黄土液化滑坡综述

由于黄土特殊的成分和大空隙、弱胶结和垂直节理发育的特殊性质，再加上黄土高原特殊的地形地貌和气候特点，使该地区崩、滑、流等地质灾害频发，其中黄土的滑坡灾害最为严重，而且频繁爆发，分布广泛。地球上黄土的分布占全球陆地面积的2.5%以上。主要位于北美、欧洲、前苏联和中国。我国的黄土高原，黄土分布占我国国土面积的6%左右，同时也是世界上厚度最大、最典型的、分布最连续的地区，再加上该地区的构造活跃、地震集中，历史上多次地震造成黄土液化、液化滑坡和震陷，造成重大损失，像1920年12月16日宁夏海原地震造成了许多地震液化黄土滑坡。黄土液化形成的滑坡一般可以分为两种，一种是低角度滑移式黄土滑坡；另一种是高速蠕动液化黄土滑坡。研究黄土的地震液化滑坡，可以借鉴前人关于砂土液化的研究理论。国外对黄土液化理论的研究关于黄土液化机理的研究是最近30年才进行的，因此关于此方面的理论研究资料较少。目前这方面理论研究的国家主要集中在美国、日本、中国和前苏联等国家。最早孤傲与黄土液化理论研究的是美国的prakash，他在1982年首次提出了黄土液化的理论。其理论的依据是基于美国中部的黄土状土，在等幅循环荷载的条件下进行振动三轴液化的实验理论并且提出了指示饱和黄土液化的轴向应变标准和孔隙水压力标准。Pupi（1984）对美国部分地区的重塑黄土和原状黄土做了等幅循环荷载条件下的振动三轴液化实验，其研究成果表明，对饱和黄土试样施加循环荷载，可以使孔隙水压力升高。同时他又发现，随着土的塑性的增加而对空隙水压力的升高有拟制作用。同时他又对饱和黄土的液化标准和破坏准则进行了定义。Shannon等学着在1989年对美国东部地区的粉状黄土进行了等幅循环荷载条件下的动三轴液化实验。其实验结果表明，塑性指数、超固结比、侧压力系数、含水量和循环应力比对粉状黄土的液化有影响。同时，prakash等学着又对粉土-粘土的混合物进行了振动液化实验，其实验分析结果，他提出了塑性指数触发液化的周次和初始空隙比对粉土的循环应力比有影响。在对塑性指数的影响程度的研究中，他还发现，塑像指数对循环应力比有显著的影响，同时提出了塑性指数的临界值，当低于临界值时，循环应力比与塑性指数呈反比；当高于临界值时，循环应力比与塑性指数呈正比关系，提出了美国中部粉土的塑性指数的低值为3.5-4.5。Steadman，Bartlett，Yasuda，Dobry及Towhata等学着通过大量的实验研究和理论分析，他们提出了许多有关黄土液化的预测公式。Ishihara等学者在1989年对塔吉克斯坦境内的地震诱发的黄土液化进行了实地的调查研究。该地震的发生时间为1989年1月23日5时02分，震中位于该国杜尚别市西南30km处，震级为5.5级。该地震液化形成了四个主要滑坡，这写滑坡形成巨大的泥流，造成200人死亡和100多栋房屋的损失。其中他对奥库里滑坡进行了详细的调查研究，由于黄土是风成黄土，存在大量的垂直节理和弱胶结，他提出了当黄土的含水量高于液限时，土体处于饱和状态。地震发生时地下水位由于地震波的作用而迅速升高，基质吸力降低，有效应力减小。由于该黄土的粉粒含量较高而塑性较低，黄土的结构遭到严重的破坏在角度近于水平的地表能够发生流动。国内对黄土液化理论的研究白铭学在1990年首先对1920年海原8.5级地震黄土液化灾害的砂质黄土在地震作用下发生液化移动的现象进行研究。单朋飞在1991年对宁夏南部滑坡灾害从地貌角度进行了环境效应的探讨分析研究。刘公社、巫志辉在1994年对陕北洛川的q3饱和原状黄土进行了振动三轴实验，用来研究动荷大小、形式、振动频率固结应力比等因素对饱和黄土空压演化规律的影响。其研究的实验结果表明，在振动的过程中，空压线上不会出现像砂土那样的剪涨现象，空压过程线表现出单调增长，动荷形式和地震波序排列对饱和黄土的发展影响较小，振动频率对强度、变形有一定的影响，但是不影响孔压的时程曲线等。关文章、雷祥义等学者1992对黄土的研究提出，将黄土的空隙分为大空袭、中空隙、小空隙和为空隙。其中，存在于胶结物中的微空隙，分布杂乱，连通性较差，透水系数低。存在于粒间空隙的中小空隙，由于骨架颗粒的相互穿插形成小孔隙，又由于其排列紧密又称镶嵌空隙。而骨架颗粒相互支架构成中孔隙，中孔隙和部分小孔隙由于联通性较好，透水系数高，而大空袭主要为次生的黄土节理裂隙虫孔根孔鼠穴和溶蚀空洞等。王兰民在2000年对饱和黄土的土动力学、水电化学和微结构角度展开了详细的研究，其研究结果表明，黄土的液化与砂土的液化存在差异。当黄土达到饱和状态时，由于部分小空隙和大部分微孔隙未能充水，只有大中孔隙充满水，因此其饱和度低于砂土的饱和度。在施加一定动荷载的条件下，刚开始由于由于微结构未破坏，应变主要为弹性应变，当振动次数增加时，易溶盐的继续溶解促使中溶盐的进一步溶解，因而大中孔隙结构迅速破坏，孔隙体积减小，孔隙水未及时排出，孔隙水压力上升，因而有效应力降低，土体的结构也迅速降低。此外，由于孔隙水压力的继续增加，小空隙和微孔隙的胶结物和隔水物的中溶盐进一步溶解而充水，因而促使大中小孔隙水压力的消散，因此，宏观表现在残余应变急剧增大。孔隙水压在上升的过程中，在均匀固结的条件下，孔隙水压力的最高值才达到70%σo（有效围压）左右，由于黄土多孔的结构遭到破坏，导致颗粒重新排列，土体密度增大，所以黄土表现较大的残余应变、低抗剪性和高流动性。随后作者又对马兰黄土进行了液化实验研究，提出了饱和黄土的液化标准为：当试样的孔压（）增加到有效围压70%σo时，也就是Uw/σo=0.7,试样发生液化，黄土结构破坏的应变值为3%.何开明等在2001年初步分析研究了黄土液化与砂土液化的差异性，他发现，空隙水压力的消散作用是由于大中孔隙结构破坏以及小微孔隙充水，液化时黄土的振次比需要的比砂土少。由于黄土的体积压缩系数较大和渗透系数较小，因此在动载荷的条件下产生的变形较大，孔隙水压力的消散较慢。他还对饱和黄土的液化进行数值分析，他发现，饱和黄土的超孔隙水压力在地震的条件下快速增长，20s之后开始出现液化，随后孔隙水压力增长缓慢，由于黄土的孔隙水压力消散较慢，所以在地震后的一段时间，黄土的液化能够引起地面沉降。王兰民等学者还进行了爆破试验来研究液化的机理，它采用了毫米级微差的爆破方法，实验结果表明，在地震波的条件下，会发生动应变增加，超孔隙水压增大，也就是出现了液化现象。此外，他用数值分析计算和室内动三轴试验对爆破试验进行了模拟分析，验证了应变增加和孔隙水压力模型，对黄土液化的影响因素进行了分析。余跃心在2002年对海原地震黄土液化和塔吉克地震黄土液化进行了对比分析研究，发现总结了两种液化的机理的不同。总的来说，黄土液化的最主要的因素是地震力和水的耦合作用。黄土液化滑坡研究黄土地震液化可以借鉴前人关于砂土液化的研究理论，向国外的Poulos、Sladen、Lade、Yamamuro等学者对砂土的液化进行了大量的室内试验，他们深入研究分析了在静态条件下沙土液化以及对滑坡的影响程度，和砂土中粉粒的含量对液化的影响程度，提出了在静态条件下滑坡稳定的判别方法。这些研究成果可以为黄土滑坡机理的研究借鉴。Sassa等学者进行了室内试验和现场模拟实验，他提出了当黄土的饱和度达到80%时，土体就达到饱和状态产生超孔隙水压力，土体的结构发生破坏，进而孔隙水压力上升，引起土体的液化从而致使土体发生滑坡。黄土是一种大孔隙、弱胶结、垂直节理发育和粉粒含量高的特殊土体，由于黄土自身的特殊性，所以极易发生液化形成黄土的液化型滑坡，应该基于黄土自身的特点来研究黄土滑坡发生的液化机理。关于高速蠕滑液化滑坡，国内外许多学者都做了关于这方面的研究工作。王家鼎等学者对高速蠕滑液化黄土滑坡和低角度黄土液化滑坡进行了研究，他定义了饱和黄土蠕动液化的定义以及机理，并将于灌溉诱发的黄土滑坡的机理相结合。他提出了液化的机理是在强降雨和灌溉作用下通过裂隙和快速通道入渗，使土体形成饱和，因而黄土的强度降低形成滑裂面，诱发土体发生蠕动变形，由于蠕动饱和黄土轻微液化，促使滑体滑动，则又加剧了液化程度，因而形成了高速黄土液化滑坡。关于如何诱发蠕动液化，他认为主要的诱发因素是地脉动。殷跃平等人也对高速滑坡做出了研究。王家鼎在2001年对宁夏海原地震黄土液化滑坡进行了研究，他提出了发生低角度黄土液化滑坡的原因，是在地震的作用下，上部第一层古土壤下饱和黄土发生液化，而其上部的土体由于受到液化和地震波的双重作用下，演变成脉络形状地貌，随后部分黄土发生斜抛解体和粉尘化，在远程运移的过程中演变成黄土流。关于低角度黄土液化滑坡，许多专家对海原地震诱发滑坡的场地进行了调查分析，他们认为海原地震诱发的滑坡大部分都发生在凹坡，坡度小于15，等价摩擦角较小，并且有随着滑坡的体积增加而增大的趋势，但是OCR对稳定性的表面摩擦角影响较小。在通过对不排水条件下的饱和黄土剪切试验结果表明，随着循环剪应力的作用，孔隙水压力逐渐的增加，土体破坏时快速上升，破坏后剪切位移一直延伸到有效应力和剪切阻力达到恒定的状态趋于稳定。总之，关于黄土液化和地震液化黄土滑坡的研究有从微观结构、土动力学、物理化学等方面展开研究，但是个研究成果还存在较大的统一性，还没有对黄土液化的机理有着统一的认识。