淺議黃土的濕陷、震陷與液化

1、淺議黃土的濕陷、震陷與液化1、引言黃土是第四紀(jì)沉淀物，具有一系列內(nèi)部物質(zhì)成分和外部形態(tài)的特征，不同于同 時期的其他沉淀物。黃土在我國分布較廣，覆蓋面積約為64萬平方公里，占國土總 面積的6.6%,有較厚的黃土覆蓋層，其最厚可達400多米，而且主要分布在多地震的 中西部地區(qū)。在黃河中游地區(qū)，西起賀蘭山，東到太行山，北起長城，南到秦嶺幾乎全 部都被黃土覆蓋，這里黃土發(fā)育最好，地層全、厚度大、分布連續(xù)，是我國黃土主要 分布地區(qū)。其中濕陷性黃土約占黃土總面積的60%12。黃土地區(qū)的主要地震災(zāi)害有地震滑坡、液化和震陷。黃土高原地區(qū)發(fā)育有南 北地震帶、華北地震帶和祁連地震帶，該地區(qū)曾發(fā)生過許多中、強地震。

2、因此，研 究黃土的地震災(zāi)害及抗震措施，無論是對社會穩(wěn)定還是對經(jīng)濟發(fā)展，都具有極其重 要的意義。2、濕陷、震陷與液化的概念黃土在上覆壓力或在自重壓力與建筑物荷載的共同作用下，受水浸濕后土的結(jié) 構(gòu)迅速破壞,產(chǎn)生顯著的附加下沉，其強度也隨之明顯降低，黃土的這種性質(zhì)稱為濕 陷性。濕陷性黃土又分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土。震陷主要是指地基土由于地震而引起的附加殘余變形。震陷的宏觀現(xiàn)象是地 震引起的地面沉陷。不僅軟粘土（包括黃土）會發(fā)生震陷，砂土也可能發(fā)生震陷。液化是在人類的生活和生產(chǎn)實踐中對土體突然喪失承載能力和強度，并發(fā)生流 動現(xiàn)象的認(rèn)識過程中產(chǎn)生的。黃土液化與砂土液化的定義相同，即飽和黃土在

3、動荷 載（如地震）作用下產(chǎn)生超孔隙水壓力，同時土中的有效應(yīng)力降低，當(dāng)土中的超孔隙 水壓力大約升至總應(yīng)力的70%（此時與砂土液化有差異）時，土中的有效應(yīng)力降為 零，即可發(fā)生液化33、產(chǎn)生機理濕陷性黃土發(fā)生濕陷的原因是很復(fù)雜的，其濕陷過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過 程。產(chǎn)生濕陷的原因必須從內(nèi)因和外因來分析46。濕陷性黃土只所以能夠產(chǎn) 生濕陷，首先是因為它含約60%的粉粒，組織結(jié)構(gòu)是粉粒點式接觸大孔性結(jié)構(gòu)和粉粒 疊蓋式多孔結(jié)構(gòu)，空隙比較大，這為產(chǎn)生濕陷提供了充足的空間條件;其次是濕陷性 黃土富含水溶鹽，顆粒間存在加固凝聚力,它遇水后降低或消失，這為濕陷時的黃土 顆粒運移創(chuàng)造了必要的條件;最后是濕陷性黃土

4、含有適量的粘粒，其遇水有膨脹性， 體積增大,能夠使?jié)裣菪渣S土顆粒移動，并能使土的抗剪強度明顯降低。因此，在壓 力和水的侵入作用下，黃土的多孔性結(jié)構(gòu)破壞、溶鹽加固凝聚力消失、粘粒膨脹、 土強度降低等綜合性因素，是產(chǎn)生黃土濕陷的原因和機理。土動學(xué)試驗與顯微結(jié)構(gòu)的對比研究揭示（張震中等，1987），具有顆粒接觸架空 空隙微結(jié)構(gòu)的黃土在地震作用下易于震陷。這種黃土顆粒間的膠結(jié)力很弱,強度很 低，一旦遭遇地震,大孔結(jié)構(gòu)就可能破壞，粉粒落入大孔隙，其結(jié)果使黃土層的殘余變 形迅速增長，宏觀上表現(xiàn)為土體的突然沉陷。黃土液化從土動力學(xué)、水電化學(xué)和微結(jié)構(gòu)角度對飽和黃土液化的研究表明，黃 土液化與砂土液化在機理上并

5、不完全相同。當(dāng)黃土浸水處于飽和狀態(tài)時，飽和度一 般為80%95%,通常低于砂土的飽和度。在一定強度的動荷載作用下,一方面孔隙體 積減小，孔隙水來不及排除而導(dǎo)致孔壓上升，作用于土骨架的有效應(yīng)力急劇下降,土 的強度大幅度喪失,應(yīng)變急劇增大。另一方面，隨著孔壓的繼續(xù)升高，中溶鹽進一步 溶解，原先未充水的小孔隙和微孔隙由-1 -于孔壁隔水物質(zhì)和膠結(jié)物質(zhì)溶解而充水，這在一定程度上消散了原先充水的 大、中、小孔隙中的水壓力。即表現(xiàn)為這一階段軸向動應(yīng)力幅值開始趨于穩(wěn)定，而 殘余應(yīng)變急劇增長。對比黃土的濕陷、震陷和液化的形成機理可知，這三種性質(zhì)都與黃土的大孔隙 結(jié)構(gòu)和富含碳酸鈣鹽類及膠結(jié)材料有著緊密的聯(lián)系，并

6、且這三種性質(zhì)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，這三種性質(zhì)與黃土中的顆粒組 成也有很重要的關(guān)系，由于黃土的主要顆粒是以粉粒（0.050.005毫米）為主，占總 量的60%以上,幾乎沒有粒徑大于0.25毫米的顆粒。所以，在水的作用下，小顆粒比 較容易運移，填補原來的孔隙，在宏觀上表現(xiàn)為土層的變形或者流動。4、影響因素濕陷的影響因素:黃土微結(jié)構(gòu)的影響:黃土越松散,架空結(jié)構(gòu)越多，越容易發(fā) 生濕陷。黃土物質(zhì)成分的影響:粘粒含量越多，濕陷性越弱;一般碳酸鈣的含量增大時, 黃土的濕陷性減弱;石膏的含量越多，則黃土的濕陷性越強;易溶鹽含量越多，則黃土 濕陷性強;黃土的酸堿度一一PH

7、值越大，濕陷性越強。黃土的物理性質(zhì)的影響:黃 土的孔隙比越大,濕陷性越強;黃土的濕陷性隨著天然含水量的增加而增大。隨著 外加荷載的增大，濕陷量也將增大。震陷的影響因素:動應(yīng)力的影響:黃土的殘余應(yīng)變隨著動應(yīng)力的增大而增大， 隨著震動次數(shù)的增多而增加。黃土的物理性質(zhì)的影響:在同一動應(yīng)力作用下，黃土 的震陷隨著含水率的增大而增大;隨著土的密度增大而減??；隨著土的孔隙比的增大 而增大8。液化的影響因素:場地條件:地下水位較淺或有其他水源補給,必須在中更新 世晚期和晚更新世以來的黃土完整地層。含水量的影響:含水量升高,孔壓比增大, 越容易發(fā)生液化。干密度的影響:干密度越大,黃土越難液化?？紫督Y(jié)構(gòu)的影響:

8、 黃土中孔隙含量越大，黃土越容易液化;并且液化后大、中孔隙含量降低，微、小孔 隙含量增加。由于三者在產(chǎn)生機理上有相同的部分，所以三者在影響因素上也有一定的相似 性。例如，三者都和黃土物理性質(zhì)有關(guān)，尤其是和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，孔隙比越大，濕陷、 震陷和液化越容易發(fā)生。主要的區(qū)別在于，黃土的濕陷主要和黃土的自重和外加荷 載（一般為靜荷載）有關(guān),而黃土震陷和液化則受動應(yīng)力影響較大。5、危害性黃土的濕陷、震陷和液化都能對建筑和工程造成破壞，甚至是十分致命的破 壞。因為它們發(fā)生時都能不同程度的引起地面的下沉和變形，對于建筑來說,不均勻 沉降容易是建筑物開裂，嚴(yán)重時引起建筑物的倒塌，造成嚴(yán)重的后果。一般說來，液

9、 化的破壞性最大，震陷的破壞性次之，濕陷的破壞性最小。黃土因其特殊的成因作用和結(jié)構(gòu)性使得其對地震的作用十分敏感，歷史上黃土 地區(qū)因地震而造成的慘重災(zāi)害是難以忘懷的。例如，1556年陜西華縣地震（8級）襲 擊了廣大的黃土地區(qū)，位于極震區(qū)的渭南縣地裂縫遍地，鼓樓下沉達1米多；1920 年甘肅海原地震（8.5級），震害更為嚴(yán)重，所形成的滑坡嚴(yán)重密集區(qū)達4000平方公 里以上，西吉縣一帶（烈度為10度）滑坡連片，回回川滑坡體長687m,寬359m,滑坡后 壁至前緣高差約100m,滑動土層厚3050m,下滑土方量766萬m3,滑動后的平均角 度 8.47。6、結(jié)論黃土的濕陷、震陷和液化發(fā)生時的含水量不同，黃土濕陷通常發(fā)生在黃土剛 剛被水浸濕時（未飽和之前）；黃土震陷通常是在含水量較大時發(fā)生（可能飽和也可能 沒有飽和）；黃土發(fā)生液化時通常是在飽和的情況下。黃土的濕陷是在自重壓力或靜荷載作用下發(fā)生，震陷和液化則主要是在動應(yīng) 力作用下發(fā)生。黃土的濕陷性、震陷性和液化性的形成機理有相似之處，即都與黃土的大孔 隙結(jié)構(gòu)和富含碳酸鈣鹽類及膠結(jié)材料有著緊密的聯(lián)系,并且這三種性質(zhì)均是在水的 作用下完成的。三者均具有破壞性，