流滑

流滑是指因地震或者灌溉等因素引起的高速遠程黃土滑坡。是黃土地區最大的災害之一。1920年10月發生的海原地震引發了多次大規模的黃土滑坡, 導致了近10萬人死亡, 其中之一的西吉滑坡滑體以500m的寬度運行了2km左右;2006年10月, 在中國陝西省華縣大明鎮由灌溉引發的高樓滑坡, 共造成7戶人家的13人被掩埋(其中12人死亡), 掩埋了24 戶房屋, 94間房屋倒塌。

基本介紹

• 中文名：流滑
• 外文名：Flow slide
• 學科：土木工程
• 領域：土質
• 原因：地震或者灌溉等
• 定義：高速遠程黃土滑坡

簡介

我國黃土覆蓋面積廣闊, 地震或者灌溉等因素引起的高速遠程黃土滑坡是黃土地區最大的災害之一。1920年10月發生的海原地震引發了多次大規模的黃土滑坡, 導致了近10萬人死亡, 其中之一的西吉滑坡滑體以500m的寬度運行了2km左右;2006年10月, 在中國陝西省華縣大明鎮由灌溉引發的高樓滑坡, 共造成7戶人家的13人被掩埋(其中12人死亡), 掩埋了24 戶房屋, 94間房屋倒塌。滑坡啟動後沿著坡度10°左右的緩坡面以4m· s-1左右的速度滑移了1km左右。雖然這些滑坡觸發的因素不同, 但是它們都有共同的特點:低角度, 高速度、遠距離, 這些是造成災害的主要原因。

對於高速遠程黃土滑坡的流滑機理, 國內外學者做了大量的研究, Seed認為地震導致的滑坡主要是因為土體的液化導致的;張得煊等在對西吉滑坡和華縣滑坡做了多次調查和大量的室內試驗後指出:西吉滑坡流滑的主要原因是地下水飽和的黃土層在地震過程中發生了液化, 液化之後的土體在重力的驅動下發生了高速遠程的滑坡 ;華縣滑坡的主要原因是灌溉渠的漏水導致了坡體黃土飽和後強度下降, 在重力作用下發生了流滑破壞。

這些研究表明, 黃土滑坡的共同特點是在滑坡前黃土達到了飽和, 飽和黃土具有很高的液化勢和流滑勢, 在地震等因素的作用下會產生液化和流滑。液化之後的黃土還具有一定的殘餘強度即穩態強度, 穩態強度是坡體液化之後是否會發生流滑的關鍵因素。開展飽和黃土穩態強度理論的試驗研究對深入了解黃土流滑機理有十分重要的意義。

穩態強度理論研究以哈佛大學的Casagrande、Castro和Poulos等人為代表, 他們套用穩態強度分析一些實際問題。近期國內學者也在砂土的穩態強度理論做了大量的研究, 並套用穩態理論分析了砂土邊坡液化之後的流滑穩態。

以陝西華縣灌溉引發的滑坡與寧夏西吉地震引起的滑坡為背景, 採用砂土穩態強度理論的觀點來研究飽和黃土不排水條件下的性能, 通過對這兩個滑坡地區原狀黃土試樣的的不排水固結三軸試驗初步建立黃土的穩態強度理論, 探討各種因素誘發的黃土滑坡流滑的機理。

試驗介紹

土樣分別從陝西華縣滑坡與寧夏西吉滑坡處採集,。試驗採用直徑3.91cm, 高度8cm的標準試樣, 所有剪下試驗均在英國GDS三軸儀上完成, 對兩種原狀黃土分別在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa圍壓下進行固結不排水三軸試驗, 探討黃土在不排水條件下的性能, 建立黃土的穩態線;比較兩種黃土在相同試驗條件下的性質差異。對於試樣的飽和, 採用先通二氧化碳後反壓飽和的方法。為了準確測量孔隙水壓力的變化, 試驗過程中加上100kPa的反壓。記錄試樣在飽和和固結過程中的體積變化, 計算試樣在剪下開始後的孔隙比, 作為初始孔隙比。剪下速度控制在0.2mm· s-1 。

試驗結果分析

1　飽和黃土的剪下特性

對原狀黃土的大量不排水剪下試驗結果表明,飽和黃土表現出了兩種不同的典型剪下特性:穩態特性和準穩態特性。對於砂土經常出現的加工硬化特性在黃土剪下試驗中沒有出現, 即使對孔隙比為0.8、圍壓在400kPa的情況下試樣也表現出穩態特性, 但這不足以說明黃土不具有加工硬化的特性。

試驗中絕大多數黃土試樣表現出了穩態特性,試樣為滑縣採集的土樣, 孔隙比為1.031, 在圍壓300kPa下的不排水剪下試驗。試樣在應變達到6.1%時達到峰值剪應力195kPa, 隨後強度緩慢下降, 在應變達到30%左右的時候可以認為達到穩態, 此時的殘餘剪應力為81kPa, 說明強度下降的較大為114kPa左右, 脆性指數即(τP -τΓ)/τP(τP和τΓ分別為峰值狀態和殘餘狀態對應的剪應力)為58.5%, 相對於砂土的脆性指數一般達到90%以上, 黃土的抗液化能力相對較好。後期的試驗表明脆性指數隨初始圍壓的增大而增大。

對於黃土的準穩態特性在試驗中很少出現, 只有在孔隙比大於1.04, 圍壓小的情況下才會出現。試樣孔隙比為1.012, 在200kPa圍壓下進行的不排水剪下試驗。試樣在應變達到2%左右的時候達到峰值剪應力108kPa, 隨後剪應力緩慢下降到R點即準穩態點, 此時的剪應力為98 kPa。隨著應變的增長, 剪應力出現了上升的趨勢, 這種變形明顯的特點是出現了轉變階段。通過研究試樣端部約束、面積校正、體積壓縮、橡皮膜嵌入等因素, 認為在準穩定狀態後的剪脹大多是由於以上因素造成的, 因而建議用準穩態強度作為穩態時的強度。同時指出, 用此強度指標同樣可能由於端部約束和排水體積的變化而過高地估計了穩態強度。

相同孔隙比條件下, 200kPa圍壓準穩態發生時準穩態強度108kPa比300kPa圍壓穩態時的殘餘強度81kPa還大, 證明了用準穩態強度作為穩態強度的確會過高地估計飽和黃土的穩態強度。

2　應變-應力-孔壓關係曲線

在300kPa圍壓以下, 土體在應變為30%時的殘餘強度非常接近, 隨著圍壓的增大而增加緩慢, 但是在300kPa以上的圍壓條件下應變為30%時殘餘強度有顯著的增大, 由於在大的圍壓固結條件下, 試樣固結之後孔隙比相對於初始孔隙比有顯著的增大。同時, 在大的側向應力條件下黃土的殘餘強度比較高, 這和黃土滑坡滑動面很少發生在比較深的土層這一工程現象相吻合。飽和黃土的峰值強度隨圍壓的增大而線性增大, 但是隨著圍壓的增大, 達到峰值強度時的應變也增大。

兩種試樣在不同圍壓條件下剪下時的孔隙水壓力發展過程, 在應變達到25%後基本達到穩定, 此時的剪下應力也基本達到穩定。孔隙水壓力隨圍壓的增大而增加, 但增長的速度在變小。在100kPa圍壓下可以達到圍壓的90%以上, 在500kPa時只有圍壓的75%左右。西吉黃土的孔隙比華縣黃土的孔隙比小, 所以在相同圍壓下, 西吉黃土的孔隙水壓力較小。

3　飽和黃土的穩態線

研究發現, 穩態時的孔隙比對土體的性能起著關鍵的作用, 相對與固定的孔隙比, 有效平均應力是固定值。穩態點在空間裡分布在一條直線(穩態線)的附近。而且西吉黃土與華縣黃土的穩態線基本平行。穩態線把不同有效應力作用下的飽和黃土分為2個區域, 分別代表土體可能發生液化和不可能發生液化的密度-應力狀態, 即潛在流動液化區和無流動液化區, 穩態線是其分界線。

通過少量的試樣就可以確定穩態線, 但是要確定準穩態線則需要大量的實驗數據。由於飽和

黃土出現準穩態特性的情況比較少, 這對飽和黃土準穩態線的繪製增加了難度。

4　描述飽和黃土穩態

穩態是土體的固有屬性, 當不同初始條件的土體達到穩態變形時, 在e-p′-q空間內都終將處於同一條曲線(即穩態線)上。因此, 可以用土體共有的某種參數結合各自的初始條件來描述其穩態。

穩態時不同孔隙比下的內摩擦角相近;得到的不同相對密度下穩態內摩擦角(即殘餘內摩擦角)是不依賴於初始相對密度和固結壓力的常數。根據穩態變形的定義, 當土體發生穩態變形時, 土體內顆粒骨架完全破碎, 顆粒結構己為流動結構, 但是對於黃土, 穩態時還具有一定的粘聚力。所以穩態內摩擦角和粘聚力是土體變形最終可動用的有效內摩擦角和粘聚力, 這也是穩態內摩擦角和粘聚力的物理含義。相對於砂土, 黃土具有23%左右的粘粒含量決定了兩者穩態時性質的不同。

5　飽和黃土的穩態強度

飽和黃土的殘餘強度(即穩態強度SUS )是黃土邊坡是否發生流滑的關鍵因素。如果穩態強度小於驅動剪應力的大小, 那么黃土邊坡就有發生流滑破壞的可能, 反之則沒有。因此, 在套用穩態強度理論研究黃土滑坡的流滑機理時, 穩態強度是最關鍵的內容。

黃土滑坡流滑破壞產生的條件

1　狀態條件

各種黃土滑坡首要的條件是坡體潛在滑動面黃土達到飽和。黃土地區氣候乾燥,年平均降雨量小, 飽和條件難以滿足。但是地下水、灌溉等因素可以讓黃土達到飽和, 飽和之後的黃土具有流滑的可能。潛在滑動面土體的飽和之後的抗剪強度是流滑是否發生的關鍵, 根據本文建立的飽和黃土的穩態理論, 孔隙比是黃土峰值抗剪強度和殘餘強度的關鍵因素, 只有孔隙比與初始側向應力在穩態線以上才有發生流滑的可能。

2　觸發條件

大多數黃土滑坡都是由於地震和灌溉引發的,對於地震引發的滑坡, 地震力的大小必須使飽和後的黃土局部原始結構破壞, 應力重新分布。至於震後是否會發生流滑破壞以本文建立的飽和黃土的穩態理論為標準。對於灌溉引發的滑坡, 以試驗所得峰值強度為標準判別。

3　驅動剪應力條件

地震過程中坡體是否會發生流滑破壞的關鍵是驅動剪應力大於穩態強度, 對於灌溉引發的黃土滑坡驅動剪應力必需大於飽和黃土的峰值強度。

黃土滑坡流滑的機理

試驗結果表明:飽和黃土在小的應變條件下即達到了峰值強度, 但是只有在大變形條件下(應變大於25%)才會達到穩態。對於西吉滑坡, 在地震荷載的作用過程中, 黃土邊坡局部土體在小的應變條件即達到峰值強度而破壞, 破壞之後的土體抗剪強度下降, 導致應力重新分布, 從而導致周圍土體的屈服, 隨著應變的進一步發展土體破壞。由於黃土應變發展的過程緩慢, 所以黃土邊坡一般在地震後一段時間才開始大規模的滑坡。利用飽和黃土的穩態理論來判斷黃土邊坡在震後是否會發生流滑是合理的。在初始條件(土體初始孔隙比、含水量、側向壓力)和觸發條件(即地震引起的土體孔隙水壓力的升高)都滿足的情況下, 比較重力驅動剪應力與穩態強度的大小, 即能判別坡體是否會發生流滑破壞。

但是華縣滑坡是沒有地震作用下發生的, 橫穿滑坡區的灌溉渠漏水導致滑坡的發生。黃土的峰值強度與殘餘強度隨飽和度的增大而下降。對於地震導致的黃土滑坡, 觸發條件是地震過程中導致黃土邊坡局部土體剛度下降導致應力重分布, 是否會發生流滑的關鍵因素是土體在地震後的殘餘強度是否大於土體的靜驅動剪應力;對於灌溉引起的滑坡觸發條件是靜驅動剪應力是否能夠大於飽和土體的峰值強度, 如果觸發條件滿足, 黃土邊坡肯定會發生滑坡。此時殘餘強度就不重要了。

基於穩態理論判斷黃土邊坡是否發生流滑破壞

黃土穩態強度理論判斷坡體是否會發生流滑破壞應遵循以下步驟:

(1)分析滑坡觸發的因素, 分地震引發的滑坡和灌溉誘發的滑坡。計算潛在滑動面土體的初始應力狀態;

(2)對黃土進行固結不排水三軸試驗, 確定各種圍壓條件下的峰值強度和穩態線;

(3)計算驅動剪應力;

(4)對於可能由地震引發的滑坡, 比較驅動剪應力與穩態強度的大小, 對於可能由灌溉引發的滑坡, 比較驅動剪應力與峰值強度的大小;

(5)根據不同的觸發因素取峰值強度或者穩態強度對邊坡進行穩定性分析, 判斷是否會發生流滑破壞。

總結

(1)飽和黃土有兩種不排水剪下特性:穩態特性和準穩態特性。試驗結果表明大多數情況下表現為穩態特性, 只有孔隙比比較下圍壓較低時出現了準穩態特性。對於砂土經常出現的加工硬化型在飽和黃土中沒有出現;

(2)穩態是土體的固有屬性, 能夠反映飽和黃土穩態特性的參數為穩態時的內摩擦角;

(3)通過試驗建立的黃土穩態線和穩態強度線可以用來研究黃土邊坡的流滑機理。對於地震引起的黃土滑坡土體殘餘(穩態)強度起決定性作用, 而對於灌溉引起的黃土滑坡土體的峰值強度才是關鍵因素。