浅议黄土的湿陷、震陷与液化

浅议黄土的湿陷、震陷与液化
1、引言
黄土是第四纪沉淀物,具有一系列内部物质成分和外部形态的特征,不同于同时期的其他沉淀物。

黄土在我国分布较广,覆盖面积约为64万平方公里,占国土总面积的6.6%,有较厚的黄土覆盖层,其最厚可达400多米,而且主要分布在多地震的中西部地区。

在黄河中游地区,西起贺兰山,东到太行山,北起长城,南到秦岭几乎全部都被黄土覆盖,这里黄土发育最好,地层全、厚度大、分布连续,是我国黄土主要分布地区。

其中湿陷性黄土约占黄土总面积的60%[1][2]。

黄土地区的主要地震灾害有地震滑坡、液化和震陷。

黄土高原地区发育有南北地震带、华北地震带和祁连地震带, 该地区曾发生过许多中、强地震。

因此, 研究黄土的地震灾害及抗震措施, 无论是对社会稳定还是对经济发展, 都具有极其重要的意义。

2、湿陷、震陷与液化的概念
黄土在上覆压力或在自重压力与建筑物荷载的共同作用下,受水浸湿后土的结构迅速破坏,产生显著的附加下沉,其强度也随之明显降低,黄土的这种性质称为湿陷性。

湿陷性黄土又分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土。

震陷主要是指地基土由于地震而引起的附加残余变形。

震陷的宏观现象是地震引起的地面沉陷。

不仅软粘土(包括黄土)会发生震陷,砂土也可能发生震陷。

液化是在人类的生活和生产实践中对土体突然丧失承载能力和强度,并发生流动现象的认识过程中产生的。

黄土液化与砂土液化的定义相同, 即饱和黄土在动荷载(如地震)作用下产生超孔隙水压力, 同时土中的有效应力降低, 当土中的超孔隙水压力大约升至总应力的70%(此时与砂土液化有差异) 时, 土中的有效应力降为零, 即可发生液化[3]
3、产生机理
湿陷性黄土发生湿陷的原因是很复杂的,其湿陷过程是一个复杂的物理化学过程。

产生湿陷的原因必须从内因和外因来分析[4]~[6]。

湿陷性黄土只所以能够产生湿陷,首先是因为它含约60%的粉粒,组织结构是粉粒点式接触大孔性结构和粉粒叠盖式多孔结构,空隙比较大,这为产生湿陷提供了充足的空间条件;其次是湿陷性黄土富含水溶盐,颗粒间存在加固凝聚力,它遇水后降低或消失,这为湿陷时的黄土颗粒运移创造了必要的条件;最后是湿陷性黄土含有适量的粘粒,其遇水有膨胀性,体积增大,能够使湿陷性黄土颗粒移动,并能使土的抗剪强度明显降低。

因此,在压力和水的侵入作用下,黄土的多孔性结构破坏、溶盐加固凝聚力消失、粘粒膨胀、土强度降低等综合性因素,是产生黄土湿陷的原因和机理。

土动学试验与显微结构的对比研究揭示(张震中等,1987),具有颗粒接触架空空隙微结构的黄土在地震作用下易于震陷。

这种黄土颗粒间的胶结力很弱,强度很低,一旦遭遇地震,大孔结构就可能破坏,粉粒落入大孔隙,其结果使黄土层的残余变形迅速增长,宏观上表现为土体的突然沉陷。

黄土液化从土动力学、水电化学和微结构角度对饱和黄土液化的研究表明,黄土液化与砂土液化在机理上并不完全相同。

当黄土浸水处于饱和状态时,饱和度一般为80%~95%,通常低于砂土的饱和度。

在一定强度的动荷载作用下,一方面孔隙体积减小,孔隙水来不及排除而导致孔压上升,作用于土骨架的有效应力急剧下降,土的强度大幅度丧失,应变急剧增大。

另一方面,随着孔压的继续升高,中溶盐进一步溶解,原先未充水的小孔隙和微孔隙由
- 1 -
于孔壁隔水物质和胶结物质溶解而充水,这在一定程度上消散了原先充水的大、中、小孔隙中的水压力。

即表现为这一阶段轴向动应力幅值开始趋于稳定,而残余应变急剧增长。

对比黄土的湿陷、震陷和液化的形成机理可知,这三种性质都与黄土的大孔隙结构和富含碳酸钙盐类及胶结材料有着紧密的联系,并且这三种性质均是在水的作用下完成的,因此,水的作用也是不可忽略的。

另外,这三种性质与黄土中的颗粒组成也有很重要的关系,由于黄土的主要颗粒是以粉粒(0.05~0.005毫米)为主,占总
量的60%以上,几乎没有粒径大于0.25毫米的颗粒。

所以,在水的作用下,小颗粒比较容易运移,填补原来的孔隙,在宏观上表现为土层的变形或者流动。

4、影响因素
湿陷的影响因素:⑴黄土微结构的影响:黄土越松散,架空结构越多,越容易发
生湿陷。

⑵黄土物质成分的影响:粘粒含量越多,湿陷性越弱;一般碳酸钙的含量增大时,黄土的湿陷性减弱;石膏的含量越多,则黄土的湿陷性越强;易溶盐含量越多,则黄土湿陷性强;黄土的酸碱度——PH值越大,湿陷性越强。

⑶黄土的物理性质的影响:黄土的孔隙比越大,湿陷性越强;黄土的湿陷性随着天然含水量的增加而增大。

⑷随着外加荷载的增大,湿陷量也将增大。

震陷的影响因素:⑴动应力的影响:黄土的残余应变随着动应力的增大而增大,随着震动次数的增多而增加。

⑵黄土的物理性质的影响:在同一动应力作用下,黄土的震陷随着含水率的增大而增大;随着土的密度增大而减小;随着土的孔隙比的增大而增大[8]。

液化的影响因素:⑴场地条件:地下水位较浅或有其他水源补给,必须在中更新世晚期和晚更新世以来的黄土完整地层。

⑵含水量的影响:含水量升高,孔压比增大,越容易发生液化。

⑶干密度的影响:干密度越大,黄土越难液化。

⑷孔隙结构的影响:黄土中孔隙含量越大,黄土越容易液化;并且液化后大、中孔隙含量降低,微、小孔隙含量增加。

由于三者在产生机理上有相同的部分,所以三者在影响因素上也有一定的相似性。

例如,三者都和黄土物理性质有关,尤其是和孔隙结构有关,孔隙比越大,湿陷、震陷和液化越容易发生。

主要的区别在于,黄土的湿陷主要和黄土的自重和外加荷载(一般为静荷载)有关,而黄土震陷和液化则受动应力影响较大。

5、危害性
黄土的湿陷、震陷和液化都能对建筑和工程造成破坏,甚至是十分致命的破坏。

因为它们发生时都能不同程度的引起地面的下沉和变形,对于建筑来说,不均匀沉降容易是建筑物开裂,严重时引起建筑物的倒塌,造成严重的后果。

一般说来,液化的破坏性最大,震陷的破坏性次之,湿陷的破坏性最小。

黄土因其特殊的成因作用和结构性使得其对地震的作用十分敏感,历史上黄土地区因地震而造成的惨重灾害是难以忘怀的。

例如,1556年陕西华县地震(8级)袭击了广大的黄土地区,位于极震区的渭南县地裂缝遍地,鼓楼下沉达1米多; 1920年甘肃海原地震(8.5级),震害更为严重,所形成的滑坡严重密集区达4000平方公里以上,西吉县一带(烈度为10度)滑坡连片,回回川滑坡体长687m,宽359m,滑坡后壁至前缘高差约100m,滑动土层厚30~50m,下滑土方量766万m3,滑动后的平均角度8.4·[7]。

6、结论
⑴黄土的湿陷、震陷和液化发生时的含水量不同,黄土湿陷通常发生在黄土刚刚被水浸湿时(未饱和之前);黄土震陷通常是在含水量较大时发生(可能饱和也可能没有饱和);黄土发生液化时通常是在饱和的情况下。

⑵黄土的湿陷是在自重压力或静荷载作用下发生,震陷和液化则主要是在动应力作用下发生。

⑶黄土的湿陷性、震陷性和液化性的形成机理有相似之处,即都与黄土的大孔隙结构和富含碳酸钙盐类及胶结材料有着紧密的联系,并且这三种性质均是在水的作用下完成的。

⑷三者均具有破坏性,但是破坏程度不尽相同。

一般说来,液化的破坏性最大,震陷的破坏性次之,湿陷的破坏性最小。

⑸对比三者的共同点和区别,主要是为了我们在工程实践中能采取一些一具三得的手段免除或减小黄土的这三种性质的危害。

例如,我们可以在黄土中掺加一些其它材料,改变它的大孔隙结构,则能在一定程度上抑制湿陷、震陷和液化的发生。