CRUSTAL STRESS AND OIL AND GAS MIGRATION

0.   引言

1920年宁夏海原大地震(Ms8.5)诱发了大量黄土滑坡，多表现为低角度、长滑距、流态化的运动特征，甚至出现大范围近水平侧向流滑的现象，破坏性非常强烈^[1~3]，该类滑坡特殊的形成机制曾引起学术界的广泛关注和研究兴趣，石碑塬滑坡是其中的典型代表。白铭学、王家鼎等^[4~5]最早对该类滑坡破坏特征及成因机制进行了研究，认为强震触发黄土层液化并进一步导致了斜坡低角度长距离滑移，由于研究条件的限制，其研究主要建立在现场调查与分析的基础上，缺少室内试验验证；随后王兰民^[6~8]、袁中夏^[9]等开展了黄土动力液化特性研究，验证了在一定条件下饱和黄土层具有明显的液化特性，对于黄土初始液化评判标准进行了探讨，并取得丰硕的研究成果，为黄土液化特性研究提供了坚实的理论基础和丰富的实践经验，然而未进一步考虑黄土初始液化后的强度与变形发展规律。事实上，初始液化并不一定会导致大变形的发生，动荷载停止后超孔隙水压力会不会立即随之消散？土体应力应变关系如何进一步发展？这才是地震液化后是否产生大变形的关键所在。在这方面，杨振茂^[10]等通过应力控制固结不排水三轴试验，对取自兰州某场地的马兰黄土进行了振动液化试验，提出了饱和黄土流滑破坏的产生条件和利用稳态强度判断饱和黄土能否产生液化流滑的方法。即便在静力作用下，液化诱发的长距离流滑现象也同样引起学者关注，研究发现此类滑坡与国际土力学界新发现的“溃散性滑坡”极为吻合，具体表现为在失稳破坏时表现出明显的孔隙水压力激增和静态液化现象，失稳后土体呈流体状远程运动，易造成灾难性后果^[11~12]。但由于三轴试验受到端部约束的影响，对于稳态强度测试存在一定的局限性，而借助大型环剪试验设备则可以弥补这方面的不足。为了深入揭示石碑塬滑坡低角度长距离流滑的形成机理，很有必要开展进一步的研究工作。

基于此，文章在对海原地震触发的石碑塬滑坡遗迹详细勘查的基础上，借助DPRI-5大型环剪仪展开石碑塬黄土液化后稳态变形特征研究，试验过程中考虑固结压力、饱和度和剪切速率等因素的影响，以进一步揭示不排水剪切过程中黄土孔压及应力应变发展规律，以及石碑塬黄土层液化后近水平侧向流滑的形成机理。

1.   强震触发黄土液化特征

石碑塬滑坡位于海原地震极震区东南部，地处宁夏回族自治区固原县原州区北部，距海原地震断裂带垂直距离90 km，地震烈度为Ⅹ度^[3]。石碑塬滑坡全貌如图 1a所示，整个滑坡堆积区呈现为波浪起伏、峰谷相间的地貌形态，绵延数里，蔚为壮观，具有明显的流态化运动堆积特征(见图 1b)。滑坡主滑方向270°，顺坡长约1.2 km，横坡宽约2.2 km，影响范围约2.64 km²，整个滑体厚10~20 m，方量达3700×104 m³，其工程地质平面图如图 2所示。

图  1  石碑塬滑坡全貌

a—石碑塬滑坡全貌；b—液化形成的波浪起伏状堆积地貌

Figure  1.  The picture of the Shibeiyuan landslide

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图  2  石碑塬滑坡工程地质平面图

1—房屋；2—道路；3—沟道；4—剖面线；5—钻孔及编号；6—探井及编号；7—泉；8—地层界限；9—滑坡区边界; 10—滑源区边界；11—推测滑坡剪出口；12—被滑坡掩埋的沟道；13—马兰黄土；14—第四系全新统冲洪积层；15—滑坡堆积层

Figure  2.  Engineering geological map of the Shibeiyuan landslide

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滑坡区内海拔1510~1710 m，相对高差50~100 m，地形平缓，整体坡度为3°~5°，局部坡度仅7°~10°。滑坡区地下水主要来自大气降水，地下水位深度一般为8~20 m。区内出露的地层自上而下依次为晚更新世马兰黄土和中更新世离石黄土，中间夹多层古土壤，无基岩出露。现场调查结果揭示液化带位于地下水位线附近的马兰黄土层内，典型工程地质剖面如图 3所示^[13]。

图  3  石碑塬滑坡工程地质纵剖面图(Ⅱ-Ⅱ')

Figure  3.  Engineering geological longitudinal section of the shibeiyuan landslide

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2.   黄土液化特性及稳态强度

对于黄土液化的分析，不能只停留在初始液化，而应该同时关注其液化后超孔隙水压力消散、应力应变发展及最终稳态强度的研究，静力液化环剪试验则是最为有效的研究手段之一。稳态是指在大变形条件下，当连续剪切时孔隙水压力、抗剪强度及变形速率保持不变的恒定状态，稳态强度则是土体在稳态变形下的强度，它不受前期加载方式和应力路径的影响，稳态强度对土体在地震中和地震后的稳定性与永久变形起到决定性作用^[14~15]。

2.1   试验样品

试验样品取自滑坡后壁的马兰黄土层，取样位置如图 3所示。黄土样品基本物性指标如表 1。

表  1  试验黄土的基本物性指标

Table  1.  The basic physical parameters of the test loess

取样深度/m	土的天然状态物性指标			塑性指数Ip	粒度组成/%
	天然密度ρ/(g·cm-3)	含水率ω/%	孔隙比e0		粘粒＜0.005/mm	粉粒0.005~0.075/mm	砂粒0.075~2.0/mm
14.10	1.47	5.30	1.02	4.56	8.52	78.64	12.84

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2.2   试验仪器和试验方法

采用日本京都大学的DPRI-5大型环剪试验机，试验样品外径180 mm，内径120 mm，高度38.3 mm，剪切面积141.37 mm²。按照B_D值的不同控制三种饱和度，分别为0.56、0.83和1。试样饱和后进行等压固结，固结压力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa，所有样品固结后孔隙比保持一致。固结后按照0.1 mm/s的速率进行剪切，直至达到稳态(剪切位移达到10 cm)^[16~17]，剪切过程中监测其应力、应变与孔压的变化；在同一固结应力下，研究固结压力、饱和度与剪切速率对稳态强度的影响。对于黄土液化，按照王兰民提出的两个判别标准(满足以下任一标准即可判为液化)：①孔压比≥0.7；②累积应变≥3%，且孔压比≥0.2^[18]。

2.3   黄土稳态强度及其影响因素

环剪试验中不同正应力作用下饱和黄土的应力—应变—孔压关系曲线如图 4所示。从图中可以看出，不同固结压力下饱和黄土应力—应变关系曲线呈弱软化型，在变形初始阶段，应力上升速率较快，但其上升速率和上升幅度有所不同，达到峰值后应力有所下降，最后趋于稳态。

图  4  不同正应力下环剪试验时程曲线

Figure  4.  Time-history curves of the ring shear test under different normal stress

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试验黄土应力路径关系曲线如图 5所示，试样在各级压力下进行剪切，最终均达到了稳态，其破坏包络线如图 6所示，可见强度参数值较低，峰值状态黄土粘聚力为15.18 kPa，摩擦角为15.06°，而稳态粘聚力为0 kPa，摩擦角为14.85°(原始试验数据拟合后粘聚力为-0.65 kPa，为拟合带来的误差)。进一步从以下三个方面分析稳态强度的影响因素。

图  5  环剪试验的应力路径关系曲线

Figure  5.  Stress path curves under different initial strains of the ring shear test

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图  6  环剪试验的黄土峰值强度和稳态强度

Figure  6.  Losses peak strength and steady state strength of the ring shear test

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(1) 固结压力对黄土稳态强度的影响

固结压力对孔隙水压力影响较大(见图 4-图 6)，在100 kPa固结压力下，孔压很快达到80 kPa以上，随着固结压力增大，孔压响应程度减弱，在300 kPa固结压力下，孔压响应较慢，且极限值不超过60 kPa，可见上覆土层厚度对黄土孔压发展有一定的影响，即上覆土层越厚，正应力越大，越不容易液化。因此，在不排水剪切条件下，由于孔压持续增高，有效应力降低，饱和黄土剪应力很快达到强度峰值而发生破坏，峰值点后，随着剪应变增加，剪应力不断降低，最后趋于极低的稳态强度，有利于大变形的持续发展。

(2) 饱和度对黄土稳态强度的影响

在固结压力恒定的条件下，分析饱和度对稳态强度的影响。由于黄土本身性状及DPRI-5设备构造原因，在低围压时控制不稳定，高围压又易于漏水，如100 kpa围压下，应力引起颗粒之间调整，导致数据波动幅度较大；300 kpa围压下易漏水，难以实现完全不排水剪切。经多次试验发现，在200 kpa围压下试验控制最稳定、精度最高，因此确定试验固结压力为200 kpa。考虑到饱和度对黄土液化程度的影响，将B_D值分别设置为0.56、0.83和1，各试样剪切时程曲线如图 7所示，可见饱和度对黄土强度影响明显，随着饱和度提高，无论是峰值强度还是稳态强度，其值均明显降低。

图  7  不同饱和度黄土环剪试验时程曲线

Figure  7.  Time-history curves of the losses ring shear test under different saturabilities

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对剪切过程中的孔隙水压力进行监测，孔压时程曲线如图 8所示，可以看出，对于完全饱和的试样，在剪切初始阶段，孔压几乎以直线速度快速上升，在50 s时孔压比(孔压/初始固结压力)就达到了0.6，随后增长速度相对减缓，在200 s左右达到0.7，之后很快趋于平稳；当B_D值为0.56时，其孔压增长缓慢，在剪切开始后1000 s，孔压比才达到0.28，表明在非饱和的情况下，无论是孔压的增长速度，还是最终达到的极限值，均随着饱和度的降低而明显降低。可见初始饱和度越高，孔压响应越明显，孔压比越高，稳态强度也就越低。

图  8  不同饱和度黄土的孔压时程曲线

Figure  8.  Time-history curves of losses pore pressure of different saturabilities

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分析以上试验数据，将峰值强度和稳态强度整理如图 9所示。可见，其峰值强度和稳态强度均随着饱和度的提高而大大将低。

图  9  不同饱和度黄土的峰值强度和稳态强度

Figure  9.  Losses peak strength and steady state strength under different saturabilities

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(3) 加载速率对黄土稳态强度的影响

为了研究剪切速率对黄土抗剪强度的影响，在同一级固结压力下(200 kPa)，对黄土样品进行了不同速率的剪切试验，试验结果如图 10。对不同剪切速率下黄土的稳态强度进行对比，发现剪切速率对黄土的稳态抗剪强度有一定程度的影响：当剪切速率在0.001~0.1 mm/s范围之间，其影响程度较小；当剪切速率介于0.1~1.0 mm/s时，剪切速率对土体的抗剪强度影响较大，具体表现为随着剪切速率的提高，抗剪强度有不同程度的降低，当剪切速率大于10 mm/s时，随着剪切速率的增大，剪切强度的变化趋于平稳。但对于不同饱和程度的黄土样品，反映出不同的性能，总体上看来，饱和度越高，剪切速率使黄土抗剪强度降低程度越明显，干燥状态下其变化不甚明显。据此可以分析，海原8.5级强震足以提供较快的初始剪切速率，使得高饱和度、高孔隙比的马兰黄土层震动液化后达到极低的稳态强度，在低水平驱动力或自重作用下即可导致近水平侧向扩展流滑破坏。

图  10  剪切速率与抗剪强度关系曲线

Figure  10.  Relation curves between shear rate and shear strength

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3.   结论

结合现场勘查及日本京都大学先进的试验平台，对液化黄土稳态强度及其影响因素进行了试验研究，可以揭示液化土体侧向扩展流滑的致灾机理。总结研究成果，可以得出以下结论：

(1) 石碑塬滑坡是1920年海原大地震触发的大型黄土液化型滑坡，滑坡具有低角度、长滑距、流态化的运动特征。

(2) 通过大型环剪试验揭示石碑塬黄土破坏后稳态强度及变形特征，不排水条件下黄土饱和度、上覆土层厚度对黄土稳态强度的影响较大。在不排水条件下，上覆土层厚度越大，其孔压响应越慢，稳态强度越高；试验黄土的饱和度越高，相应的稳态强度越低。

(3) 剪切速率对稳态强度有一定程度的弱化作用，当剪切速率＜1.0 mm/s时，其影响较小；当剪切速率介于0.1~1.0 mm/s时，随着剪切速率的提高，稳态强度有不同程度的降低；当剪切速率大于1.0 mm/s时，随着剪切速率的增大，影响程度降低，稳态强度趋于恒定，但对于不同饱和程度的黄土样品，反映出不同的性能。总体上看来，饱和度越高，剪切速率对黄土抗剪强度的弱化越明显。

(4) 试验揭示石碑塬饱和黄土层具有极低的稳态强度，在低水平驱动剪应力或自重作用下即可产生近水平侧向扩展流滑破坏。