论文部分内容阅读
黄土液化是黄土饱和后在外部荷载作用下产生瞬间失稳的一种现象,液化的形成往往是以降水、灌溉水和外部荷载等的触发作用为前提,一般分为静态液化和动态液化。黄土滑坡的发生多与黄土液化有关,黄土地区脆弱的地质环境与特殊的土体性质,使得由液化引起的黄土滑坡、黄土泥流等地质灾害频发,全国约1/3的地质灾害发生在黄土地区,造成了巨大的人员伤亡和财产损失。占我国黄土分布面积约70%的黄土高原,主体发育在鄂尔多斯地块之上,周缘被断续连接的新生代地堑系所围限,新构造运动强烈,历史地震频发,地震成为以黄土滑坡为主的黄土灾害的重要诱发因素。一般而言,在地震荷载作用下,饱和黄土易于液化,非饱和黄土难于液化,但地震荷载无疑对土体内部结构造成了损伤。如果用先期地震荷载代表历史地震的影响程度,那么经历不同的先期地震荷载作用,黄土遇水饱和时的特性和后期液化特征应当具有一定的差异性,进而影响到黄土灾害的形成与分布。为了深入认识先期地震影响下马兰黄土（Q3）的液化特征,本文以兰州和天水黄土为对象,首先通过调整反压饱和中增压速率和稳压时间,开发出兰州和天水原状黄土试样的新型饱和方法。根据和平黄土的天然含水量,采用滴定注水的方法配置较高含水量的黄土试样,采用动三轴对其进行模拟先期地震荷载预处理,通过固结不排水剪切试验、动三轴试验、压汞试验、扫描电镜试验、物理模型试验和数值计算相结合的方法,对不同含水量黄土试样在先期地震荷载影响下的液化特性进行分析。试样设计初始含水量为5%、10%、15%,先期地震荷载预处理中设置PGA为0.15g、0.30g、0.40g。通过分析上述因素的影响,揭示了Q3黄土在先期地震荷载影响的液化特性变化的实质。所得结果如下:（1）采用水头饱和与改变增压速率及稳压时间的反压饱和相结合的方法对原状黄土试样的饱和过程进行研究,提出了原状黄土试样饱和新方法。采用1k Pa/min的速率增加反压饱和中的围压和反压可确保去气水均匀进入黄土内部孔隙中,围压和反压达到目标值后稳定压力120mins可使黄土内部的反压在试样中均匀分布,提高饱和效果。饱和度Sr与B值（为孔压增量与围压增量的比值）的定量化关系可用指数函数进行描述。（2）通过动三轴对不同初始含水量的黄土试样进行模拟先期地震荷载预处理,对预处理后的Q3黄土静态液化特性采用固结不排水试验进行研究。不同含水量的试样经先期地震预处理后,液化性质不同,低含水量（5%）的试样易于液化,含水量增大（10%和15%）时,抗液化性能提高。低含水量试样预处理后黏聚力和内摩擦角降低1.29-3.78°、2.15-6.67k Pa;含水量增大引起二者升高1.32-3.02°、1.42-3.98k Pa。初始含水量不同,经先期地震荷载预处理后,试样轴向应变对动荷载响应不同,表现为含水量为5%时,试样产生的轴向变形为0.019-0.189%,当含水量增至10%和15%后,试样轴向变形可达0.189-7.564%,为5%含水量试样的8-40倍。采用回归分析的方法,提出预处理中的PGA（地震峰值加速度）、预处理前的含水量与黏聚力、内摩擦角的定量化关系,用描述性统计分析计算了抗液化指标M为0时黄土剪切强度在95%置信水平下的置信区间。采用静态液化触发因子将初始含水量及预处理中的PGA对静态液化的影响得到了反映,据此确定了黄土静态液化发生时的液化触发点。（3）通过动三轴试验对经预处理后的黄土试样动态液化特性进行研究,经先期地震荷载处理后,初始含水量为5%时,黄土试样形成液化所需振次随PGA增加而减少,易于液化;含水量增至10%和15%后,形成液化所需振次随PGA增加而增加,抗液化能力提高。提出初始含水量不同,预处理后孔压的滞后性不同,即低含水量时,先期地震荷载作用对土体内节理、裂隙的增长和贯通具有促进作用,从而导致土体连通性增加,孔压滞后性减弱;高含水量条件下,预处理导致土体架空孔隙结构破坏,孔隙水压力传递通道阻滞,孔压的滞后性增大。预处理后试样的液化应力比在5%含水量下降低,在10%和15%时增加。（4）采用压汞试验和扫描电镜试验对预处理后黄土内部不同孔径孔隙数量变化、孔隙模式变化及颗粒接触方式的变化进行研究,提出微结构变化与预处理前的初始含水量及预处理中PGA数值有关。预处理后,低含水量试样中孔径为90.603-113.180μm的孔隙数量增加,而微孔隙数量变化较小,高含水量试样中孔径为80.521-100.645μm孔隙数量减少。提出了低含水量下震损区及震裂带形成引起大孔隙数量增加,高含水量下黄土震密效应引起大孔隙数量减少。建立液化敏感系数与孔隙结构参数的函数关系,来反映含水量、PGA变化对液化的影响。（5）利用微型振动台试验对先期地震荷载作用下,液化对黄土边坡稳定性的影响进行初步探究。指出先期地震预处理的黄土试块,饱和后产生的液化引起黄土边坡的变形量在水平和垂直方向均较大,而未处理试块仅产生水平方向的变形。因数值计算中无法考虑震损效应的影响,提出通过参数折减及塑性区发展来反映先期地震荷载对黄土边坡的影响,其结果与模型试验结果相吻合。