工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (5): 1219-1226   (4421 KB)    
强震触发黄土滑坡流滑机理的试验研究——以宁夏党家岔滑坡为例
张晓超, 裴向军, 张茂省, 孙萍萍, 贾俊①②    
① 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学) 成都 610059;
② 中国地质调查局西安地质调查中心 西安 710054
摘要:针对地震触发低角度、长距离流态化黄土滑坡的问题,以1920年宁夏海原大地震触发的西吉县党家岔滑坡为典型案例,开展较为详细的现场勘查与工程地质测绘工作,并结合室内试验研究,揭示了党家岔滑坡特殊的形成机制及运动特征。结果表明:在强震过程中,马兰黄土的原始结构遭到摧毁性的破坏,上层非饱和黄土震裂损伤,后缘拉裂,底部潜在滑带的高饱和黄土层内超孔隙水压力骤增,并产生明显液化,强度骤减,塑性变形急剧累积,剪切面逐渐贯通;之后坡体在地震力水平抛射作用下,高速启动,几个滑块先后沿着295°、300°、80°方向滑向中间沟槽,然后碰撞变向顺沟而下;液化层呈泥流状向前运移,表现为典型的“剪切稀化”流体,达到极低的稳态强度和表观动力黏度,浮拖上部滑体产生低角度、长距离运移,冲出沟口后受到对面山体阻挡,转向沿着堡玉沟往下游侧扩离,整个滑程长达3 km。研究成果有助于深入认识强震条件下流态化滑坡的形成机制,对于防控黄土地区地质灾害具有一定的参考价值和指导意义。
关键词党家岔滑坡    黄土液化    稳态强度    剪切稀化    表观动力黏度    
EXPERIMENTAL STUDY ON MECHANISM OF FLOW SLIDE OF LOESS LANDSLIDES TRIGGERED BY STRONG EARTHQUAKE——A CASE STUDY IN DANGJIACHA, NINGXIA PROVINCE
ZHANG Xiaochao, PEI Xiangjun, ZHANG Maosheng, SUN Pingping, JIA Jun①②    
① State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059;
② Xi'an Center of China Geological Survey, Xi'an 710054
Abstract: This paper aims at the problem of low angle and long distance fluidized loess landslide triggered by earthquake. It takes the Dangjiacha landslide as a typical example. It was triggered by Haiyuan Earthquake in 1920. A detailed field investigation and indoor research are carried out for the Dangjiacha landslide. After comprehensive analysis, it reveals the genetic mechanism and movement characteristic of Dangjiacha landslide. In the earthquake process, the original structure of Ma Lan loess was destroyed destructively. The upper unsaturated loess was damaged in tension with the seismic shaking. Edge cracked, excess pore water pressure was accumulated in saturated zone. The saturated loess was liquefied and plastic deformation had accumulated. The shear surface gradually transfixed. Under the seismic horizontal ejection, the slope collapsed in high-speed. Three sliders slid to the middle groove, along the direction of 295 degree, 300 degree and 80 degree to the north respectively. Then they turned down the ditch with collision. Liquefied layer flowed forward like mudslides, showing a typical "the shear-thinning fluid", with extremely low steady-state strength and very low apparent dynamic viscosity coefficient. The upper loess floated with low angle and long distance movement, finally rushed out the valley, then turning along Bao Yu Gou to downstream for the mountain barrier. The displacement was up to 3 km. The results have important reference value or guiding significance for further understanding the formation mechanism of fluidized loess landslide under strong earthquake conditions and preventing geological disasters triggered by earthquake liquefaction in loess area.
Key words: Dangjiacha landslide    Loess liquification    Steady state strength    The shear-thinning fluid    Apparent dynamic viscosity coefficient    

0 引言

1920年12月16日,宁夏西北部海原县发生8.5级大地震,震级达到8.5级,震源深度17 km,震中烈度Ⅻ度,是我国黄土地区近百年来震级最高、破坏性最强、损失最为惨重的一次地震事件,死亡人数达20余万人(袁丽侠,2005邓龙胜等,2013)。

海原地震触发了大量黄土滑坡,其中有一类滑坡非常典型,具有低角度、长滑距的运动特征,且破坏强、危害大,其成因机制一直倍受关注,同时也颇具争议。该滑坡位于地震Ⅸ度烈度区,总体积约1.5×107 m3,运动距离长达3 km,沿途摧毁村庄,堵塞河道,形成了著名的党家岔地震堰塞湖。对该滑坡独特的成因机制,早有学者(王家鼎等, 1999, 2001)提出地震作用下的“抛射-粉尘化”效应,但也有学者(张茂省等,1995;Zhang et al., 2007)认为干黄土结构强度高,仅抛射作用使其结构完全解体为粉尘的可能性不大,也不好解释现场明显流态化的运动特征。近年来,随着黄土测试技术的不断发展,试验证实振动条件下饱和黄土或高饱和黄土具有一定的液化特性,针对上述问题,较为一致的观点是将党家岔滑坡大规模溃散、低角度、长距离、泥流状的运动机制归因于“饱和黄土液化效应”,通过对黄土的环剪试验(Wang et al., 2014),揭示强震过程中黄土液化是导致滑坡高速远程滑动的根本原因。针对黄土液化问题,目前已基本达成共识,认为饱和黄土或高含水率黄土在震动作用下可能发生液化,在灌溉型滑坡成因机制研究中发现出静态液化也可能导致大规模高速远程灾难性滑坡(许强等,2016亓星等, 2016, 2017),但上述研究没有进一步考虑黄土液化后稳态强度及其流动变形的发展规律,难以很好地解释强震诱发黄土斜坡低角度长距离流滑的形成机制。

针对上述问题,自2012年开始,对党家岔滑坡展开进一步勘查,完成了滑坡区工程地质测绘、坑探、钻探以及大量的试验研究工作,分析了高饱和度黄土动力特性及动力液化后稳态变形特性,得到一些新的认识。论文主要针对党家岔滑坡的形成机理与运动特征进行讨论。

1 党家岔滑坡基本特征

党家岔滑坡位于海原地震Ⅹ烈度区的西吉县堡玉乡党家岔村,距震中约110 km。滑坡工程地质平面如图 1所示,从平面形态可以看出整个滑坡具有流态化运动特征,呈“鱼形”分布,根据运动特征与堆积形态,可将其划分为滑源区、流通区和堆积区。滑源区分为3个部分,1#滑源区好似“鱼头”,2#、3#滑源区像两个“鱼鳍”,流通区则为“鱼身”,堆积区犹如摆动的“鱼尾”。对原始斜坡岩土体结构进一步调查发现,黄土层披覆于新近系砖红色泥岩之上,厚度达30~70 m,地下水位线位于基覆界面附近(图 2),覆盖其上一定厚度的黄土层具有较高的含水量。整个滑坡区面积为0.34 km2,滑体方量达到1.5×107 m3,滑坡视摩擦角低于5°(黄润秋等,2014彭政奎,2014)。

图 1 党家岔滑坡工程地质平面 Fig. 1 Engineering geological map of Dangjiacha landslide

图 2 党家岔滑坡工程地质剖面 Fig. 2 The profile of the Dangjiacha landslide

2 强震触发黄土液化现象及剪切稀化特征试验研究
2.1 试验方法

高饱和度黄土在动荷载作用下具有一定的液化特性,这已被众多学者所证实(王兰民,2003杨振茂等,2004周永习等,2010张晓超等,2014)。而黄土达到初始液化后其应力-应变将如何进一步发展,在剪应力不变的条件下是否能进入稳态变形,这才是影响滑坡启动后是否产生长距离流滑的决定性因素(杨振茂等,2004周永习等,2010)。因此,论文通过动三轴应力路径试验,在分析党家岔黄土动力液化后再单调剪切力学行为的基础上,研究地震触发黄土层液化后超孔隙水压力消散规律、应力-应变关系、稳态强度和稳态变形特征。试验仪器、试验样品和试验方法如下。

2.1.1 试验样品

党家岔马兰黄土的主要成分为粉粒(5 μm<d≤75 μm),约占总含量的80% ~83%;而黏粒(d≤5 μm)占总含量的11% ~16%;砂粒(d>75 μm)含量相对较少,约为总含量的4% ~7%。在钻孔中提取土样(钻孔布置如图 1所示),为保证样品的均一性,取典型土样(ZK02中10.80~16.70 m岩芯,如图 3所示),磨碎后采用分层击实的方法对样品进行重塑,制备成直径50 mm,高100 mm的圆柱体。试验样品基本物理指标如表 1所列。

图 3 现场典型土样 Fig. 3 Typical soil samples in the field

表 1 试验黄土的基本物理指标 Table 1 The basic physical parameters of the test loess

2.1.2 试验仪器

采用美国MTS 810动态三轴测试系统与自主组装的饱和装置(图 4)。

图 4 土体动三轴试验系统及饱和装置 Fig. 4 Dynamic triaxial testing system and saturation device

2.1.3 试验方法

将试样装好后,首先施加20 kPa围压,通二氧化碳1 h以排净试样内空气,然后以1 m常水头进行脱气水循环渗流1 h,再逐级施加围压和反压,每级施加30 kPa并稳定30 min,围压与反压始终保持20 kPa的压差,通过BD值控制饱和度,要求所有样品BD≥0.95(张晓超等,2014)。

饱和度达到要求后进入固结程序,固结围压为100 kPa,固结稳定后,施加动荷载。在没有原始波形记录的情况下,可以采用人工合成地震波或等效正弦波代替(李松林,1990)。本试验采用特殊应力路径加载,始终保持围压稳定,在轴向施加正弦波荷载,频率为1 Hz,待应变分别达到1%、2%、3%,然后再施加单调剪切荷载,剪切速率为0.1 mm·s-1,破坏应变取20%。

2.2 饱和黄土液化特性

试验全时程曲线如图 5所示。从图中可以看出,在震动初期孔隙水压力响应较快,当累计应变为1%时,孔压比(即孔隙水压力与围压之比值,μ/σ0)已接近0.7,当累计应变达到2% ~3%时,孔压比超过0.8,曲线末端接近重合,震动停止后,孔隙水压力没有明显消散的现象,仍在持续上升,而偏应力表现为逐渐衰退的特征,与孔隙水压力同时趋于稳态。

图 5 不同动载作用下应力-应变及孔压关系曲线 Fig. 5 Curves of stress, strain and pore water pressure under dynamic loading a. 1%初始剪应变;b. 2%初始剪应变;c. 3%初始剪应变

为了便于分析不同加载路径对稳态强度的影响,绘制不同初始应变下应力路径曲线及孔压比-轴向应变曲线,如图 6图 7所示。

图 6 不同初始应变下应力路径曲线 Fig. 6 Stress path curves under different initial strain

图 7 不同初始应变下孔压比-轴向应变曲线 Fig. 7 Pore pressure ratio axial strain curves under different initial strain

从以上可以发现,震动结束后,各试样的偏应力、轴向应变和孔隙水压力均有明显区别,表明震动使得黄土强度受到不同程度的损伤;动荷载停止后,超孔隙水压力并没有立即消散,随着单调剪切的持续进行,变形不断发展,孔压比进一步增长,所有试样最后均趋向同一稳态点;试验黄土具有非常低的稳态强度,表明很小的驱动剪应力便可大于其稳态强度而导致流滑破坏(Zhang et al., 2009)。

2.3 饱和黄土液化后“剪切稀化”效应

饱和黄土一旦达到液化,则具有一定的流动性,因此可将液化前后的土体区分为固体和流体两种不同的介质形态进行研究(佘跃心等,2002周云东,2003)。如果将液化后的饱和黄土视为流体,则可以根据流体力学原理分析任意时刻饱和黄土的黏滞性。动荷载作用下,可以统一将饱和黄土的动有效抗剪强度表述为式(1):

$ {\tau _{dt}} = {\tau _{ft}} + {\tau _{\eta t}} = {\sigma '_t}{\rm{tg}}{\varphi '_d} + \eta {\gamma '_t} $ (1)

式中,τdtt时刻土的动抗剪强度;τftt时刻剪破面上土粒间的动摩擦力;τηtt时刻剪破面上的动黏滞阻力;σt'为t时刻剪破面上的法向有效应力;γt'为t时刻剪破面上的剪应变速率;φd'为动有效内摩擦角;η为动力黏滞系数。

为了便于分析饱和黄土液化及其流态化运动的过程与形成机制,采用表观黏滞系数(或称为视黏度)来表征其从固态转化为液态的流变特征,从而能够综合表征其抵抗变形的能力。表观动力黏滞系数越低,流动性越好。表观黏滞系数通过式(2)计算:

$ \eta \left(t \right) = \frac{{{\tau _a}\left(t \right)}}{{{{\dot \gamma }_a}\left(t \right)}} $ (2)

式中,τtγt分别为对应时间的剪应力和剪应变率;ηa(t)为表观动力黏滞系数。

剪应变率通过式(3)进行计算:

$ {{\dot \gamma }_i} = \frac{1}{2}\left({\frac{{{\gamma _{i + 1}} - {\gamma _i}}}{{{t_{i + 1}} - {t_i}}} + \frac{{{\gamma _i} - {\gamma _{i - 1}}}}{{{t_i} - {t_{i - 1}}}}} \right) $ (3)

式中,γi-1γiγi+1为时刻t-1、tt+1的剪应变值。

由此,对试验结果进行分析,可以进一步分析不同振动周次下剪应变率时程曲线和剪应力-剪应变率滞回曲线,以及变形过程中黏滞性的变化规律(图 8~图 10)。滞回圈的对角线斜率便可以反映表观动力黏滞系数的大小,在振动初期,滞回圈比较狭窄,对角线斜率较高,随着振次增加,其滞回圈也逐渐伸展,对角线斜率随之降低,表明动力黏滞系数随着振次逐渐减小,同时,随着振动次数增大,滞回圈面积增大,表明其变形及能量消耗速率增大,流体特性愈加明显,呈现出“剪切稀化”流体的变形特征(陈育民等,2006张晓超,2015)。

图 8 剪应变率-振动时间关系曲线 Fig. 8 Relation curve of shear strain rate and vibration time

图 9 累计剪应变率-振动时间关系曲线 Fig. 9 Relationship curve of cumulative shear strain rate and vibration time

图 10 剪应力-剪应变率滞回曲线 Fig. 10 Hysteretic loop of shear stress and shear strain

取循环荷载作用下最大剪应变与剪应力,按照式(2)计算表观动力黏滞系数,绘制表观动力黏滞系数-剪应变率关系曲线(图 11),可以发现,随着剪应变率的发展,饱和黄土的表观动力黏滞系数迅速降低,剪应力与剪切应变率之间呈非线性关系,表现出“剪切稀化”非牛顿流体特征,在100 kPa固结压力下达到5.21 kPa,剪切稀化的效果使得液化后的滑动面接近糖浆或巧克力酱的黏滞度,具有极好的流动性。

图 11 剪应变率-表观动力黏滞系数关系 Fig. 11 Relation of shear strain rate and apparent dynamic viscosity coefficient

3 党家岔滑坡的形成演化机制

综合分析室内试验与现场勘查结果,党家岔滑坡形成过程分为临空面形成、潜在滑面形成、震发滑面贯通以及高速启动4个阶段,具体演化过程分述如下。

3.1 临空面形成阶段

第四系黄土批覆于新近系泥岩之上,形成最初的黄土自然斜坡。由于沟谷下切,地壳隆升,在重力侵蚀、风蚀、水蚀等交互作用长期改造下,该区逐渐形成特殊的三面环丘、中间凹陷,横断面为“U”型的黄土坳沟地形,并成为降水汇集通道,从而进一步加剧了斜坡坡脚的侧蚀作用,坡脚黄土崩塌,并被冲蚀、搬运,最终形成临空面。

3.2 潜在滑面形成阶段

沟谷下切过程中,黄土斜坡卸荷回弹,坡体应力不断调整,坡脚剪应力集中,坡肩拉应力集中,导致坡体中后缘拉裂缝及两侧剪切裂缝逐渐发展,为雨水入渗提供更加便捷的通道,雨水垂直入渗并不断蓄积在黄土和下伏泥岩的接触带,基覆界面处的黄土浸水并趋于饱和,抗剪强度下降,在饱和带附近形成潜在滑面。

3.3 震发滑面贯通阶段

当强震发生时,最先到达的P波使斜坡发生剧烈的垂向震动,坡体局部震陷,后缘张拉裂缝进一步扩展;紧接着在后至的S波和P波共同作用下,下伏泥岩顶面上具有体缩趋势的饱和带黄土产生超静孔隙水压力,土体发生剪性变形并不断累积,继而超孔压迅速发展导致液化,最终剪切面形成并很快贯通。

3.4 高速启动阶段

在自重应力与地震荷载的耦合作用下,斜坡稳定系数很快达到临界值,3个滑块先后沿着295°、300°、80°方向滑向中间沟槽,然后碰撞变向顺沟而下;更大范围内黄土层发生液化,液化层呈泥流状向前运移,表现为典型的“剪切稀化”流体,浮拖上部滑体产生低角度、长距离运移,冲出沟口后受到对面山体阻挡,转向沿着堡玉沟往下游侧扩离,整个滑程长达3 km。

4 结论

通过上述试验研究,可以得出以下结论:

(1) 动力加载后单向剪切试验表明,饱和黄土稳态强度不受前期应力路径的影响,黄土边坡液化后是否大变形或流滑破坏取决于饱和黄土的稳态强度,试验黄土具有非常低的稳态强度,很小的驱动剪应力便可大于其稳态强度而导致流滑破坏。

(2) 饱和黄土的超孔压比对其表观动力黏度的影响很大,表观动力黏度与孔压比之间呈现良好的减函数关系。剪切稀化的效果使得液化后的滑动面达到极低的黏滞度,从而为斜坡产生长距离的流滑变形提供了条件。

(3) 研究揭示了党家岔滑坡特殊的形成机制:强震触发饱和黄土初始液化后,进一步“剪切稀化”,达到极低的稳态强度和动力黏滞系数,最终产生低角度长距离流滑变形。

(4) 论文未考虑超孔隙水压力消散对土体强度及运动特征参数的影响,有待于进一步深入探讨。

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