通过围压以及轴向力保持不变、反压以3 kPa/h的速率缓慢上升来剪切试样。

1.2  ICU试验结果

由于各组试样于不同围压下的关系曲线形态十分相似，即均表现出强烈的应变软化特性，在篇幅有限的情况下，仅展示第一组深度黄土的试验结果，如图1所示。

图1（a）的q-ε_a曲线可划分为3个阶段。（1）应力迅速增大阶段：随着轴向应变增加，偏应力急剧上升并在轴向应变小于1.50%的条件下达到峰值，该阶段的应力-应变关系近似直线；（2）应变软化阶段：偏应力达到峰值后，随着轴向应变的增加，试样骨架不能抵抗外部荷载，出现结构垮塌，试样呈现强烈软化特征；（3）应力稳定阶段：应变软化完成后，土体的结构特征被破坏，土颗粒之间发生重组，应力随着应变增加变化缓慢，进入稳态，此时对应的土体强度为稳态强度。

潜在液化势（Liquefaction Potential Index，LPI）可表示为（q_max－q_min）/q_max，q_max和q_min分别表示峰值状态和稳态时对应的剪应力）[10]。各组试验LPI随初始有效围压的变化规律如图2所示，相比高围压条件，低围压条件下的LPI更高。

图1（b）所示的u-εa曲线表明：在偏应力达到峰值前，超孔隙水压力随着偏应力的增加而增大；在试样产生应变软化的过程中，超孔隙水压力持续上升；偏应力达到稳态后，超孔隙水压力亦基本维持不变。上述试验结果表明，试样产生了静态液化。3组深度黄土的ICU试验结果表明，超孔隙水压力达到了初始有效围压的87%～100%。不同深度试样的孔压比      Δu/σ3＇随初始有效围压的变化曲线如图3所示，该图表明围压较低时，Δu/σ3＇更高。试验结束后拆取土样时可以发现，50 kPa和100 kPa有效围压下的试样类似液体已完全液化。

图1（c）所示的q-p＇曲线表明，不同深度的试样均具有剪缩性，即平均有效应力不断减小，偏应力先增大后减小。不同深度的试样在轴向应变约为20.00%时均达到了稳定状态，稳定状态指大应变条件下土体的应力-应变特性，即土体在常体积、常法向应力和常剪应力下保持常速率变形的状态。

图1（d）展示了e-ln p＇空间内试样的稳态线，该稳态线是通过拟合试样达到稳定状态条件时的孔隙比与平均主应力得到的，所有稳态线的相关系数R2均在0.9以上，表明拟合效果较好。

ICU试验结果表明，不排水条件下不同深度的饱和黄土试样均可以发生静态液化，所有试样的破坏形式均为鼓胀破坏。

1.3  DL试验结果

图4（a）为土体的u-t及εa-t曲线。由于试验设定的反压增长速率仅为3 kPa/h，0.5 h左右可以认为孔压未发生变化，于是所有试样的u-t曲线均选用了包含液化点在内的时长30 min的数据，以更好地体现超孔压的骤然产生。εa-t曲线则体现了孔隙水压力产生的瞬间轴向应变的变化。DL3试样在轴向应变约为23.00%时有约40 kPa超孔压产生，超孔压产生的瞬间轴向应变并未产生明显变化。DL4试样破坏瞬间有约16 kPa的超孔压产生，轴向应变瞬间增长了约4.00%。第三组深度的土体均发生了静态液化。

图4（b）所示的ε_a-p＇曲线可划分为两段：OA段由于土中孔隙结构尚未产生变形，轴向应变略有增加。当曲线抵达A点，即土体进入剪缩阶段后，轴向应变快速增长。

图4（c）所示的q-p＇曲线表明：试样的偏应力先近乎保持不变，待平均有效应力降低至稳态线附近时，试样已进入剪缩阶段，由于土体轴向变形的快速增大，试样横截面积也迅速扩大，偏应力降低速度因此加快。

图4（d）所示的e-ln p＇曲线表明：随着孔压的缓慢增加，两试样的孔隙比先近乎不变，然后快速降低。DL3与DL4初始状态点均位于稳态线之上，均具有静态液化潜势。

DL3和DL4的试验结果证明了深层饱和黄土于恒荷载排水剪应力路径下进行剪切时，剪缩过程中均有超孔隙水压力产生，土体发生了静态液化。

2 结论

（1）ICU试验结果表明：黑方台地区饱和原状黄土在不排水条件下具有明显的静态液化特征。随着初始有效围压增大，不同深度黄土试样在剪切结束时的超孔隙水压力、峰值强度、稳态强度也逐渐增大。整体上，低围压条件下黄土试样的LPI更大，即试样发生应变软化后强度降低得更明显。

（2）DL试验结果表明：深层饱和原状黄土于恒荷载排水剪应力路径下会发生静态液化。

（3）试验尚有以下待改进之处：首先，由于饱和黄土在估算的原位应力状态条件下固结后的孔隙比相对原位黄土的孔隙比明显偏小，不可避免地影响試验结果，需开展更多试验进行对比验证；其次，本研究采用的黄土试样为未灌溉的黄土，众所周知，已灌溉黄土的干密度、含盐量均产生了较大变化，需进一步进行对比试验。

[参考文献]

[1]陈守义.试论土的应力应变模式与滑坡发育过程的关系[J].岩土力学，1996（3）：21-26.

[2]戴福初，陈守义，李焯芬.从土的应力应变特性探讨滑坡发生机理[J].岩土工程学报，2000（1）：130-133.

[3]戴福初，李焯芬，黄志全，等.火山岩坡残积土地区暴雨滑坡泥石流的形成机理[J].工程地质学报，1999（2）：51-57.

[4]戴福初，李焯芬，王思敬.松散击实火山岩坡残积土的应力应变特性及其对滑坡的意义[J].岩土工程学报，1999（3）：1-6.

[5]XU L，DAI F C，THAM L G，et al.Landslides in the transitional slopes between a loess platform and river terrace， Northwest China[J].Environmental & Engineering Geoscience，2011（3）：267-269.

[6]XU L，DAI F C，GONG Q M，et al.Irrigation-induced loess flow failure in Heifangtai Platform， North-West China[J].Environmental Earth Sciences，2012（6）：1707-1713.

[7]金艳丽，戴福初.灌溉诱发黄土滑坡机理研究[J].岩土工程学报，2007（10）：1493-1499.

[8]高静贤，戴福初，朱雨轩，等.四川宁南水塘村滑坡形成机理[J].中国地质灾害与防治学报，2019（6）：1-9.

[9]武彩霞，许领，戴福初，等.黑方台黄土泥流滑坡及发生机制研究[C].北京：中国科学院地质与地球物理研究所第11届（2011年度）学术年会论文集，2012.

[10]闫蕊鑫.饱和黄土静态液化力学行为及启滑机制[D].西安：长安大学，2020.

[11]段钊.黄土滑坡触发机理研究[D].西安：长安大学，2013.

[12]蔺晓燕.甘肃黑方台灌区黄土滑坡—泥流形成机理研究[D].西安：长安大学，2013.