（岩土工程专业论文）饱和黄土液化及液化后大变形试验研究.pdf

摘要 摘要 中国是世界上黄土面积最大、厚度最厚、地貌地域最复杂的国家之一，其分布面积达 6 4 万k m 2 ，约占我国陆地面积的6 6 。南北地震带北段以及汾渭、祁连等地震带都展布 在黄土高原及其周边地区，独特的地质构造特征使得该区为地震多发地区。 由于黄土独特的动力易损性，黄土地震诱发的各种地质灾害：滑波、震陷和液化等灾 害已引起人们广泛关注。东京大学i s h i h a r a 教授基于前苏联塔吉克境内的地震而产生的黄 土滑坡和流滑考察研究，提出了半干旱地区地震诱发黄土液化进而造成大面积黄土滑坡 和泥流成因机理。白铭学、张苏民分析了1 9 2 0 年海原8 5 级地震的震害，指出石碑塬上 覆土体沿缓斜坡降方向向前滑移了1 5 k m ，其主要原因是地震使石碑塬1 1 - 2 5 米深度范围 内砂质黄土层发生了液化。其后，国内外黄土工程界对黄土液化问题给予了广泛关注， 国内许多研究机构也相继展开了黄土液化的研究。 本课题在教育部骨干教师基金和国家自然科学基金资助下对黄土液化及液化后变形 性能等相关问题展开了研究。主要工作内容如下： ( 1 ) 对饱和黄土及饱和重塑黄土进行了动力液化试验。室内试验研究表明饱和原状 黄土和重塑黄土在动荷载作用下是可以液化的，饱和黄土孔压增长表现了振动早期就达 到较高的孔压比，而后期孔压增长相对缓慢的特征，孔压曲线形态丰满，呈双曲线形态。 饱和重塑黄土孔压增长与原状黄土孔压增长有所区别，而与粉土的孔压增长特征相类似， 其增长速率也较砂土快一些。 ( 2 ) 基于黄土的结构、颗粒组成以及湿陷性等特性的分析，对饱和黄土在动载作用 下的体积变形过程以及与孔压增长之间的关系进行了研究。研究表明饱和黄土在动载作 用下体积变形可以分成两个分量：一是由黄土湿陷性转化而来的体积变形分量，二是由 动剪应力引起的剪缩分量。第一个分量主要发生在振动早期，而剪缩分量主要发生在振 动后期。这个体变特征控制了饱和黄土孔压增长，决定了孔压增长曲线的形态。 ( 3 ) 在对孔压增长模型分析的基础之上，根据饱和黄土及饱和重塑黄土孔压增长特 征，提出了适合饱和黄土的孔压增长曲线方程。曲线方程采用修正a 型曲线方程，修正 参数为反映饱和黄土湿陷的体变d 以及反映动剪应力幅值的1 3 。拟合结果表明参数u 和b 可以很好地拟合曲线形态。 ( 4 ) 采用全自动多功能三轴仪进行了饱和重塑黄土液化后变形特性的试验研究。试 验研究表明饱和黄土液化后静加载时变形呈现两个典型的变形阶段，即低刚度区和高刚 河海大学博士学位论文余跃心2 0 0 7 1 1 度区。其中低刚度区应变幅值可达百分这十几，而剪应力却很小。有效应力近乎为零。 随着应变的增加，试样中孔压逐渐降低，有效应力增加，土体的剪切模型逐渐得到恢复。 重塑黄土的干密度、液化度、有效固结应力等因素都对液化后变形特性有一定的影响。 基于液化后黄土的体变特征，将液化后过程分为低刚度区和高刚度区两段来分别构建剪 应变公式。 ( 5 ) 基于1 9 2 0 年海原大地震震害资料的分析，结合有关文献的研究成果，对海原地 震中固原地区的地下水位变动情况进行了分析，并推断由于地应力的作用，固原地区地 下水位在震前有明显的上升，震时强烈的地震动迸一步使地下水位上升，从而使q 3 黄土 处于饱和状态。结合海原地震的特征以及本文室内动力液化试验成果，对石碑塬缓坡下 黄土体大面积滑坡成因机理进行了推断。 ( 6 ) 基于有限元方法对黄土地基的抗液化性能进行了分析。分析结果表明经碎石桩 处理后的黄土地基其抗液化性能并没有得到明显的改善，碎石桩的排水作用主要是在地 震作用结束后一段时间内，而在地震作用期间其排水作用不十分明显。增大碎石桩桩径 以及提高碎石桩渗透系数( 减小其排水阻抗) 并不能有效改善黄土地基的抗液化性能， 碎石桩排水作用的发挥因受黄土的渗透系数较小的原因而得不到充分发挥。 ( 7 ) 基于黄土区地貌、黄土分布以及黄土地下水资源等因素的分析，以及考虑到由 于地震动作用，工业用水、农业灌溉以及生活用水等因素，对黄土区潜在的可能发生黄 土液化的区域进行了预测。 关键词：饱和黄土、孔压模型、液化机理、液化后大变形、室内试验、黄土液化预测、抗 液化措施 i v a b s l l b 研 a b s t r a c t l o e s si sas p e c i a lk i n do fs e d i m e n t a t i o no nt h ee a r t ht h a tf o r m e di nt h eq u a t e r n a r yp e r i o d i nc h i n a 1 0 e s sw i t hag r e a tt h i c k n e s sa n dac o m p l e t es e q u e n c ei sw i d e l yd i s t r i b u t e da n dt h e t o m a r e ao f d i s t r i b u t i o ni sa b o u t6 4 0 0 0 0k m 2 t h ea r e aw i t hs e i s m i ci n t e n s i t yo v e rv id e g r e e i nt h el o e s sp l a t e a ui s3 3 50 0 0 k m 2 a t t e n t i o ni sg i v e nf o rl a n d s l i d e s ，s e i s m i cs e t t l e m e n t sa n dl i q u e f a c t i o n st h a ta r ei n d u c e db y e a r t h q u a k e e s p e c i a l l y , a f t e rs t u d i e so nt h em u d f l o wo fl o e s si nt a j i k i s t a na n dt h el a n d s l i d eo f l o e s si ng u y u a n , t h el i q u e f a c t i o no fs a t u r a t e dl o e s sa r es t u d i e di nv a r i o u sr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s t h er e s u l t so f t o s t si n d i c a t es a t u r a t e dl o e s sa n dr e m o d e l e dl o e s sc a nl i q u e f y t h ei n c r e a s i n g r h y t h mo fp o r e w a t e rp r e s s u r ei sd i s t i n g u i s h e df r o mt h a to fs a n d s t h ei n c r e a s i n gr a t eo f s a t u r a t e dl o e s si sh i g h e rt h a nt h a to fs a n d s t h i sm a yb ea t t r i b u t e dt ot h es t r u c t u r eo fs a t u r a t e d l o e s s ，w h i c hd o e s n ts l u m p ，i sm e t a s t a b l ea n dt h ef o r c eo fe a r t h q u a k ec a nc a u s el o e s s s s t r u g t u r et of a i l u r ea n dl a r g e rv o l u m es t r a i n s a t u r a t e dl o e s sh a sg r e a tv o l u m e t r i cd e f o r m a t i o np o t e n t i a l t h ed y n a m i cs t r e s sw e a k e n st h e c o n n e c t i o nb e t w e e nl o e s sp a r t i c l e s t h es h e a rd e f o r m a t i o no fl o e s si n d u c e st h ev e r t i c a l d e f o r m a t i o no fl o e s sp a r t i c l e st os o m ed e g r e ea n dm a k e st h es t r u c t u r ef r o mt h em e t a - s t a b l es t a t e i n t os t a b l es t a t e i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ec o m b i n a t i o no fw a t e rs u b s i d e n c oa n ds h e a r s h r i n k a g eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ep o r ew a t e rp r e s s u r ei n c r e a s i n g a n o t h e rr e a s o nf o rh i g h e r p o r ep r e s s u r em a yb et h a tt h ec l a yc o n t e n tw i l lr e d u c et h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo f t h el o e s s t h ei n c r e a s i n gc r w e so fp o r e w a t e rp r e s s u r ec a nb ef i t t e di nm o d i f i e da c u r v ep r e s e n t e d t h ep a r a m e t e rpi m p l i e st h ei n f l u e n c eo fm a g n i t u d eo fd y n a m i cs t r e s so nt h ed e v e l o p m e n to f p o r e - w a t e rp r e s s u r e ，v o l u m e s t r a i nvr e f l e c t st h ei n f l u e n c eo f m o i s t u r es l u m po nt h e d e v e l o p m e n to f p o r e - w a t e rp r e s s u r e ，a n dt h em o d eo fc u r v e si sc o n t r o l l e db yt h ec o m b i n a t i o no f d i f f e r e n tba n dvv a l u e s t h ef i n d i n g so f t e s t so np o s tl i q u e f a c t i o nd e f o r m a t i o no f s a t u r a t e dr e m o l d e dl o e s si n d i c a t e d t h e r ea r et w oo b v i o u sd e f o r m a t i o ns t a g e st h a ta r eal o w r i g i d i t yr e g i o na n dah i g hr i g i d i t yr e g i o n t h es w a i nm a g n i t u d eo f t h el o w r i g i d i t yr e g i o nc a nb eu pt od o z e n sp e r c e n ta n dt h es t r e s si nt h i s r e g i o ni sa l m o s tz e r 0 w i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a ht h ep o r e - w a t e rp r e s s u r ed e c r e a s e sa n dt h e e f f e c t i v es t r e s si n c r e a s e sg r a d u a l l y t h e r i g i d i t yo fl o e s si s a l s or e s t o r e dg r a d u a l l y t h e d e f o r m a t i o np e r f o r m a n c eo f p o s tl i q u e f a c t i o no f s a t u r a t e dl o e s sm a yb ea f f e c t e db yt h e s ef a c t o r s v a b s l l t s u c ha sd r yd e n s i t y , l i q u e f a c t i o nd e g r e ea n dc o n f i n e dp r e s s u r e t h ef o r m u l at h a tc a nd e s c r i b e t h ed e f o r m a t i o np e r f o r m a n c eo fp e s tl i q u e f a c t i o no fs a t u r a t e dl o e s si sd e r i v e da n de v a l u a t e d a c c o r d i n gt h et e s tr e s u l t s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e f e r e n c e so i lt h eg r o u n dw a t e r , l o e s sd i s t r i b u t i o n , a n dt h e s e i s m i ci n f o r m a t i o no f1 9 2 0h a i y u a ne a r t h q u a k ea n dt h ef i n d i n g so fl o e s sd y n a m i cl i q u e f a c t i o n t e s t s ，t h em e c h a n i s mo fl o e s sl a n d s l i d ei sa n a l y z e d b e f o r ee a r t h q u a k e ，t h eg r o u n dw a t e rt a b l e r a i s e da b o u tl o mb e c a u s eo fg c o s t r e s s d u r i n ge a r t h q u a k e ，t h ew a t e rt a b l ec o u l dr i s ef u r t h e l t h i sm i g h tc a u s et h eq 3l o e s sd e p o s i t st os a t u r a t e t h eh i g hp e a ks t r e s si n d u c e dt h eu e c u r r e n c e o ft h ev o l u m e t r i cd e f o r m a t i o n t h ec o m b i n a t i o no fw a t e rs u b s i d e n c ea n ds h r i n k a g em a d e p o r e - w a t e rp r e s s u r eo fl o e s sd e p o s i t st o r i s eq u i c k l ya n dl o w e r e dt h es t r e n g t ho fl o e s s t h e c o m b i n a t i o no fe a r t h q u a k es h a k ea tt h el a s ts t a g eo fe a r t h q u a k ew a v et i m eh i s t o r ya n ds t a t i c s h e a rs t r e s sm a yc a u s eg r e a tm a s so fl o e s st or u s hd o w no nt h eg e n t l es l o p t h ea n t i l i q u e f a c t i o nb e h a v i o ro fl o e s sg r o u n di m p r o v e db yg r a v e lp i l ei sa n a l y z e db y m c a l l so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d i ts h o w st h eb e h a v i o ro fa n t i l i q u e f a c t i o no fl o e s sg r o u n d d o e sn o tb ei m p r o v e do b v i o u s l y t h ea f f e c t i o no fd r a i n a g eo ft h ep i l ei s n to b v i o u sd u r i n g e a r t h q u a k e ，b u to b v i o u s a f t e r e a r t h q u a k e i t a l s od o e s n t i m p r o v e t h eb e h a v i o ro f a n t i l i q u e f a c t i o no f l o e s sg r o u n do b v i o u s l yb yi n c r e a s i n gt h ed i a m e t e ro f t h ep i l ea n de n h a n c i n g t h ep e r m e a b i l i t yo f t h ep i l e t h ep r e c o n d i t i o no fl i q u e f a c t i o no fl o e s si n d u c e db ye a r t h q u a k ei st h ep r o p e r t i e so fl o e s s d e p o s i t s ，g r o u n d w a t e rt a b l ea n dt h ep o r e - w a t e ri nl o e s sd e p o s i t s o nt h eb a s eo fa n a l y s i so nt h e p h y s i o g n o m yo fl o e s sd i s t r i b u t i o na r e a , g r o u n d w a t e rd i s t r i b u t i o na n dt h ep o r ew a t e ri nl o e s s d e p o s i t s ，t h eq 3l o e s sd e p o s i t sc o u l db es a t u r a t e db e c a u s eo f r i s i n go f g r o u n d w a t e r , i r r i g a t i o no f l a n da n dd r a i n a g eo f i n d u s t r ya n d l i v i n gb e f o r ea n dd u r i n ge a r t h q u a k e t h ea n t i l i q u e f a c t i o nb e h a v i o ro fl o e s sd e p o s i t sc a nb ei m p r o v e db yd y n a m i ct a m p i n g ， c h e m i c a lg r o u t i n g ，c o m p a c t i o np i l ea n dp r e i m m e r s i o n , e r e t h e s em e t h o d sc a n te l i m i n a t e l i q u e f a c t i o np o t e n t i a lo f l o e s sd e p o s i t sc o m p l e t e l yb u t f o rc h e m i c a lg r o u t i n gm e t h o d k e yw o r d s ：s a t u r a t e dl o e s s ，i n c r e a s i n gm o d eo fp o r e w a t e rp r e s s u r e ，m e c h a n i s mo f l i q u e f a c t i o n , l a r g ed e f o r m a t i o no fp o s t l i q u e f a c t i o n , l a bt e s t s ，p r e d i c t i o no f l o e s sl i q u e f a c t i o n , a n t i - l i q u e f a c t i o nm e t h o d so f l o e s s v i 前言 黄土的英文名字称之为“l o e s s ”，l o e s s 来源于德文，发“l u s s ”音，意为松散的和易 碎的。黄土是一种多孑l 隙、弱胶结的第四纪地质时期以来的特殊沉积物。在我国黄土地 质研究中，一般将风力搬运堆积的、未经次生扰动的、无层理的、黄色粉质富含碳酸盐 并具有大孔隙的土状沉积物称之为黄土。对于美国和欧洲的黄土，一般认为是由冰川时 期冰川融化的水进行搬运沉积后，再由风力搬运堆积而成的，亚洲的黄土则是由中亚的 沙漠地区的物质经风力搬运堆积而形成的。 黄土主要分布在中国、中亚( 前苏联的亚洲部分) 、东欧、美国等地区，在南美、非 洲等地也有零星分布。其中，尤以中国的黄土高原最厚、最大、最典型。实际上，对于 黄土的研究也主要集中在中国、中亚的t a j i k i s t a n 、u z b e k i s t a n 以及美国等地区。 中国是世界上黄土面积最大、厚度最厚、地貌地域最复杂的国家之一，其分布面积达 6 4 万k m 2 ，约占我国陆地面积的6 6 ，占世界黄土覆盖面积的4 9 。黄土的主要分布区 西起青藏高原东侧，东至山西太行山西麓；北起腾格里毛乌素沙漠南缘，南到秦岭；范 围位于北纬3 4 4 0 0 ，东经1 0 0 1 1 5 。之间，面积大约为3 3 5 1 万k m 2 。分布的范围包括甘 肃的中部、东部，青海东部，宁夏南部，内蒙河套地区，陕西的关中和陕北，山西的中、 西部和河南的西部，其中心地带构成著名的黄土高原。 南北地震带北段以及汾渭、祁连等地震带都展布在黄土高原及其周边地区。独特的地 质构造特征使得该区为地震多发地区。历史上6 级以上的破坏性地震5 1 次，其中7 级以 上的强震2 2 次，8 级及8 级以上的大地震6 次，这些地震给黄土地区带来严重的震害和 j j 大的损失。 我国黄土动力特性的研究始于上个世纪五十年代，较为广泛的系统研究则始于上个世 纪的七十代至八十年代。此后黄土动力学研究主要围绕黄土的弹性模量、阻尼比、本构 模型、剪切波速以及地脉动等黄土动力特性而展开的。由于黄土独特的动力易损性，黄 土地震诱发的各种地质灾害：滑波、震陷和液化等地震岩土灾害引起人们广泛关注。东 京大学i s h i h a r a 教授基于前苏联塔吉克境内的g i s s a r 地震而产生的黄土滑坡和流滑考察研 究，提出了半干旱地区地震诱发黄土液化进而造成大面积黄土滑坡和泥流成因机理。中 国白铭学、张苏民( 1 9 9 0 ) 分析了1 9 2 0 年海原8 5 级地震的震害，指出石碑塬上覆土体 沿缓斜坡降方向向前滑移了1 5 k m ，其主要原因是地震使石碑塬1 1 2 5 米深度范围内砂质 黄土层发生了液化并进而诱发滑坡。其后，国内黄土工程界对黄土液化问题给予了广泛 关注，国内的不同研究机构也相继展开了黄土液化这个前沿课题的研究。随着研究的不 断深入，国内关于黄土液化的研究成果逐渐得到国内外土动力学界的认同，国外一些学 者也相继展开了对黄土液化的研究。 从黄土液化概念的提出到对黄土液化作较为深入的研究仅仅一、二十年时间，同时由 于黄土液化震害实例的限制，对黄土液化孔压增长模型、黄土液化机理、黄土液化后变 形性能以及黄土液化雳发的泥流、滑坡震害形成机制等方面的研究还有待深入。特别是 黄土液化后变形性能研究几乎处于空白。实际上，塔吉克风成黄土在缓斜坡条件下的大 面积滑移( 泥流) 与黄土液化后孔压消散和变形性能有着密切的关系。 为此，本课题在教育部骨干教师基金和国家自然科学基金资助下对黄土液化问题展开 了研究。本文主要工作及创新成果有：( 1 ) 参与研究研制了适合土体液化后变形性能研 究的振动扭剪全自动多功能三轴仪，利用该设备对饱和黄土、重塑黄土的孔压增长进行 了试验研究，并提出了饱和黄土孔压增长模式。( 2 ) 采用研制的多功能三轴仪，对黄土 液化后变形特性及相关影响因素进行了研究，推导了饱和黄土液化后本构模型并进行了 验证。( 3 ) 将本文的黄土模型嵌入f e q d r a i n 程序，对典型的黄土剖面以及经碎石桩处理 的黄土地基进行了液化分析。依据黄土地貌、黄土颗粒组分、地下水分析及地震等，对 黄土分布区可能发生黄土液化的区域进行了预测。 本课题获教育部骨干教师基金资助项目( 2 0 0 0 5 0 6 0 3 3 ) 和教育部重点项目( 0 2 1 2 2 ) 联合资助。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负 全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年1 2 月1 4 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年1 2 月1 4 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 黄土及黄土的地震灾害 1 1 1 黄土的分布及分类 ( 1 ) 黄土的分布 黄土的英文名字称之为。l o e s s ”，l o e s s 来源于德文，发“l u s s ”音，意为松散的和易 碎的。黄土是一种多孔隙、弱胶结的第四纪地质时期以来的特殊沉积物。在我国黄土地 质研究中，一般将风力搬运堆积的、未经次生扰动的、无层理的、黄色粉质富含碳酸盐 并具有大孔隙( f l - i - 状沉积物称之为黄土【1 - 2 。对于美国和欧洲的黄土，一般认为是由冰川 时期冰川融化的水进行搬运沉积后，再由风力搬运堆积而成的，亚洲的黄土则是由中亚 的沙漠地区的物质经风力搬运堆积而形成的。 黄土的颗粒以粉粒( o 0 5 - - 0 0 0 5 r a m ) 为主，其含量可达5 0 - - 7 5 ，其次为砂粒 ( o 0 5 m m ) ，约占1 0 3 0 和粘粒( o 0 5 m m ) ，约占1 0 - 3 0 和粘粒( o 0 0 5 m m ) 约占8 - - - 2 6 。 陇西和陕北的砂粒含量大于粘粒含量，而豫西的砂粒含量少于粘粒含量，即我国黄土的 粒度成份，自西北的青海、甘肃、陕北、山西等省区向东、南的陕西关中、河南、河北、 山东等省区有细粒粘土颗粒逐渐增多，较粗粒逐渐减少的趋势。 2 ) 黄土天然状态的湿度及密度 河海大学博士学位论文 余跃心2 0 0 7 i i 黄土由于其特殊的形成条件，天然状态下的湿度( 含水量) 一般较低，密度( 天然容重) 不高，孔隙较大，具有低容重、低含水量，高孔隙的特点。湿陷性黄土的天然重度一般 为1 3 5 1 9 0 k n m 3 ，干重度一般在1 1 肚1 6 0 k n m 3 之间湿陷性黄土的天然含水量在 5 一- 2 3 之间，含水量的大小与地区年降雨量和地下水以及农田灌溉，渠道渗漏等环境影响 有关。湿陷性黄土的饱和度约在1 7 - 7 7 之间，而多数为4 0 5 0 ，当饱和度超过8 0 时， 就称为饱和黄土。黄土的孔隙比一般在o 8 1 2 4 之间，大多数则在o 9 1 1 之间。 3 ) 黄土的可塑性指标 我国湿陷性黄土的液限一般在2 2 3 5 ，塑限在1 4 - 2 0 之间。液性指数通常接近零甚 至小于零，塑性指数变化范围大仲在2 4 8 - , - 2 2 4 之间，平均值为1 2 0 左右，基本上属塑性 土，只有少量是高塑性与微塑性。 表i - 1 黄土的物性指标及粒径分布 物理，w ge w ， w p 土粒组成 指标 ( k n m 1仞 ( )( ) 砂粒粉粒粘粒 下限值 1 3 59 ，82 7 00 ，7 5 32 4 11 3 8 9 ，5 1 0 o4 7 89 3 上限值1 8 42 1 52 7 21 2 l l2 9 41 8 81 2 53 0 17 5 32 3 3 平均值 1 5 51 3 o2 7 i1 0 2 42 7 11 6 5 1 0 6 1 1 6 5 l6 9 41 4 1 注：数据来源于岩土工程手册；数据来源于王兰民( 1 9 9 9 ) ( 3 ) 黄土的力学性质 1 ) 压缩性 由于湿陷性黄土中具有一定的可溶盐类，同时也由于可观的负孔隙压力的存在，所以 在天然状态下它的压缩性较低，但是一旦遇到水的作用，上述条件随之消失，使得黄土 的压缩性增高。我国湿陷性黄土的压缩系数一般在o 1 一1 0 ( m p a ) 之间。对于q 3 晚期 及q 4 形成的黄土多是中等甚至为高压缩性。 2 ) 抗剪强度 湿陷性黄土的粘聚力由二部分组成，一部分是原始粘聚力，它是由土粒问的电分子弓l 力所产生。另一部分是由于湿陷性黄土具有较多的可溶盐和一定的负孔隙压力存在，从 而形成较高的结构强度，使土的粘聚力增大。天然状态下湿陷性黄土的粘聚力一般在 1 0 - 6 0 k p a 之间，而内摩擦角则在1 7 3 0 。之间。 3 ) 渗透性 湿陷性黄土的结构较为复杂，且含有较多的不同成分的易溶盐，并有垂直节理等特征， 6 第一章绪论 所以其渗透性不同方向是不一样的。尤其在垂直和水平方向上相差较大，一般垂直渗透 系数为0 1 6 - 4 3 3x1 0 一e m s ，而水平渗透系数则为o 1 o 8 x1 0 。6 c m s 。 1 1 3 黄土区的地下水分布 黄土高原地区地下水赋存的地层可以分为两大类：一类为黄土地层，包括更新世以至 今新世的黄土堆积在内；另一大类为非黄土地层，包括从太古界的结晶岩类、古生界的 碳酸盐岩类，以至中生界的碎屑岩类和第四系的松散岩类。地下水的赋存状态和分布特 征也因其赋存介质的不同而异，在黄土层中地下水多赋存于孔隙或孔洞及裂隙之中【幡m 。 黄土特殊的成岩环境决定其独特的岩性结构。众所周知，黄土的特征之一是富含孔隙， 孔隙及孔隙结构无论对研究其物理力学性质还是水理性质均具有重要意义。黄土的空隙 约占总体积的4 0 - - 5 0 其中粒间孔隙是黄土的主要储水空间。但相当一部分孔隙，其直 径小于o 0 0 5 m m ，即薄膜孔隙，它们构成了相当于土的最大持水量的那部分空间，其含 量变化白1 4 至3 8 不等，总趋势为自上而下递增。 黄土地层典型的地质特征是具有多层性、非均质性、各向异性。一般而言，各地的 黄土地层均发育有多层黄土与多层古土壤，层序较全者可达数十层之多。黄土地层的上 述特征，决定了它特有的水文地质特征。它的多层性、非均质性，决定了黄土含水层中 赋水的不均匀性；其结构上的各向异性，制约着其渗透性能上的各向异性；黄土层的颗 粒级配，导致了黄土含水层的水资源不可能很丰富。 黄土分布区具有独特的地貌景观，如黄土塬( 高塬、台塬) 、黄土梁峁及黄土掌地、杖 地、台地等。这种独特的地貌条件控制着黄土地下水的形成与分布。大气降水入渗是黄 土层地下水的主要补给来源。黄土层地下水的分布虽然具有普遍性，但由于沟谷切割， 使之分布又不连续；高塬上水位埋藏深，沟谷地带、台地上埋藏浅，含水层厚度差别也 很大 洛川县城附近腰子衬的几个天然湿度测量孔的资料表明：其天然含水量曲线在垂向 上呈现明显的峰谷相间图形。除表层，深度l 3 m ，为土壤水分与大气水分激烈交换层段， 曲线呈不稳定状态外，以下部分的土层湿度变化相对稳定。其规律是，黄土层天然含水 量较小，古土壤层含水量较大。若以饱和度表示，则黄土层一般在4 0 - 7 0 间，古土壤则 可达7 0 , - - 9 0 左右。这显然与岩性层的持水特性有直接关系。但从剖面的整体上看，每一 个黄土一古土壤层组合，含水量的最大值往往出现在黄土层底部，最小值在黄土层顶面。 随着黄土与古土壤尼的多次更迭，天然含水量曲线不仅大小起伏，而且有自上而下随深 度加大呈螺旋式增大的规律。 7 河海大学博士学位论文 余跃心2 0 0 7 1 i 1 1 4 饱和黄土 由于地下水的运动使原具有湿陷性的新黄土的湿陷性消失，并呈现饱和状态( 饱和度 可达8 0 以上) 的非湿陷性黄土，称之为饱和黄土i 嘲。土中孔隙比的大小决定于土颗粒 的大小、形状和排列，黄土颗粒间常有一定量的可溶盐，地下水上升或其它方式使黄土逐 渐饱和时土中可溶盐溶解，但溶后盐类绝大部分集散于孔隙内，因而其总的孑l 隙体积并 未减少或减少甚微。所以只要不发生自重压力下湿陷现象，孔隙比在数值上一般不减少。 傅世法( 1 9 8 0 ) 指出饱和黄土是湿陷性黄土演变而来的。因此其土的性质与湿陷性黄土 的性质有着密切的关系。 对于比重、液限、塑限、塑性指数等物理性质，由于这些性质与土的矿物成份、粒度 大小和颗粒形状有关，而与土中含水量大小无关，因而这些指标在饱和前后不发生变化。 饱和黄土的压缩系数一般较高，多属高压缩性土。显然，由于黄土中的可溶盐被溶解， 而使土的粘聚力大大减弱，内摩擦角由于仅决定于土颗粒大小及形状，所以没有变化。 傅世法( 1 9 8 0 ) 、林杜军( 1 9 9 4 ) 认为西安地区因地下水上升而使黄土饱和，但由于 饱和黄土受水浸湿时间较短，土的粒阃胶结虽有所削弱，在自重应力场中处于浸水条件 下，土的固结压密并不充分，且十分缓馒，土的原生结构并未遭到大的破坏，对于非自 重湿陷性黄土饱和后一般孔隙比不变。林杜军对西安东郊某场地饱和黄土工程性质进行 了研列1 9 。2 0 】。试验表明西安地区的近期饱和黄土的天然孔隙比平均水平在1 0 左右，个别 达到1 2 以上，与湿陷性黄土的天然孔隙比相近，见表1 2 。 表1 2 饱和黄土物理力学性质指标 含水量容重孔隙比饱和度液限塑限塑性指数压缩模量 k n m 3 m p a 1 饱和黄土2 7 5 3 6 517 2 1 9 30 6 7 1 1 48 6 - , 1 0 0 2 6 3 3 6 o1 5 4 - , - 2 1 5 1 0 3 1 5 9 o 2 争7 5 近期饱和 3 5 31 8 01 0 49 23 1 5o 9 0 黄土 早期饱和 黄土 2 0 2 - 3 1 - 31 7 m 之0 o0 6 2 1 0 97 0 1 0 02 5 0 _ 4 4 0o 2 0 近期饱和黄土的平均含水量可达3 3 3 5 ，达到并超过土体本身液化含水量( 3 3 3 4 ) 。 近期饱和黄土超固结比o c r i ，为欠压密土体，并可表现出极高的压缩性。林杜军近一 步指出对于饱和度小于9 0 的饱和黄土，其湿陷性虽已退化( 占 o 0 1 5 ) ，但并不意味 着完全消失( 艿0 ) 。固结曲线特征也表明对于7 0 奄f 9 0 的饱和黄土，由于粒间胶 结并未完全消失，仍保留着一定的结构强度，故在加载的初期阶段所表现出的变形是比 较小的。买凌云、陈素维对山西、陕西地区饱和黄土所做的压缩试验也表现类似的特征 i 第一章绪论 【2 1 2 2 乓 倒 骺 1 2 0 1 1 0 o 1 0 0 塞o 9 0 忡0 8 0 o 7 0 0 6 0 0 0 00 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 o o 压力，k p a 图l - 3 饱和黄土的固结曲线 渗水前的起始含水量， o1 02 03 0 乓 刨 瓒 停渗后的含水量增量鸬 05 1 01 5 图1 - 4 黄土的渗水试验中含水量变化曲线 刘红玫、王兰民等( 2 0 0 2 ) 就饱和黄土液化前后孔隙结构特征进行了较为深入的研究 圆。按照孔隙成因和半径的大小，黄土中的孔隙被分为微孔隙、小孔隙、中孔隙和大孔 隙。其中，微孔隙形成于胶结物中，这类孔隙在黄土中数量很多，分布杂乱，连通性差， 透水性弱。中小孔隙均为粒间孔隙，小孔隙( 又称镶嵌孔隙) 存在于骨架颗粒相互穿插、紧 密排列的部位，其多呈缝隙状，较小；而中孔隙由骨架颗粒相互支架构成( 又称支架孔隙) ， 9 河海大学博士学位论文余跃心2 0 0 7 - 1 i 一般较大，形状多样，这类孔隙连通性好、透水性强。而大孔隙主要是黄土中次生的根 洞、虫孔、鼠穴、节理和裂隙以及溶蚀孔洞，该类孔隙含量较少。通过扫描电子显微镜 对饱和黄土试样进行分析发现：液化前原状土样中占比例最大的是中孔隙。牛琪瑛，白 晓红( 1 9 9 6 ) 也进行了类似的研究例。牛琪瑛基于扫描电子显微镜分析结果认为对于黄 土状粉土，当粘粒含量为9 时，粘粒分布在粉粒与粉粒的点接触部位，以支架接触式胶 结着粉粒。随着粘粒含量的增多或减少，黄土的微结果也发生相应的变化，同时也影响 了黄土状粉土抗液化性能。 黄土地区的地下水，尤其是黄土高原上的地下水，主要接受大气降水的补给，包气带 是地下水入渗补给的唯一途径。通过渗水试验研究，可将水分入渗划分为两种情形：( 1 ) 灌溉入渗模式，即上部含水量保持在接近于饱和的某一固定含水量的灌溉入渗模式；( 2 ) 另一种是地下水埋藏在无限深处的非饱和状态下的降雨入渗模式【1 7 1 。 图1 4 表明：随着水分的下渗，土层中的含水量有着明显的变化。在近地表处含水量 变化幅度约在1 0 左右，使浅层黄土的含水量达3 0 ，也就是说浅层黄土处于饱和及近 饱和状态。这种情形正是塔吉克地区1 9 8 9 年黄土层地震前的状况( 第五章塔吉克风成黄 土液化机理一节中将加以阐述) 。 1 1 5 黄土的地震灾害 黄土地貌对黄土区工程地质性质有着密切的关系，不同的黄土类型、地貌结构和类型， 所映的工程地质性质各不相同。滑坡及边坡崩塌是黄土高原区较严重的灾害性地质过程。 这种地质过程除与自然因素如地震、降雨、河流侧侵及人类活动的因素诸如农业灌溉、 堆载及振动有着直接关系外，地貌的类型与结构也是促发滑坡发展的重要条件。 南北地震带北段以及汾渭、祁连等地震带都展布在黄土高原及其周边地区。独特的地 质构造特征使得该区为地震多发地区。历史上6 级以上的破坏性地震5 1 次，其中7 级以 上的强震2 2 次，8 级及8 级以下的大地震6 次，见表1 3 。这些地震给黄土地区带来严重 的震害和巨大的损失【2 6 1 。 中国地震烈度区划图上黄土高原上6 度以上地震烈度的面积约3 3 5 l 万k m 2 ，主 要的大、中城市都变化坐落在这一区域内。黄土地区震害调查表明：黄土区的地震经常 诱发地基震陷、边坡、路堑及黄土塬边滑坡及崩塌等灾害 前已述及，中亚地区大部分区域也分布着厚度约在5 0 1 0 0 m 的黄土，同时由于板块运 动的影响，中亚地区也是一个地震多发地带。以u z b e k i s t a n 为例，在1 9 5 5 2 0 0 0 年期间， 共发生震级5 级以上的地震8 1 次，其中里氏震级m = 5 的5 6 次；m = 5 5 的1 4 次；m = 6 的4 次；m = 6 5 的4 次；m - 7 的3 次【2 7 1 。由此可见，中亚地区的中等及以上地震发生频 率是相当高的。地震调查表明在u z b e k i s t a n ，塔吉克等中亚地区，震区的大部分区域覆盖 1 0 第一章绪论 着厚厚的黄土，最厚的可达l o o m ，震陷、滑坡和液化是该地区最主要的震害。 衄f + j