黄土液化

黄土液化灾害处理或地基处理
摘要：针对“黄土液化”这一问题，参考二十篇国内相关论文以，分别理清作者思路与研
究方法，就黄土的理论研究，实际应用等方面进行梳理总结，探求黄土液化的作用机理与影响因素，清楚黄土液化的危害，了解解决黄土液化的工程措施，并在此基础上，总结黄土液化的研究方向与现有成果。

关键词: 黄土液化; 动荷载; 超孔压; 机理; 滑坡
一、概述
液化是在人类的生活和生产实践中对于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基本相同，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，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。

黄土液化不同于黄土湿陷。

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，产生显著地附加下沉，其强度也随之明显降低，黄土的这种性质成为湿陷性。

同时，黄土震陷也与黄土液化有明显区别。

震陷主要是指地基土由于地震而引起的附加残余变形。

震陷的宏观现象时地震引起的地面沉降，不仅软粘土（包括黄土）也会发生震陷，砂土也可能发生震陷。

二、黄土及其地震灾害概述
我国的黄土具有分布面积最广、层厚最大、成因类型最复杂等特点, 包括黄土类土在内, 其分布面积达64 万km 2, 约占我国陆地面积的7% , 其中厚层典型黄土的覆盖面积达27. 3 万km 2 , 其主要成分为粉粒, 塑性指数在10 附近, 属于弱粉土和强粉质粘土类。

黄土地貌的基本类型有黄土高原和黄土盆地两大类, 其主要形态有塬、梁、峁三种。

下更新统古黄土(Q 1) 多位于厚层黄土的底部, 直接出露地表的很少; 中更新统老黄土(Q 2) 一般整合或假整合于Q 1 黄土之上, 位于整个黄土层的中上部,直接出露地表的也不多; 上更新统新黄土(Q 3) 相当于刘东生等[1 ]划分的马兰黄土, 厚度较大, 在兰州地区最大厚度可达34 m , 其分布面积广且直接出露于地表, 具有孔隙大、结构疏松、垂直节理发育和湿陷性强等特性, 当遭遇地震时, 常产生不均匀震陷和液化、斜坡失稳引起的崩塌和滑坡以及局部地区震害加重等现象; 全新统近代黄土(Q 4 ) 多分布于大河谷地, 构成河谷É、Ê 级阶地的表层, 或覆盖于新洪积扇的表面, 多系次生黄土, 厚度不大, 一般在10 m 以内, 其分布面积较小, 但都具有湿陷性, 且随着含水量的增大, 在遭遇地震时将产生震陷、液化等灾害现象。

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。

三、研究现状
（一）国内研究现状
1.理论研究
国内诸多专家从黄土液化的试验方法，液化机理，液化判断标准，液化的孔压与应变的
发展等几个方面进行了如下研究——
在早些时间的研究工作中，比较具有启发性的研究例如：
《饱和黄土液化及其理论研究现状》一文中，杨振茂，赵成刚，王玉兰等认为目前在黄土液化的理论研究方面虽己取得了一定成果, 但仍要进行深入研究。

黄土液化是一个较新的研究课题, 对于它的室内试验方法, 目前尚无统一的规定, 需要经过大量试验, 不断归纳总
结, 把试验过程标准化。

对黄土液化的概念、液化机理、液化判别标准、液化产生条件及影响液化的因素、动荷载下孔压与应变的发展规律进行系统的研究, 初步建立饱和黄土振动液化分析的理论体系。

揭示强震作用下黄土地层低角度滑移的机理,研究滑移产生的条件。

进
行深入细致的现场调查和理论分析, 建立室内试验结果与现场调查结果之间的联系, 把室内
研究结果用于工程实际。

对于黄土液化, 目前尚未见到现场评价方法,今后应发展现场测试和评价黄土液化性能的方法。

研究液化黄土地基的处理方法和定量描述改良后土体抗液化性能的方法。

杨振茂，赵成刚，王玉兰等接着通过应力控制固结不排水实验，研究了饱和黄土的稳态强度特性以及超固结对其不排水性状的影响，进而对比黄土与砂土静力液化特性之间的异同，得到“饱和黄土发生流滑破坏必须满足的三个条件：状态条件，驱动剪应力条件和触发条件。

”这一结论。

（《饱和黄土的液化特性与稳态强度》）
而在《饱和黄土液化的试验研究》一文中，杨振茂，赵成刚，王玉兰等进一步通过动荷载，循环荷载等试验，初步点明了黄土液化过程中孔压变化的发展情况，并初步得到如下结论：原状土具有不稳定的大孔隙结构，是其产生液化的根本原因。

影响饱和黄土液化的主要因素有土性条件，初始应力条件和动荷载形式。

其实早在2002年，佘跃心，刘汉龙，高玉峰等就在《饱和黄土孔压增长模式与液化机理试验研究》一文中，通过室内饱和原状黄土液化试验研究，探讨了孔压增长规律，并从微观结构角度研究了黄土液化机理。

研究结果表明：未饱和黄土结构是一种介稳结构，在地震作用下，介稳结构遭到破坏，塌陷和剪缩共同作用造成黄土较大的收缩体积应变并引起孔隙水压力迅速上升。

提出的修正>型曲线方程可以用来拟合孔压曲线，拟合参数! 隐含了动应力的大小对孔压增长的贡献，而体应变" 则反映了湿陷分量对孔压的影响，两者不同组合决定曲线形态丰满程度。

液化机理较为合理地解释了塔吉克和海原黄土在近乎平坦的缓坡上形成的泥流。

需要特别指出的，在借鉴研究黄土液化与孔压关系实验的基础上，陈存礼，何军芳，胡再强，杨鹏，苏永江等在《动荷作用下饱和尾矿砂的孔压和残余应变演化特性》一文中，再次强调，在黄土液化残余应变特性的问题上，孔压变化是不可忽视的重要影响因素。

随后，王玉兰又与孙军杰，徐舜华等一起完成了《非饱和黄土动残余应变关键影响参量与量值估算》这一研究课题，通过分析非饱和黄土动残余应变的物理过程与力学机制，研究影响动残余应变的关键参量；结合室内动(静)三轴试验数据，提出应用关键影响参量求算该动残余应变的分布拆解方法。

结果表明，非饱和黄土动残余应变实质上是土体广义固相介质响应外部动荷载作用的再固结过程，其关键影响参量可归纳为土体广义固相介质的强度、体积特征和外部动荷载特征。

就此将残余应变在黄土液化过程中所起到的影响进行了定量的理论分析。

“饱和黄土发生流滑破坏必须满足的三个条件：状态条件，驱动剪应力条件和触发条件。

”这一结论一直可以算作是黄土液化的研究思路，在解决了状态条件这一问题之后，学者们继续就驱动剪应力条件进行了持续而细致的试验探究。

抗剪强度是黄土重要的力学性质指标，在不通的含水状态下，土体抗剪强度存在明显差异，黄土属水敏感性地质体，在水的软化作用下，黄土抗剪强度特征与应力—变形机制呈现出明显的规律性。

这就是李保维和苗天德通过《黄土抗剪强度的水敏感性特征研究》一文所
得到的最终结论，并为后来的实际应用，例如，对研究黄土的剪切应变机制，黄土滑坡蠕动特征，临滑预报等提供了一种途径。

同时也阐述了排水条件在黄土液化方面起到了至关重要的作用。

胡宇辉，应捷则在《原状非饱和黄土抗剪强度特征及试验研究》中以双应力状态参量理论为基础，采用经过改进的非饱和土直剪仪，对4组原状非饱和黄土进行控制基质吸力和净竖向压力为常数的固结排水直剪试验。

本试验可直接得出净竖向压力以及基质吸力对原状非饱和黄土抗剪强度的影响&无需采用测量水土特征曲线的方法来间接求得抗剪强度&从而简化了非饱和土强度试验的过程。

通过试验可以得出&不同基质吸力条件下原状非饱和黄土的抗剪强度特征以及相应的关系曲线，并提出了相关的抗剪强度公式，得出了有关参数。

最后关于黄土液化的触发条件，学者首先从继承了前人的研究成果，继续从动荷载的角度进行实验研究。

在《循环荷载下黄土特性模拟》一文中，柴华友，崔玉军等发现，在不排水的条件下，黄土在单调荷载下会出现软化，在循环荷载下会出现液化(或循环移动)。

对此给出了试验结果，并尝试用边界面及广义塑性模型来预测黄土的软化及液化现象。

结果表明：循环荷载下塑性应变累积速度要比单调荷载下软化阶段塑性应变累积速度慢，广义塑性模型可较好地预测黄土软化、液化现象。

在研究荷载对于黄土液化的影响过程中，不可忽视的是地震荷载这一随机因素的存在，于是邓龙胜，范文等就《随机地震荷载作用下黄土的液化特性》一文，阐述了实验思路——以场地未来50 a 超越概率10%的地震波作为输入激振波，对取自宁夏南部西吉县夏家大路喜家湾滑坡后壁的黄土开展动三轴试验，研究随机地震荷载作用下黄土中孔隙水压力的增长基本特性、影响效应及孔隙水压力增长规律。

据此，可得地震荷载作用下，黄土不同变形情况时孔隙水压力的发展水平及液化程度。

而2000年发表于《工程地质学报》的《黄土场地不同土层结构对地震地面运动参数的影响》一文则提出并证明：土层结构对场地地震动参数有重要影响。

土层结构的特点主要是体现在土质性质、深度、厚度和岩土刚度比的组合特性上。

当黄土液化的作用机理逐步被学者发现，并通过实验证明，黄土液化的影响因素也渐渐清晰，如何对黄土液化进行初判以及划定判别标准便成为下一步研究的方向。

2006年，闫华林，石晓玲等在《饱和原状黄土的液化及其影响因素的试验研究》中提出黄土可以达到初始液化, 所以初始液化还是可以作为液化判别标准, 研究还表明随着饱和度的减小, 频率、超固结比的增大, 饱和黄土的动强度有所提高。

黄土液化的判别是工程界长期存疑的问题。

就此，王玉兰，袁中夏等在《饱和黄土场地液化的工程初判和详判指标与方法研究》一文基于不同黄土场地的现场标贯试验、波速测试和试样的室内动三轴试验研究以及《兰州市区建筑抗震设计规程》使用反馈情况，提出了饱和黄土场地液化的工程初判和详判指标与方法：
（１）地层年代、粘粒含量、塑性指数、剪切波速、土层埋深条件等可作为饱和黄土场地液化初判的指标；
（２）国家《建筑抗震设计规范》（ＧＢ５００１１－２０１０）中基于标贯击数的液化判别公式和液化指数计算公式适用于饱和黄土地基的液化判别和液化程度评价，但黄土液化判别的标贯击数基准值需要修正；
（３）对应于设防加速度０.１ｇ、０.１５ｇ、０.２ｇ、０.３ｇ、０.４ｇ下饱和黄土液化判别的标贯击数基准值应分别为７、８、９、１１、１３，显著小于砂土液化判别的相
应值。

目前该判别方法已被纳入《甘肃省建筑抗震设计规程》。

可以说这项研究在黄土液化的初判和详判指标方面，具有相当不错的借鉴意义。

另外，玉兰民，袁中夏等又在黄土液化势评价中引入“反应分析法”，利用反应分析法对该场地饱和黄土液化势进行评价，并和海原地震中固原石碑塬黄土的实际液化情况对比。

研究结果表明利用反应分析法对饱和黄土进行液化势评价的结果与实际震害相符，可在黄土地区建设工程场地地震液化势评价中广泛应用。

（《反应分析法在黄土液化势评价中的应用》）。

总的来说，在理论研究方面，国内学者，从黄土液化的影响因素出发，具体集中在土性条件，初始应力条件，动荷载条件和排水条件等四个方面进行实验研究。

并在此基础上，初步制定了相关的初判和详判标准，用于指导实际施工作业。

2.实际应用
国内侧重于“黄土液化”这一地质条件改善，尤其是在路基，建筑地基等方面，进行了不懈的研究与探索。

《强夯置换法在饱和黄土地基处理中的应用》一文中，吴小梅和彭跟怀通过实际案例对比，选择强夯置换法对饱和黄土地基进行处理，以克服黄土液化这一不利地质条件，介绍其施工工艺并进行效果检测。

与之相较，何开明，王玉兰，周健等则在《强夯黄土地基抗液化性状的试验研究》一文中，通过野外剪切波速测试、室内动三轴试验和微结构扫描对强夯黄土地基进行了对比分析。

结果表明，强夯有利于提高黄土地基的抗液化性能。

但并不能完全消除黄土地基的液化，对黄土地区的强夯施工作业提供了有益的参考。

在日益发展的高速铁路行业中，黄土液化同样是一个不可以回避的技术性难题。

王家鼎，袁中夏，任权等则通过《高速铁路地基黄土液化前后微观结构变化研究》一文，从微观结构层面，就黄土孔隙与黄土液化的关系，进行了研究分析，在解决黄土液化对路基的危害问题中，提供了全新的思考角度。

黄土液化作为黄土危害的一种，与黄土湿陷，土盐渍等，存在明显的区别，其在具体施工中，也应该引起足够的重视，区别对待。

市化和工业化进程的快速发展，使得土木工程向各种复杂地基条件的区域发展，特殊土地基的工程特性引起工程师的重视。

白晓红在《几种特殊土地基的工程特性及地基处理》一文中总结了湿陷性黄土、液化土、盐渍土等几种山西地区常见的特殊土的重要工程性质，提出了相应的地基处理方法以及工程注意事项；最后针对山西采煤大省的特点，对老采空区上建(构)筑物基础的稳定性评价、勘察技术及处治技术进行了论述。

这也是对前人的施工方案和工程经验进行了一个简单的总结。

地震作为引发黄土液化的一个随机因素，在实际震害评估中，黄土液化也能够作为一项重要的指标参与其中。

2008 年5·12 特大地震中，位于甘肃省清水县郭川乡的田川村发生了饱和黄土的液化滑移灾害。

王谦，王兰民，袁中夏等在《汶川地震中甘肃清水田川黄土液化的试验研究》首先在对田川场地进行考察的基础上，综合田川在汶川地震中的震害情况以及滑移区的地形条件，将该地区在汶川地震中的烈度进行了修正。

其次对田川黄土进行了物性指标测试以及室内动三轴液化试验，根据试验结果，综合考虑产生液化所需的场地及土性条件、黄土的动强度和液化特性，对田川黄土液化灾害进行了分析，并采用反应分析的方法对其进行了液化判定。

研究结果证明了田川黄土液化的事实存在性，为低烈度区黄土液化提供了新的震害依据。

虽然黄土液化具有明显的危害性，但是国内学者陈勇从另外的角度考虑问题以Sr为研究对象，展开了sr在黄土中的吸附和淋溶行为的实验研究。

在他的学位论文《黄土中sr阻
滞因子的实验研究》一文中通过实验考察了Sr在饱和黄土中的迁移行为，为浅地层处置场
的适宜性评价提供依据。

所获得的实验数据对于评价放射性核素Sr的安全处置有一定的参
考依据。

（二）国外研究现状：
国外研究现状对黄土液化的研究是近 20 多年才开始, 因此这方面的资料。

但是尽管如此，凭借土木学科的优势，美国，日本，法国等国家仍然取得了相当不错的研究成果。

法国：
《Experimental study on the cyclic resistance of a natural loess fromNorthern France》（《实
验研究法国北部天然黄土循环阻力》）法国北部铁路多穿过黄土地区，黄土液化成为影响线路稳定的重要因素之一，通过采集土壤样本，土壤块被送往附近进行实验，样本四处不同深度（1.2，2.2，3.5和4.9米）。

本文采用循环三轴试验，对饱和和非饱和土试样进行实验。

试验的结果初步表明：饱和标本不具有阻碍循环加载的性能。

而不饱和标本在进行实验的过程中，随着空气被排除，在排水条件不变的情况下，对于循环荷载也有明显的阻滞作用。

因此提高土壤的致密性有利于荷载的施加。

日本：
《Excess pore water pressure chang necessary to cause fiow liquefaction failure of sands loa ded in undrained in undrained condition》（《在不排水情况下土的液化孔隙水压力的变化直接
相关》）本文主要是在探究不排水情况下，土的液化与孔隙水压力变化的关系。

根据实验证明，不仅是砂土，黄土也会随着孔隙水压力的变大，而发生液化现象，同时这种现象与孔隙水压力的关系比砂土更明显。

美国：
《The Role of Case Studies in the Evaluation of SoilLiquefaction Potential》主要是通过实际案例分析，说明荷载变化对于黄土液化的重要影响，尤其是地震对于黄土质的边坡，更为明显。

静态力变为动态力的过程，也就是液化的过程。

黄土液化可以作为判别震害的标准之一。

《Soil Liquefaction Responsein Mid-America Evaluatedby Seismic Piezocone Tests》（《美国中部地震区圆锥贯入实验探究土壤液化》）本文同样是探究地震与黄土液化的关系，不过本文更侧重贯入实验的探究方式，选取美国中部震区的黄土进行实验，最终确定地震对于黄土液化具有催化作用。

《Probabilistic Post-Liquefaction Residual Shear Strength Analysesof Cohesionless Soil Depo sits》（《无粘性土在液化后残余强度的抗剪切性能》）土耳其的科贾埃利通过原位实验，取样液化后的土进行剪切实验，并通过多组实验数据，预测不同土样的残余抗剪强度，这对于工程施工中的事故预防，具有明显的指导意义。

（三）总结
在上述研究的基础上, 我们不难发现黄土液化的研究与应用主要由以下六部分组成：
①饱和黄土液化过程中微结构的变化特征对地震灾害的现场调查表明,地震作用下黄土
较易发生液化现象。

液化后黄土地层往往产生大规模的滑移现象。

室内试验表明, 即使非饱和的高含水量黄土在动荷载作用下也会发生部分液化现象, 其液化表现与砂土液化有所不同。

考虑到黄土弱胶结、多孔隙的结构特性, 对其液化机理研究的重点应放在液化过程中结构的变化特征上。

②孔压和应变增长程度对饱和黄土破坏的相关性和先决性。

黄土液化判别标准的确定与黄土液化的机理和定义有关。

前人对饱和砂土的液化等已做过大量研究, 大多采用初始液化作为液化的孔压标准。

由于饱和黄土在动荷载作用下, 在孔压增长到初始液化标准的过程中, 试样的应变, 特别是残余应变会急剧增长, 导致试样破坏, 即在动荷载作用下,饱和黄土液
化的表现具有液化和震陷双重性。

因此, 开展孔压和应变增长程度对饱和土样破坏的相关性
和先决性研究, 在此基础上, 提出饱和原状黄土的液化标准。

③固结和动荷载条件对饱和黄土液化的影响。

已有研究者建立了均压固结条件和不同固结比下孔压和应变的增长模型,进行不同固结应力下黄土液化势的研究, 以便确定饱和黄土
液化地层的深度界限。

④黄土液化评价指标及其危害性预防技术《建筑抗震设计规范》 (GB5001122001) 中认为, 黄土液化的可能性及其危害性是存在的, 但缺乏较详细的评价资料, 对黄土液化的判别尚缺乏经验, 故有待进一步研究。

为了使黄土液化问题能够尽快地在工程建设中予以考虑, 应系统研究黄土液化评价指标及其危害性预防技术。

⑤强震作用下黄土液化引起的缓斜坡地层滑移机理与预测方法。

开展强震作用下黄土液化引起的的缓斜坡地层滑移机理与预测方法的研究,可减小黄土液化的危害性。

⑥黄土液化试验方法。

黄土液化与砂土液化在机理与表现上均有一定的差异。

因此, 砂土液化的试验方法不完全适用于黄土。

必须对黄土的试验方法进行不断的完善。

四．黄土液化研究设想
在上述研究的基础上, 我们建议开展下列研究课题。

4. 1饱和黄土液化过程中微结构的变化特征
对地震灾害的现场调查表明, 饱和的上更新统新黄土(Q 3 ) 和全新统近代黄土(Q 4 ) 在一定强度的地震作用下较易发生液化现象。

液化后黄土地层往往产生大规模的滑移现象。

室内试验表明, 即使非饱和的高含水量黄土在动荷载作用下也会发生部分液化现象, 其液化表现与砂土液化有所不同。

考虑到黄土弱胶结、多孔隙的结构特性, 对其液化机理研究的重点应放在液化过程中结构的变化特征上。

4. 2孔压和应变增长程度对饱和黄土破坏的相关性和先决性
黄土液化判别标准的确定与黄土液化的机理和定义有关。

前人对饱和砂土、饱和轻亚粘土和粉土的液化已做过大量研究, 大多采用初始液化作为液化的孔压标准。

由于饱和黄土在动荷载作用下, 在孔压增长到初始液化标准的过程中, 试样的应变, 特别是残余应变会急剧增长, 导致试样破坏, 即在动荷载作用下, 饱和黄土液化的表现具有液化和震陷双重性。

因此, 应开展孔压和应变增长程度对饱和土样破坏的相关性和先决性研究, 在此基础上, 提出饱和原状黄土的液化标准。

4. 3固结和动荷载条件对饱和黄土液化的影响
已有研究者建立了均压固结条件和不同固结比下孔压和应变的增长模型, 但固结应力
模拟的土层深度在20 m 以内。

而我国黄土高原地区的上更新统(Q 3) 黄土地层的厚度可达100 m 以上。

因此, 应进行不同固结应力下黄土液化势的研究, 以便确定饱和黄土液化地层的深度界限。

另外, 试验研究已初步表明, 由于黄土的结构特性和低渗透性, 不同应力路径和不同卓越周期的动荷载对孔压的增长与消散以及应变增长均有较大的影响。

因此, 应进一步开展此方面的研究, 建立相应的定量关系。

4. 4黄土液化评价指标及其危害性预防技术
《建筑抗震设计规范》(GB5001122001) 中认为,黄土液化的可能性及其危害性是存在的, 但缺乏较详细的评价资料, 对黄土液化的判别尚缺乏经验, 故有待进一步研究。

对此,《岩土工程勘察规范》(GB5002122001) 中也有类似的说明:“根据科研成果, 湿度大的黄土在地震作用下也会发生液化和震陷, 这已在室内动力试验和古地震的调查中得到证实。

鉴于迄今为止尚无公认的预测判别方法, 故本次修订未予列入”。

为了使黄土液化问题能够尽快地在工程建设中予以考虑, 应该尽快地系统研究黄土液化评价指标及其危害性预防技术。

4. 5强震作用下黄土液化引起的缓斜坡地层滑移机理与预测方法
1920 年宁夏海原发生8. 5 级大地震时, 在固原清水河四级黄土台塬的马兰黄土中, 由。