黑方台静态液化诱发滑坡机理探究.pdf
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1、-78-第3期2023年6月No.3June,2023黑方台静态液化诱发滑坡机理探究刘 林,戴福初(北京工业大学,北京 100124)摘 要:当前,学者们对地下水位缓慢上升条件下 土体破坏瞬间超孔隙水压力响应的认识尚不完全清晰。因此,以甘肃省黑方台Q3黄土为研究对象,首先通过等压固结不排水剪试验(ICU)确定黄土在不排水条件下的力学性质,其次通过恒荷载排水剪切试验(DL)研究实际应力路径条件下 土体的破坏过程。ICU试验结果表明,黑方台地区饱和黄土在不排水条件下的静态液化特征十分显著,且不同深度的黄土试样在低围压下均表现出较高的静态液化潜势。DL试验结果表明,深层的饱和黄土于恒荷载排水剪应力路
2、径下破坏瞬间有超孔压产生,土体发生了静态液化。关键词:恒荷载排水剪切试验;实际应力路径;静态液化;静态液化型滑坡引水灌溉工程于二十世纪六七十年代开始大量修建,致使黄土高原地区坡体下部的饱和黄土发生静态液化,进而引起滑坡破坏。其中,黑方台地区是最典型的例子。静态液化型滑坡剪出口位于黄土和粉质黏土接触处,整体形似圈椅,后壁高陡,且有泉水从其底部流出。此类滑坡启动后便会转化为流动状态,滑距可达300 m,是黑方台地区最危险的一种滑坡。众多学者围绕静态液化诱发黄土滑坡的机理进行了大量研究。陈守义1和戴福初等2探讨了如何通过应力-应变关系解释土质滑坡形成机理。戴福初等3-4对松散击实火山岩坡残积土开展了
3、等压固结不排水剪试验(Isotropically Consolidated Undrained Shear Stress Test,ICU)、等压固结排水剪试验(Isotropically Consolidated Drained Shear Stress Test,ICD)、常偏应力排水剪试验(Constant Shear Drained Compression Test,CSD),对原状火山岩坡残积土开展了偏压固结不排水剪试验(Anisotropically Consolidated Undrained Compression Test,ACU)与CSD试验,提出了剪胀型土和剪缩型土的暴雨
4、滑坡机理。Xu L等5-6、金艳丽 等7、高静贤等8、武彩霞等9分别对黑方台、泾阳南塬、四川的原状黄土开展了ICU、ACU与CSD试验,各自提出了静态液化型滑坡的形成机理。闫蕊鑫10利用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)研究了原状黄土ICU试验前后微观结构的变化,提出原状黄土静态液化的结构接触垮塌、孔喉阻塞两阶段演化模式。段钊11与蔺晓燕12分别对泾阳南塬与黑方台原状黄土开展了ICU试验,发现黄土围压及含水率的大小决定了黄土的变形破坏形式。当前,学者们对静态液化型滑坡发生的原因已经达成了共识,即灌溉补给地下水导致底部饱和黄土发生静态液化,但学者们从应力
5、-应变角度研究此类滑坡机理尚存在以下问题:在实际应力路径条件下,如果发生静态液化,破坏瞬间应该可以观察到超孔隙水压力产生,但由于超孔压快速产生又瞬间消散,低采集频率的孔压传感器难以捕捉到瞬间出现的超孔压峰值。此外,由于实际应力路径条件下静态液化的突发性,常规三轴甚至应力路径试验仪器难以确保破坏前后试样轴向压力的恒定。因此,采用恒定轴向压力、高频采集孔压的三轴仪可以获得实际应力路径条件下饱和黄土静态液化时的最大超孔隙水压力。为证明在常偏应力排水剪条件下,土体破坏瞬间有超孔压产生,即土体可以发生静态液化,本研究以黑方台Q3原状黄土为研究对象,首先施加相同大小的4组围压于3组不同深度的原状黄土试样上
6、进行ICU试验,以获得饱和黄土稳态线;其次对深层黄土开展恒荷载排水剪切试验(Dead Load Test,DL),以研究实际应力路径条件下土体是否发生静态液化,在此基础上探讨了黑方台静态液化型黄土滑坡的发生机理。1 滑坡机理的试验研究1.1 试验方案试 验 选用土样均取自新塬村 塬边空地,坐标为N36 05 33.17、E103 17 20.52。通过开挖探井的方式获得土样,探井总深度达到了33.4 m,直至红粘土层。依据土样所处深度,将本次试验所用土样划分成3组,第一组对应深度12.014.5 m,第二组对应深度20.023.1 m,第三组对应深度32.533.4 m,ICU试验对同一深度下
7、的饱和原状黄土试样分别施加50、100、200、350 kPa有效固结应力。DL试验以第三组深度的两块试样为研究对象,在施加170 kPa有效围压后,分别施加390、410 kPa大主应力进行偏压固结,以模拟原位状态下黄土的受力状态。本次试验各层土体的基本物理性质指标如表1所示,均遵照SL 2371999 土工试验规程的要求通过试验获取。采用英国GDS三轴仪进行ICU试验,采用课题组研发的DL三轴仪进行DL试验。两类试验主要步骤均包括饱和、固结以及剪切。本研究采用的饱和方法为先通二氧化碳、后水头作者简介:刘林(1998),男,山西运城人,硕士研究生;研究方向:黄土。现代盐化工Modern Sa
8、lt and Chemical Industry-79-第3期2023年6月No.3June,2023饱和结合反压饱和。ICU试验饱和结束后,按预定的有效固结应力进行等压固结,当5 min内体积变化量小于5 mm3时,固结阶段结束。DL试验是等压固结之后逐级添加砝码进行偏压固结。ICU试验不排水剪切速率定为0.07 mm/min,试验结束条件为轴向应变达到25.00%。DL试验通过围压以及轴向力保持不变、反压以3 kPa/h的速率缓慢上升来剪切试样。表1试样基本物理性质指标深度/m干密度d/(gcm-3)比重Gs孔隙比e塑限wp/%液限wL/%黏粒/%粉粒/%砂粒/%12.014.51.201
9、.252.721.2116.3128.8511.3878.819.8120.023.11.241.302.711.1317.5029.2913.7479.966.3032.533.41.331.392.720.9916.4529.0614.0279.656.331.2 ICU试验结果由于各组试样于不同围压下的关系曲线形态十分相似,即均表现出强烈的应变软化特性,在篇幅有限的情况下,仅展示第一组深度黄土的试验结果,如图1所示。图1(a)的q-a曲线可划分为3个阶段。(1)应力迅速增大阶段:随着轴向应变增加,偏应力急剧上升并在轴向应变小于1.50%的条件下达到峰值,该阶段的应力-应变关系近似直线;(
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