黑方臺靜態液化誘發滑坡機理探究

劉林　戴福初

摘 要：當前，學者們對地下水位緩慢上升條件下土體破壞瞬間超孔隙水壓力響應的認識尚不完全清晰。因此，以甘肅省黑方臺Q3黃土為研究對象，首先通過等壓固結不排水剪試驗（ICU）確定黃土在不排水條件下的力學性質，其次通過恒荷載排水剪切試驗（DL）研究實際應力路徑條件下土體的破壞過程。ICU試驗結果表明，黑方臺地區飽和黃土在不排水條件下的靜態液化特征十分顯著，且不同深度的黃土試樣在低圍壓下均表現出較高的靜態液化潛勢。DL試驗結果表明，深層的飽和黃土于恒荷載排水剪應力路徑下破壞瞬間有超孔壓產生，土體發生了靜態液化。

關鍵詞：恒荷載排水剪切試驗；實際應力路徑；靜態液化；靜態液化型滑坡

引水灌溉工程于二十世紀六七十年代開始大量修建，致使黃土高原地區坡體下部的飽和黃土發生靜態液化，進而引起滑坡破壞。其中，黑方臺地區是最典型的例子。靜態液化型滑坡剪出口位于黃土和粉質黏土接觸處，整體形似圈椅，后壁高陡，且有泉水從其底部流出。此類滑坡啟動后便會轉化為流動狀態，滑距可達300 m，是黑方臺地區最危險的一種滑坡。

眾多學者圍繞靜態液化誘發黃土滑坡的機理進行了大量研究。陳守義[1]和戴福初等[2]探討了如何通過應力-應變關系解釋土質滑坡形成機理。戴福初等[3-4]對松散擊實火山巖坡殘積土開展了等壓固結不排水剪試驗（Isotropically Consolidated Undrained Shear Stress Test，ICU）、等壓固結排水剪試驗（Isotropically Consolidated Drained Shear Stress Test，ICD）、常偏應力排水剪試驗（Constant Shear Drained Compression Test，CSD），對原狀火山巖坡殘積土開展了偏壓固結不排水剪試驗（Anisotropically Consolidated Undrained Compression Test，ACU）與CSD試驗，提出了剪脹型土和剪縮型土的暴雨滑坡機理。Xu L等[5-6]、金艷麗? ? ?等[7]、高靜賢等[8]、武彩霞等[9]分別對黑方臺、涇陽南塬、四川的原狀黃土開展了ICU、ACU與CSD試驗，各自提出了靜態液化型滑坡的形成機理。閆蕊鑫[10]利用掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）研究了原狀黃土ICU試驗前后微觀結構的變化，提出原狀黃土靜態液化的結構接觸—垮塌、孔喉阻塞兩階段演化模式。段釗[11]與藺曉燕[12]分別對涇陽南塬與黑方臺原狀黃土開展了ICU試驗，發現黃土圍壓及含水率的大小決定了黃土的變形破壞形式。

當前，學者們對靜態液化型滑坡發生的原因已經達成了共識，即灌溉補給地下水導致底部飽和黃土發生靜態液化，但學者們從應力-應變角度研究此類滑坡機理尚存在以下問題：在實際應力路徑條件下，如果發生靜態液化，破壞瞬間應該可以觀察到超孔隙水壓力產生，但由于超孔壓快速產生又瞬間消散，低采集頻率的孔壓傳感器難以捕捉到瞬間出現的超孔壓峰值。此外，由于實際應力路徑條件下靜態液化的突發性，常規三軸甚至應力路徑試驗儀器難以確保破壞前后試樣軸向壓力的恒定。因此，采用恒定軸向壓力、高頻采集孔壓的三軸儀可以獲得實際應力路徑條件下飽和黃土靜態液化時的最大超孔隙水壓力。

為證明在常偏應力排水剪條件下，土體破壞瞬間有超孔壓產生，即土體可以發生靜態液化，本研究以黑方臺Q3原狀黃土為研究對象，首先施加相同大小的4組圍壓于3組不同深度的原狀黃土試樣上進行ICU試驗，以獲得飽和黃土穩態線；其次對深層黃土開展恒荷載排水剪切試驗（Dead Load Test，DL），以研究實際應力路徑條件下土體是否發生靜態液化，在此基礎上探討了黑方臺靜態液化型黃土滑坡的發生機理。

1?滑坡機理的試驗研究

1.1? 試驗方案

試驗選用土樣均取自新塬村塬邊空地，坐標為N36°05′33.17″、E103°17′20.52″。通過開挖探井的方式獲得土樣，探井總深度達到了33.4 m，直至紅粘土層。依據土樣所處深度，將本次試驗所用土樣劃分成3組，第一組對應深度12.0～14.5 m，第二組對應深度20.0～23.1 m，第三組對應深度32.5～33.4 m，ICU試驗對同一深度下的飽和原狀黃土試樣分別施加50、100、200、350 kPa有效固結應力。DL試驗以第三組深度的兩塊試樣為研究對象，在施加170 kPa有效圍壓后，分別施加390、410 kPa大主應力進行偏壓固結，以模擬原位狀態下黃土的受力狀態。本次試驗各層土體的基本物理性質指標如表1所示，均遵照SL 237—1999《土工試驗規程》的要求通過試驗獲取。

采用英國GDS三軸儀進行ICU試驗，采用課題組研發的DL三軸儀進行DL試驗。兩類試驗主要步驟均包括飽和、固結以及剪切。本研究采用的飽和方法為先通二氧化碳、后水頭飽和結合反壓飽和。ICU試驗飽和結束后，按預定的有效固結應力進行等壓固結，當5 min內體積變化量小于5 mm3時，固結階段結束。DL試驗是等壓固結之后逐級添加砝碼進行偏壓固結。ICU試驗不排水剪切速率定為0.07 mm/min，試驗結束條件為軸向應變達到25.00%。DL試驗通過圍壓以及軸向力保持不變、反壓以3 kPa/h的速率緩慢上升來剪切試樣。

1.2? ICU試驗結果

由于各組試樣于不同圍壓下的關系曲線形態十分相似，即均表現出強烈的應變軟化特性，在篇幅有限的情況下，僅展示第一組深度黃土的試驗結果，如圖1所示。

圖1（a）的q-ε_a曲線可劃分為3個階段。（1）應力迅速增大階段：隨著軸向應變增加，偏應力急劇上升并在軸向應變小于1.50%的條件下達到峰值，該階段的應力-應變關系近似直線；（2）應變軟化階段：偏應力達到峰值后，隨著軸向應變的增加，試樣骨架不能抵抗外部荷載，出現結構垮塌，試樣呈現強烈軟化特征；（3）應力穩定階段：應變軟化完成后，土體的結構特征被破壞，土顆粒之間發生重組，應力隨著應變增加變化緩慢，進入穩態，此時對應的土體強度為穩態強度。

潛在液化勢（Liquefaction Potential Index，LPI）可表示為（q_max－q_min）/q_max，q_max和q_min分別表示峰值狀態和穩態時對應的剪應力）[10]。各組試驗LPI隨初始有效圍壓的變化規律如圖2所示，相比高圍壓條件，低圍壓條件下的LPI更高。

圖1（b）所示的u-εa曲線表明：在偏應力達到峰值前，超孔隙水壓力隨著偏應力的增加而增大；在試樣產生應變軟化的過程中，超孔隙水壓力持續上升；偏應力達到穩態后，超孔隙水壓力亦基本維持不變。上述試驗結果表明，試樣產生了靜態液化。3組深度黃土的ICU試驗結果表明，超孔隙水壓力達到了初始有效圍壓的87%～100%。不同深度試樣的孔壓比? ? ? Δu/σ3＇隨初始有效圍壓的變化曲線如圖3所示，該圖表明圍壓較低時，Δu/σ3＇更高。試驗結束后拆取土樣時可以發現，50 kPa和100 kPa有效圍壓下的試樣類似液體已完全液化。

圖1（c）所示的q-p＇曲線表明，不同深度的試樣均具有剪縮性，即平均有效應力不斷減小，偏應力先增大后減小。不同深度的試樣在軸向應變約為20.00%時均達到了穩定狀態，穩定狀態指大應變條件下土體的應力-應變特性，即土體在常體積、常法向應力和常剪應力下保持常速率變形的狀態。

圖1（d）展示了e-ln p＇空間內試樣的穩態線，該穩態線是通過擬合試樣達到穩定狀態條件時的孔隙比與平均主應力得到的，所有穩態線的相關系數R2均在0.9以上，表明擬合效果較好。

ICU試驗結果表明，不排水條件下不同深度的飽和黃土試樣均可以發生靜態液化，所有試樣的破壞形式均為鼓脹破壞。

1.3? DL試驗結果

圖4（a）為土體的u-t及εa-t曲線。由于試驗設定的反壓增長速率僅為3 kPa/h，0.5 h左右可以認為孔壓未發生變化，于是所有試樣的u-t曲線均選用了包含液化點在內的時長30 min的數據，以更好地體現超孔壓的驟然產生。εa-t曲線則體現了孔隙水壓力產生的瞬間軸向應變的變化。DL3試樣在軸向應變約為23.00%時有約40 kPa超孔壓產生，超孔壓產生的瞬間軸向應變并未產生明顯變化。DL4試樣破壞瞬間有約16 kPa的超孔壓產生，軸向應變瞬間增長了約4.00%。第三組深度的土體均發生了靜態液化。

圖4（b）所示的ε_a-p＇曲線可劃分為兩段：OA段由于土中孔隙結構尚未產生變形，軸向應變略有增加。當曲線抵達A點，即土體進入剪縮階段后，軸向應變快速增長。

圖4（c）所示的q-p＇曲線表明：試樣的偏應力先近乎保持不變，待平均有效應力降低至穩態線附近時，試樣已進入剪縮階段，由于土體軸向變形的快速增大，試樣橫截面積也迅速擴大，偏應力降低速度因此加快。

圖4（d）所示的e-ln p＇曲線表明：隨著孔壓的緩慢增加，兩試樣的孔隙比先近乎不變，然后快速降低。DL3與DL4初始狀態點均位于穩態線之上，均具有靜態液化潛勢。

DL3和DL4的試驗結果證明了深層飽和黃土于恒荷載排水剪應力路徑下進行剪切時，剪縮過程中均有超孔隙水壓力產生，土體發生了靜態液化。

2?結論

（1）ICU試驗結果表明：黑方臺地區飽和原狀黃土在不排水條件下具有明顯的靜態液化特征。隨著初始有效圍壓增大，不同深度黃土試樣在剪切結束時的超孔隙水壓力、峰值強度、穩態強度也逐漸增大。整體上，低圍壓條件下黃土試樣的LPI更大，即試樣發生應變軟化后強度降低得更明顯。

（2）DL試驗結果表明：深層飽和原狀黃土于恒荷載排水剪應力路徑下會發生靜態液化。

（3）試驗尚有以下待改進之處：首先，由于飽和黃土在估算的原位應力狀態條件下固結后的孔隙比相對原位黃土的孔隙比明顯偏小，不可避免地影響試驗結果，需開展更多試驗進行對比驗證；其次，本研究采用的黃土試樣為未灌溉的黃土，眾所周知，已灌溉黃土的干密度、含鹽量均產生了較大變化，需進一步進行對比試驗。

[參考文獻]

[1]陳守義.試論土的應力應變模式與滑坡發育過程的關系[J].巖土力學，1996（3）：21-26.

[2]戴福初，陳守義，李焯芬.從土的應力應變特性探討滑坡發生機理[J].巖土工程學報，2000（1）：130-133.

[3]戴福初，李焯芬，黃志全，等.火山巖坡殘積土地區暴雨滑坡泥石流的形成機理[J].工程地質學報，1999（2）：51-57.

[4]戴福初，李焯芬，王思敬.松散擊實火山巖坡殘積土的應力應變特性及其對滑坡的意義[J].巖土工程學報，1999（3）：1-6.

[5]XU L，DAI F C，THAM L G，et al.Landslides in the transitional slopes between a loess platform and river terrace， Northwest China[J].Environmental & Engineering Geoscience，2011（3）：267-269.

[6]XU L，DAI F C，GONG Q M，et al.Irrigation-induced loess flow failure in Heifangtai Platform， North-West China[J].Environmental Earth Sciences，2012（6）：1707-1713.

[7]金艷麗，戴福初.灌溉誘發黃土滑坡機理研究[J].巖土工程學報，2007（10）：1493-1499.

[8]高靜賢，戴福初，朱雨軒，等.四川寧南水塘村滑坡形成機理[J].中國地質災害與防治學報，2019（6）：1-9.

[9]武彩霞，許領，戴福初，等.黑方臺黃土泥流滑坡及發生機制研究[C].北京：中國科學院地質與地球物理研究所第11屆（2011年度）學術年會論文集，2012.

[10]閆蕊鑫.飽和黃土靜態液化力學行為及啟滑機制[D].西安：長安大學，2020.

[11]段釗.黃土滑坡觸發機理研究[D].西安：長安大學，2013.

[12]藺曉燕.甘肅黑方臺灌區黃土滑坡—泥流形成機理研究[D].西安：長安大學，2013.