饱和黄土的液化特性与稳态强度

第23卷 第22期

岩石力学与工程学报 23(22)：3853～3860

2004年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov .，2004

2003年6月2日收到初稿，2003年7月8日收到修改稿。 * 科技部社会公益研究专项基金(2000-35)资助项目。

作者 杨振茂 简介：男，30岁，博士，1997年中国矿业大学采矿工程专业，现任工程师，主要从事岩土力学与工程方面的研究工作。

饱和黄土的液化特性与稳态强度

*

杨振茂

1，2

赵成刚1

王兰民3 饶为国4

(1北京交通大学土木建筑工程学院 北京 100044) (2郑州市规划勘测设计研究院 郑州 450052)

(3甘肃省地震局 兰州 730000) (4郑州市公路管理局 郑州 450052)

摘要 通过应力控制固结不排水三轴试验，研究了饱和黄土的稳态强度特性及超固结对其不排水性状的影响。对比分析了黄土与砂土静力液化特性之间的异同。提出了饱和黄土流滑破坏的产生条件和利用稳态强度判断饱和黄土能否产生液化流滑的方法。

关键词 土力学，黄土液化，流滑，稳态强度，静力液化，饱和，超固结

分类号 TU 444 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)22-3853-08

LIQUEFACTION BEHA VIORS AND STEADY STATE STRENGTH

OF SATURATED LOESS

Yang Zhenmao 1，2，Zhao Chenggang 1，Wang Lanmin 3，Rao Weiguo 4

(1College of Civil Engineering ， Beijing Jiaotong University ， Beijing 100044 China ) (2Zhengzhou Urban Planning Design and Survey Research Institute ， Zhengzhou 450052 China )

(3Gansu Province Seismological Bureau ， Lanzhou 730000 China ) (4Zhengzhou Highway Managing Bureau ， Zhengzhou 450052 China )

Abstract Steady state strength and undrained behavior of saturated loess are studied under stress-controlled undrained triaxial consolidation experiments. Static liquefaction behaviors of loess and sand are compared. Occurrence conditions of liquefaction for loess and the judgment method of flow slide of saturated loess by steady state strength are presented.

Key words soil mechanics ，loess liquefaction ，flow slide ，steady state strength ，static liquefaction ，saturation ，overconsolidation

1 引 言

我国很多黄土地区处于高烈度地震区，在这些地区，地震作用所引起的滑坡和震陷作为黄土地区的两大灾害已为人们所公认。近期对地震实例的调查和室内初步试验研究表明，饱和黄土甚至高含水量黄土也具有很高的液化势和流态破坏势。当土层中的含水量较高时，在一定强度的地震作用下会产

生液化或流滑，引起建筑物地基的失稳和斜坡丘陵地带的泥石流。因此液化成为黄土地区重要的地震灾害之一[1

～8]

。

评价未来地震中饱和黄土液化的可能性是一个重要而复杂的问题。多年来，对于液化的评价，实验室和现场研究大多数采用美国加州大学伯克利分校Seed 和Idriss 等人提出的初始液化方法。这种方法致力于研究由循环剪应力作用引起的孔隙水压力增长，通过与工程实际建立起相关关系，来预测超

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静孔隙水压力和判断液化是否能被触发。近期，人

们已将注意力转移到对液化引起流滑破坏的判别

研究上。这方面的研究以哈佛大学的Casagrande，

Castro和Poulos等人提出的稳态强度理论为代表，

并已用于分析一些实际问题[9～16]。

以前国内很少有人讨论稳态强度及其在饱和砂

土中的应用问题，直到近年来才有文章讨论这一问

题，认为稳态强度在液化分析中具有重要作用。但

对于饱和黄土，目前尚未见到国内外有相关的报道

和研究成果发表。

为了研究饱和黄土在地震作用下的稳定性，本

文将在试验的基础上，对其在不排水条件下的稳态

特性进行研究，初步建立饱和黄土的稳态强度理

论。

2 试验仪器、试样和试验方法

试验采用英国的GDS三轴仪。试样直径为39.1

mm，高80 mm，试样所用的原状马兰黄土取自甘

肃省兰州市七里河区崔家崖乡郑家庄，其各项物性

指标见表1。

表1 原状黄土的物性指标

Table 1 Physical property indexes of undisturbed loess

土的天然状态物性指标土粒组成/%

含水量ω0 /%

湿密度

ρ0

/g·cm－3

干密度

ρd

/g·cm－3

孔隙比

e0

饱和度

S r /%

粘粒粉粒砂粒

2.71 10 1

3.03 1.42 1.256 1.16 30.44 13 7215

在试验方法中，值得一提的是黄土的饱和问题。由于黄土独特的多孔隙、弱胶结的结构性和敏感的水理特性，在进行三轴试验时，饱和试样有一定困难。对砂土行之有效的高负压或低负压饱和法，对黄土试样却无法使用。因为黄土孔隙的连通性不如砂土，在浸水状态下抽气会使原有结构遭到破坏，自然浸水时间过长又会由于湿陷而溃散。经多次试验，采用了水头饱和的方法。首先按操作步骤安装完毕试样后，对试样施加20 kPa的周围压力。提高进水管的水位，使其水面与试样中部的高差为1 m 左右。打开进水阀，使纯水从底部进入试样，从试样顶部溢出。采用水头饱和的方法可在1 h左右使原状黄土的饱和度达到95%，又不致使试样的结构在饱水过程中破坏，获得的试样能满足试验的要求，试验的规律性很好，成功率高。

在试验中，特别要注意饱水过程中试样的体积变化不能忽略，否则将会使试样的孔隙比被高估0.022～0.027，引起很大的误差。

3 试验结果与分析

3.1 应力-应变-孔压关系

图1是围压在300 kPa以下时的偏应力-轴向应变关系曲线，图2是围压在300 kPa以上时的偏应力-轴向应变关系曲线(其中，

a

d

σ

σ

σ−

=，

d

σ为偏

应力，

a

σ为轴向应力，

σ为围压)。根据试验结果，饱和黄土的不排水剪切特性可以区分为如下2种类型：

图1 围压在300 kPa以下时的偏应力-轴向应变关系曲线Fig.1 Deviatoric stress-axial strain curves with confining pressure lower than 300 kPa

图2 围压在300 kPa以上时的偏应力-轴向应变关系曲线Fig.2 Deviatoric stress-axial curves with confining pressure higher than 300 kPa

(1) 应变软化型

当固结围压在300 kPa以下时，饱和原状黄土的偏应力-轴向应变关系曲线为应变软化型，典型的偏应力-轴向应变和孔压-轴向应变关系曲线如图3，0

偏

应

力/

k

P

a

轴向应变/%

偏

应

力/

k

P

a

轴向应变/%

土粒比重G s 塑性指数I p