王 谦，王兰民，王 峻，郭 鹏，刘红玫，卢育霞，侯鹏博

(1.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000； 2.中国地震局黄土地震工程重点实验室， 甘肃 兰州 730000；3. 中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000；4.中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

岷县漳县地震灾后重建场地黄土震害预测

王 谦1, 2, 3，王兰民1, 2, 3，王 峻2,3，郭 鹏3，刘红玫2,3，卢育霞2,3，侯鹏博4

(1.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000； 2.中国地震局黄土地震工程重点实验室， 甘肃 兰州 730000；3. 中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000；4.中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

通过对取自2013年岷县漳县Ms6.6地震影响区8个灾后重建安置点的黄土进行室内动、静三轴试验，研究了极震区2个灾后重建场地黄土的动、静力学特性，分析了地震影响区内3个灾后重建安置场地的黄土斜坡稳定性和5个场地黄土的震陷性；并结合安置点的地形地貌特点，对灾后重建场地潜在黄土地震地质灾害进行了预测。结果表明：极震区黄土在静力作用下具有明显的应力强化特性，在循环动荷载作用下具有刚度迅速衰减和粘滞性急剧增强的特征；MX-2和MX-3重建场地的斜坡在地震作用下存在失稳的可能；Ⅷ度以上地震作用下，MX-1、ZX-1、LT-1和LX-1场地存在产生不同破坏等级震陷灾害的风险；Ⅷ度以上地震作用下MX-1场地的黄土可产生液化，存在导致山体液化滑坡、泥流以及建构筑物地基失稳和不均匀沉降等地震灾害的风险。

岷县漳县地震；黄土震陷；黄土液化；残余变形特征；灾害预测

2013年7月22日7时45分，甘肃省定西市岷县、漳县发生Ms6.6地震，震中位于岷县、漳县交界(104.2°E，34.5°N)，震源深度20 km。 地震发震断层为临潭—宕昌断裂，走向NW—NWW，倾向NE，倾角50°～70°。该断裂为逆冲性质，略具左旋走滑分量，历史上曾发生过多次中强地震[1～2]。

本次地震地处西秦岭山地向黄土高原过渡地带，震中烈度为Ⅷ度，烈度Ⅵ度及以上区域总面积约1.64×104km2，受灾人口168.4万。

黄土以粉粒为主，质地疏松，具有较强的水敏性和地震易损性。地震作用下的黄土滑坡、地基震陷和饱和黄土液化构成了黄土地区主要的地震地质灾害。研究表明：含水率对黄土的动、静强度和震陷性有显著的影响，连续降雨造成含水率增大而导致的土体强度衰减是造成此次地震极震区滑坡大量分布的重要原因[3]，而土体湿度增大也会极大地增强其震陷性[4]。当土体的含水率超过塑限含水率时，地震作用下的黄土液化将会导致建筑地基的不均匀沉降和斜坡丘陵地区的泥流，也可能导致具有低角度特征的滑坡灾害[5～7]。

本文依托岷县漳县地震灾后重建安置点地震安全性评估项目，选择了本次地震极震区及地震影响区内黄土覆盖较厚区域的8个安置点，开挖探井取备了原状黄土试样进行室内动、静三轴试验。基于试验结果，结合安置点的地形地貌特点，对灾后重建场地黄土的潜在震害进行了预测；并根据震害预测结果，对黄土地区地震灾后重建安置场地的选址提出了建议。

1 试验及结果

1.1试验仪器及试样

本次试验仪器为中国地震局黄土地震工程重点实验室的WF-12440型动三轴-空心圆柱扭剪试验系统。试验中所用的土样分别取自岷县漳县地震影响区的8个灾后重建场地(图1)，其中，岷县永光、岷县永星取样场地位于岷县梅川镇东南部的黄土梁峁区；岷县王家沟场地位于岷县清水乡东部的黄土梁峁区，场地西侧有冲沟分布；漳县马泉场地位于漳县马泉乡黄土梁间沟谷地带；临洮靳家泉场地位于临洮县南屏镇洮河北岸的Ⅱ级阶地前缘；陇西南十里铺场地位于陇西县菜子镇菜子河Ⅲ级阶地上；渭源五竹场地位于渭源县五竹镇渭河Ⅱ级阶地上；康乐下乍场地位于康乐县莲麓镇洮河西岸山间沟谷地带，大山沟沟前冲洪积扇上。

图1 取样点分布简图Fig.1 Distribution of the sampling sites

研究中所取的土样均为在各场地中未经扰动的区域开挖探井取备，所有试样均为原状Q3黄土试样，呈黄色或黄褐色，有肉眼可见的大孔隙，取样深度2.0～8.0 m。试验时试样的尺寸统一为Φ50 mm×100 mm，各组试样的基本物性参数和试验类型见表1。

表1 试验所用土样的主要物性参数Table 1 Basic physical parameters of the soil

1.2试验方法

静三轴试验采用CU试验方法，加载围压选取100，150，200 kPa。在各级围压作用下，对试样施加轴向压力进行剪切直至破坏，剪切速率均为0.6 mm/min。试验中选用主应力差(σ1c-σ3c)峰值为破坏点，对于应力强化型土，选用15%应变对应的主应力差值作为破坏点。

动弹性模量-阻尼比试验的固结压力模拟试样的天然应力状态，固结比K0为0.59。待固结稳定后，采用在一个试样上分级施加动荷载的方法向试样的轴向逐级由小到大施加动应力，每级动应力下振动10次，共施加8～10级动应力。试验在固结不排水条件下进行，试验过程中固结压力保持不变。模拟地震荷载选用频率为1 Hz的正弦波。

震陷试验的固结条件模拟地基土在有附加荷载下的应力状态，即：σ1c=200 kPa，σ3c=118 kPa。在该固结压力下，对试样进行固结，待固结变形稳定后，对试样施加轴向动荷载，测定振动后试样的残余变形。每组试验选用4～5个物性参数相近的试样在相同的固结条件下，分别施加不同幅值、频率为1 Hz的等幅正弦荷载，记录荷载作用下土的动应力、动应变变化曲线。

动三轴液化试验分饱和、固结和循环剪切3个步骤。采用WF-12440自带的反压系统对试样进行饱和，试样的固结压力按实际地层的压力进行选取，固结比Kc=1.0。循环剪切时动荷载选用频率为1 Hz的等幅正弦荷载。试样的液化破坏标准选用应变标准，即动应变εd=3%，且动孔隙水压力系数Ud/σ0>0.2。试验中记录循环荷载作用下土的动应力、动应变和动孔隙水压力演化时程曲线。

1.3试验结果

根据静三轴试验结果绘制应力莫尔圆并确定其强度包线，从而求得抗剪强度指标C、φ值(表2)。试验分析结果见图2～5。不同振动破坏次数对应的液化应力比见表3。

图2 极震区(永星村)黄土的(σ1c-σ3c)-ε关系曲线Fig.2 Curves of (σ1c-σ3c)-ε of loess at Yongxing county

图3 极震区(永光村)黄土的σd-εd关系曲线Fig.3 Curves of σd-εd of loess in the meizoseismal region at Yongguang county

图4 不同灾后重建场地的震陷曲线Fig.4 Seismic subsidence curve of loess at different sites

图5 动三轴液化试验结果Fig.5 Results of the dynamic triaxial test

土样编号试验方法围压σ3/kPa破损时轴压φ1/kPa抗剪强度C/kPaφ/(°)1002953MX⁃2150383745615820047011003480MX⁃3CU150449933124320058621003004KL⁃115042471522562005525

表3 不同振动破坏次数下的液化应力比Table 3 Liquefaction stress ratio under differentcyclic number of vibration failure

2 试验结果分析

2.1极震区黄土的动、静力学特性

根据图2、图3可知，岷县漳县地震极震区黄土在静荷载和循环动荷载作用下的应力应变曲线均呈先急剧增长后缓慢增长的非线性增长特性。静荷载作用下，偏应力(σ1c-σ3c)随着轴向应变的线性增加持续增大，呈现出明显的应力硬化特征，这是由于极震区黄土结构松散，静力作用下土体内部孔隙的压缩使得其结构强度持续增大；当轴向应变达到15%左右时，偏应力的增长趋于平缓。循环动荷载作用下当动应力幅值小于8 kPa时，动应变随着动应力的增加呈近线性增大，但当动应力超过8 kPa时，动应变随动应力的增加呈非线性急剧增大。

根据动弹性模量-阻尼比试验结果计算每级循环荷载下极震区黄土的动剪切模量G和最大剪切模量G0，并通过计算参考应变γr，利用其与动剪切模量比G/G0之间的关系进行非线性拟合，绘制黄土的G/G0-γd关系曲线。根据滞回曲线法确定土的阻尼比，绘制不同振动频率的动荷载作用下极震区黄土的阻尼比(D)随动剪应变(γd)变化的曲线，如图6所示[8]。

图6 极震区黄土的G/G0-γd和D-γd关系曲线Fig.6 Curves of G/G0-γd and D-γd of loess in the meizoseismal region

由图6可知，循环动荷载作用下极震区黄土的动剪切模量比随着应变的增大而衰减，γd达到0.005%后，随着γd的继续增大，G/G0衰减加剧，当γd达到0.5%后G/G0的衰减趋于平缓，但此时动剪切模量仅为初始动剪切模量的7.6%，说明循环动荷载作用下随着动剪应变的增加，土的刚度显著减小，土体抵抗变形的能力明显减弱。而土的阻尼表征了动荷载作用下土的粘滞特性，极震区黄土的阻尼比D随动剪应变γd的增大而增大，其增长过程随着γd的增大呈急剧增加，在γd达到0.05%后趋于平稳的特点。表明循环动荷载作用下土体的粘滞性逐渐增强，使之更易软化，从而导致土体抵抗变形的能力显著减弱。结合岷县漳县Ms6.6地震现场调查结果，震前长期持续降水使得极震区黄土的天然含水率升高，土体物性参数的变化使其具有刚度随循环动荷载迅速衰减和粘滞性急剧增强的特征，从而在极震区造成了较为严重的黄土地震地质灾害。

2.2地震影响区潜在黄土地震灾害预测

运用ABAQUS软件分别对MX-2、MX-3和KL-1场地斜坡建模，通过调整折减系数对斜坡的静力稳定性进行分析，求得斜坡的静力稳定性安全系数Fs。为了考虑斜坡在动力作用下的稳定性，通过采用在模型底部输入水平向地震波的方法，计算了地震作用下边坡的稳定性安全系数Fsd[9～10]。计算时输入的地震波波形选用岷县漳县地震N-S分量，PGA分别按照场地所处的烈度区选取，计算参数及结果如表4所示。

表4 边坡稳定性计算结果Table 4 Calculated results of the loess slope stability

根据表4可知，无地震作用时，尽管震前连续降水使得地震影响区内黄土的物理力学性质有所改变，然而位于极震区的MX-2场地、Ⅶ度区的MX-3场地和Ⅵ度区KL-1的斜坡稳定系数Fs分别为1.216，1.012，4.204，除MX-3场地的斜坡由于弹性模量较小、坡度较大处于不稳定的临界状态外，其余场地的斜坡均稳定。而在考虑地震作用的情况下，MX-2场地的斜坡稳定系数Fsd为0.854，MX-3场地的斜坡稳定系数Fsd为0.623，斜坡均会失稳；KL-1斜坡由于计算时考虑的地震动峰值加速度较低，且坡度较缓，尽管斜坡稳定系数Fsd减小为3.395，但斜坡仍非常稳定，不存在失稳破坏的可能。

通过动三轴试验得到的震陷曲线，按照分层总和法及《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[11]给出的不同烈度地震对应的设计基本地震加速度值对各灾后重建场地的震陷量进行预测，并依据计算所得的最大震陷量对不同烈度下场地的震陷性进行评价[12]，结果如图7、表5所示。

图7 不同灾后重建场地的震陷量预测结果Fig.7 Calculate results of the seismic subsidence at different sites

场地编号计算深度/m最大震陷量/cm场地震陷性评价Ⅶ度Ⅷ度Ⅸ度Ⅶ度Ⅷ度Ⅸ度MX⁃12001659704990基本完好严重破坏失稳破坏LT⁃11000352051200基本完好轻微破坏严重破坏LX⁃11201024021698基本完好中等破坏严重破坏WY⁃150005013028基本完好基本完好基本完好ZX⁃11161643601670基本完好轻微破坏严重破坏

由图7和表5可知，在目前含水率状态下，各场地在Ⅶ度地震作用下基本不存在地基震陷问题。在Ⅷ度地震作用下，MX-1场地将产生严重破坏的震陷灾害，ZX-1场地将产生中等破坏的震陷灾害，LT-1和LX-1场地将产生轻微破坏的震陷灾害，而WY-1场地基本不存在地基震陷问题；Ⅸ度地震作用下，MX-1场地地基将产生严重—失稳破坏的震陷灾害，ZX-1、LT-1和LX-1场地将产生严重破坏的震陷灾害，而WY-1场地震陷量仍然较小，无产生明显震陷灾害的可能。此外，由于黄土的震陷性与湿度变化有密切关系，如果各场地因连续降雨或生活用水管理不当使黄土湿度增大时，在地震烈度Ⅶ度的作用下除WY-1场地外，其他场地都可能产生轻微破坏的震陷灾害。

根据表3，依据Seed-Idriss简化判别法(公式(1)、(2))判别永光村黄土的潜在液化势[13]，结果如表6所示。

(1)

(2)

式中：τ——黄土层在天然埋藏状态下的抗液化强度；

Cr——修正系数；

σd——动应力；

σ0′——有效侧向应力；

σv′——有效自重应力；

τe——地震作用下平均剪应力；

k——应力折减系数；

amax——地震峰值加速度；

γ——计算土层深度ds以上的上覆土层天然重度；

g——重力加速度。

根据表6可知，极震区永光村场地的黄土在烈度为Ⅶ度的地震作用下不产生液化，无需考虑地震液化风险；Ⅷ度和Ⅸ度地震作用下均会产生液化，从而导致山体液化滑坡、泥流以及建构筑物地基失稳和不均匀沉降等地震灾害。

表6 岷县永光村黄土的液化势判别结果Table 6 Liquefaction evaluation results

3 讨论

岷县漳县地震影响区地处西秦岭山地与黄土高原梁峁沟壑区的过渡地带，山大沟深，极震区及其北部、东北部的黄土覆盖层普遍较厚，地质环境支离破碎，具有特殊的地质灾害孕育条件，地震作用下发生次生地质灾害的风险尤为突出。受到地质环境的制约，岷县漳县地震灾后重建安置场地多位于山顶、山腰或山间沟谷地带，使得灾后重建安置点面临较为严重的黄土斜坡失稳、震陷和液化等震害风险。同时，山坡弧凸地带的地震动放大效应和边坡效应在一定程度上使安置点潜在震害危险性加剧。因此，灾后重建安置点选址和重建工作中，应对灾后重建安置点周围斜坡进行静力和动力稳定性分析，并按照规范要求与周围斜坡保持适当的安全距离；黄土覆盖较厚地区的场地应按照规范进行震陷性与液化势评价，对于可能产生震陷和液化灾害的场地应按要求进行地基抗震陷与抗液化处理。此外，对于周边有山泉出露、土体天然含水率较高的场地，地震作用下黄土的液化问题及其可能导致的灾害防治方法需在安置点建设中予以重点考虑。

4 结论

(1)岷县漳县地震极震区黄土在动、静荷载作用下的应力-应变曲线均呈现显著的非线性增长特性，其在循环动荷载作用下具有刚度迅速衰减和粘滞性急剧增强的特征。

(2)MX-2和MX-3重建场地的斜坡在大于Ⅶ度地震作用下均存在失稳的可能；KL-1的斜坡由于刚度较大、坡度较小，在地震作用下不存在失稳的可能。

(3)各重建场地的黄土地基在Ⅶ度地震作用下不存在地基震陷问题；Ⅷ度以上地震作用下，MX-1、ZX-1、LT-1和LX-1场地存在产生不同破坏等级震陷灾害的风险，WY-1场地无产生明显震陷灾害的可能。

(4)永光村场地的黄土在Ⅶ度地震作用下不产生液化；Ⅷ度以上地震作用下均会产生液化，存在导致山体液化滑坡、泥流以及建构筑物地基失稳和不均匀沉降等地震灾害的风险。

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责任编辑：汪美华

PredictionofloessearthquakegeologicaldisastersinthereconstructionsitesaftertheMinxian-ZhangxianMs6.6earthquake

WANG Qian1, 2, 3, WANG Lanmin1, 2, 3, WANG Jun2, 3,GUO Peng3, LIU Hongmei2, 3, LU Yuxia2, 3, HOU Pengbo4

(1.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,LanzhouUniversity,Lanzhou，Gansu730000,China; 2.KeyLaboratoryofLoessEarthquakeEngineering,CEA,Lanzhou，Gansu730000,China; 3.LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou，Gansu730000,China; 4.EnergyChinaGSEPDI,Lanzhou，Gansu730000,China)

Based on the static and dynamic triaxial tests of loess specimen taken from 8 sites of Post-earthquake disaster reconstruction after the 2013 Minxian-ZhangxianMs6.6 Earthquake, the dynamic and static characteristics of loess in two reconstruction sites located in the meizoseismal region were analyzed in this paper. The stability of loess slope in 3 reconstruction sites and seismic subsidence properties of the loess in 5 sites in the earthquake affected areas were discussed. The potential loess geological disasters caused by the earthquake in the reconstruction areas were predicted with the combination of the geomorphological characteristics of settlements. The results indicate that the loess in the meizoseismal region is characterized by stress intensification under static loading. However, the rigidity can decay rapidly and the glutinousness can increase sharply under the cyclic loading. The slope in reconstruction sites MX-2 and MX-3 may be instabile under the effect of the earthquake. The reconstruction sites of MX-1, ZX-1, LT-1 and LX-1 have the risk of generating seismic subsidence disasters in different levels when the seismic intensity is greater than 8 degree. In addition, the loess in the MX-1 site can be liquefied when the seismic intensity is greater than 8 degree, and has the risk of inducing earthquake disasters such as landslides caused by liquefaction, mudflow, foundation failure and differential settlement.

Minxian-Zhangxian earthquake; loess subsidence; loess liquefaction; residual deformation behaviors; disaster prediction

TU435

A

1000-3665(2017)05-0137-06

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.21

2016-09-22;

2017-02-10

地震科技星火计划项目(XH16038Y)；国家自然科学基金项目(51408567，51478444)；甘肃省地震局地震科技发展基金项目(2015M01)；甘肃省科技计划项目(1308RJZA153)

王谦(1985-)，博士研究生，助理研究员，主要从事岩土动力特性理论及试验工作。E-mail：wangq0930@126.com