分类号 P5 密级 公开 编号 854032016390

中国地震局兰州地震研究所硕士学位论文

黄土震陷振动台试验及地基

抗震陷处理评价研究

硕士研究生__ _____________许书雅___ ___________ ___

指 导 教 师 王 平 副研究员 中国地震局兰州地震研究所

申请学位级别 理学硕士 学科专业名称 构造地质学

研 究 方 向 岩土地震工程

论文提交日期 2019.04.08 论文答辩日期 2019.06.01

培 养 单 位 中国地震局兰州地震研究所

学位授予单位 中国地震局兰州地震研究所

分类号 P5 密级 公开 编号 854032016390

中国地震局兰州地震研究所硕士学位论文Thesis for Master’s Degree of Lanzhou Institute of Seismology

黄土震陷振动台试验及地基

抗震陷处理评价研究

Shaking table test of seismic subsidence loess site andevaluation of anti-seismic subsidence treatment of

loess foundation

硕士研究生： _______________许书雅____ ______ ____ _ _

Master: Shuya Xu

指 导 教 师 ： 王 平 中国地震局兰州地震研究所

Supervisor: Ping Wang Lanzhou Institute of Seismology

申请学位级别： 理学硕士 学科专业名称： 构造地质

Degree: Master of Science Specialization: Tectonics

研 究 方 向 : 岩土地震工程

Field of study: Geotechnical Earthquake Engineering

论文提交日期： 2019.04 论文答辩日期： 2019.06

Date of Defense: 2019.04

培 养 单 位 : 中国地震局兰州地震研究所

Submitted to: Lanzhou Institute of Seismology ，CEA

中国地震局兰州地震研究所学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行

研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其

他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的

个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律结

果由本人承担。

学位论文作者签名： 日期： 2019 年 6月 18 日

关于论文使用授权的说明

学位论文作者在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属中国地震

局兰州地震研究所。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印

件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部

门内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文（保

密的学位论文在解密后遵守此规定）。任何时候，学位论文作者凡发表与学

位论文研究内容相关的期刊论文或论著，第一完成单位必须标注中国地震局

兰州地震研究所。

本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。

本人签名： 日期： 2019 年 6月 18日

导师签名： 日期： 2019 年 6月 18 日

目录

目 录摘 要.............................................................................................................................. 1

Abstract......................................................................................................................... 4

第一章 绪论.................................................................................................................. 1

1.1研究背景和意义............................................................................................... 1

1.2 国内外研究现状.............................................................................................. 3

1.2.1 黄土震陷................................................................................................ 3

1.2.2 震陷性黄土改良方法............................................................................ 5

1.2.3 振动台试验在黄土动力特性研究中的应用........................................ 8

1.3 本文的主要研究内容、方法及技术路线...................................................... 8

1.3.1 主要研究内容........................................................................................ 9

1.3.2研究思路................................................................................................. 9

第二章 场地现场调查及抗震陷处理措施分析........................................................11

2.1 典型历史地震震陷场地实例........................................................................ 11

2.1.1疙瘩沟................................................................................................... 13

2.1.2 渭南鼓楼遗址...................................................................................... 13

2.1.3 党家岔震陷型滑坡.............................................................................. 14

2.2 研究区域自然地理及地质特征.................................................................... 15

2.2.1 地理位置.............................................................................................. 15

2.2.2 地层岩性.............................................................................................. 16

2.2.3 土体动、静力学性质.......................................................................... 17

2.3处理措施概述................................................................................................. 19

2.2.1 强夯法.................................................................................................. 19

2.2.2 水泥土法.............................................................................................. 20

2.2.3 粉煤灰法.............................................................................................. 21

2.2.4 物理-化学复合处理方法.....................................................................21

2.4 小结................................................................................................................ 22

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验..................................................................23

3.1原状及改良黄土残余变形特性..................................................................... 23

3.1.1 动三轴震陷试验方案.......................................................................... 23

3.1.2 震陷试验结果分析.............................................................................. 26

3.1.3 震陷性预测与改良效果评价实例...................................................... 30

3.2电镜扫描试验................................................................................................. 33

3.2.1微结构试验方案................................................................................... 34

3.2.2 震陷试验前试样显微结构特征.......................................................... 36

3.2.3震陷试验后试样显微结构特征........................................................... 40

3.3 小结................................................................................................................ 44

第四章 原状及改良黄土地基震陷振动台试验........................................................45

4.1 试验设备........................................................................................................ 45

4.1.1 振动台.................................................................................................. 46

4.1.2 模型箱设计.......................................................................................... 46

4.2 试验材料与模型制备.................................................................................... 48

4.2.1 模型相似关系确定.............................................................................. 48

4.2.2 原状模型土制备.................................................................................. 49

4.2.3改良地基模型土制备........................................................................... 51

4.2.4 传感器布置.......................................................................................... 52

4.2.5 地震波特性.......................................................................................... 56

4.3 小结................................................................................................................ 58

第五章 振动台模型试验结果综合分析....................................................................60

5.1 模型变形破坏特征分析................................................................................ 60

5.1.1 原状模型.............................................................................................. 61

5.1.2 化学改性模型...................................................................................... 62

5.1.3 物理-化学复合加固模型.....................................................................52

5.2加速度响应特征............................................................................................. 63

5.3 沉降量综合分析............................................................................................ 68

5.3.1 震陷变形发展规律.............................................................................. 68

5.3.2 侧向变形发展规律.............................................................................. 69

5.3.3 原状黄土模型震陷变形预测.............................................................. 72

目录

5.4 小结................................................................................................................ 75

第六章 原状及改良地基震陷的数值模拟................................................................76

6.1动力计算基本原理......................................................................................... 76

6.2黄土场地地基模型建立................................................................................. 77

6.3 初始应力计算................................................................................................ 78

6.4 动力计算结果分析........................................................................................ 80

6.5小结................................................................................................................. 88

第七章 结论和展望....................................................................................................88

7.1主要结论......................................................................................................... 88

7.2 研究展望........................................................................................................ 89

参考文献...................................................................................................................... 91

致 谢.......................................................................................................................... 96

作者简介...................................................................................................................... 97

摘要

I

摘 要

黄土地区抗震设防标准长期偏低，尽管在实际工程中对于湿陷、液化等问题

进行相应设计处理，但往往忽略了黄土在低含水率条件下发生的震陷，加之地震

来临时，滑坡、液化、地震动放大效应等产生破坏现象对其覆盖严重，在现场调

查中难以区分和提取震陷数据，使得现有震陷研究多基于室内三轴试验，缺乏大

型物理模拟，进而阻碍着实际工程中对震陷型场地地基的有效处理与评价研究。

因此，亟需针对震陷型场地地基及相应的改良复合地基进行科学实验，系统评价

相应的改良效果，为不同等级黄土场地地基的抗震陷问题提供合理方法。针对以

上研究不足，本文主要采用振动台试验的方法，辅以现场调查、室内试验和数值

模拟进行验证，对西北地区典型低含水率黄土的震陷问题进行了研究，并分析了

几类常用的地基处理方法对震陷灾害的有效性。本文的主要结论如下：

（1）对研究区域原状土样进行室内震陷试验。结果表明：土样在含水率偏

低，其他物理力学参数与所在区域平均水平相近的情况下具有很高的震陷性，Ⅶ

度地震即能对场地造成严重破坏。分别选取 3类（共 5种）抗震陷处理方法：物

理改良（强夯）、化学改性（分别添加水泥和粉煤灰）以及物理化学复合改良（强

夯-水泥复合、强夯-粉煤灰复合），以室内试验为手段开展试样残余变形分析，

通过震陷系数预测 20m厚场地的震陷量：当加载地震荷载烈度相当于Ⅶ时，除

了添加粉煤灰的方法外，其他四种方法产生的震陷量均在 4.00cm以下，可认为

消除了震陷；当加载烈度相当于Ⅷ 度时，化学改性中的水泥法以及两种复合改

良方法—强夯-粉煤灰法、强夯-水泥土法仍将产生的震陷量限制在 7.00 cm以下，

而物理改良--强夯法抗震陷效果开始显现出其不足；当罕遇地震发生，强夯-水泥

土法下震陷量仍小于 7.00cm，换言之，该方法在强震下也可完全消除震陷性。

（2）从微结构角度解释该场地土样的震陷机理，从微观层面揭示施加的 5

种物理、化学以及复合地基改良方法对于震陷性的作用机制与改良效果。结果表

明：强夯作用对抗震陷性能的提升是从两个方面进行的，一方面压实作用使得大

的疏松集粒破裂，中小粒径的颗粒增多，颗粒级配更好，另一方面大中孔隙尤其

II

是架空孔隙得到完全消除；化学改良方法虽然对土样微小孔隙数量上有较大提

升，但土体总孔隙面积变化不大，其残余应变的减小主要源自于化学作用产生的

物质颗粒间的胶结作用和对集粒本身的粘结

（3）采用野外挖取大型原状黄土试块代替分层填夯的室内制作方法；设计

并制作覆盖 XYZ 三面的土体应力施加装置，还原真实场地的土层应力。开展大型

原状黄土试块以及相应抗震陷改良方法下的振动台试验共 4组。采用大型物理模

拟再现了强震作用下原状黄土试块的震陷灾变过程，揭示了强震荷载作用下震陷

性原状黄土的动力特性，给出其应力-应变关系，据此计算并预测了原始场地震

陷量，证实用振动台进行原状黄土震陷试验的可行性，其结果矫正了室内试验结

果偏大的现象，且震陷量随不同波形的输入变化很大。同时，比较了原状模型与

3类震陷消除措施改良后模型的加速度、沉降、侧向变形等数据，进一步评价这

些改良方法的震陷防治效果。

（4）利用 MIDAS GTS NX 软件进行了数值仿真计算，结果表明：在为期 10h

的固结后，原状与两类改良模型的竖向应力云图和位移云图均呈层状分布，最大

竖向应力位于模型底部，沉降量则由两端向中部越来越大，原状模型的沉降量最

大，改良模型均很小或可忽略不计。动力计算结果表明：模型沉降量趋势与室内

外试验均一致，即随高程的升高而逐渐增加且最大沉降量位于模型顶部，且出现

了不均匀沉降现象，沉降量在顶部表现为由四周向中部逐渐增大。当烈度为Ⅶ度

时，模型最大竖向沉降量分别为原状模型 25.18cm、粉煤灰模型 9.94cm、水泥模

型不足 1cm。该结果比室内试验偏小许多，这也进一步证实了振动台试验对室内

偏保守的震陷量估测结果有矫正作用。对各模型沿 Z方向加速度变化趋势进行分

析，PGA放大系数分别为：原状模型 2.30，粉煤灰模型 1.50，水泥模型为 1.00

左右。且无论原状还是改良模型对地震动均具有放大效应，数值模拟结果显示水

泥对地基放大效应的改善最为显著。

长期以来震陷研究以室内试验为主，而原状黄土大试样振动台试验的完成较

之以往方法为震陷灾害研究的手段提供了新思路，继而为新型的抗震陷改良方法

在大型物理模拟方面的验证提供了可能。本文对同一场地同时采用了室内试验、

模型试验以及数值分析等方法进行评价，取得的成果对于震陷理论建立以及抗震

陷处理效果评价方面有所裨益，研究成果达到了震灾防御和减少地震损失的目

摘要

III

的，可为西北黄土地区的震陷防治提供参考和依据。

关键词：黄土，地基，震陷，振动台，抗震陷处理

Abstract

IV

Abstract

The seismic standards in the Loess Plateau have been low for a long time.

Despite the corresponding design and treatment for collapsibility and liquefaction in

practical projects, the seismic subsidence of loess under unsaturated conditions is

often neglected. When the earthquake comes, disasters like landslides, liquefaction

and magnification effect of ground motion arise a lot of phenomena which can easily

cover the phenomena of seismic subsidence, therefore It is difficult to distinguish and

extract seismic subsidence data in the field investigation. Then, the study of

improvement and treatment of seismic subsidence site foundation needs to be further

improved. In this paper, the seismic subsidence of loess with low water content in

Northwest China is studied by shaking table test, combining with field investigation,

laboratory test and numerical simulation, and the effectiveness of several common

ground treatment methods for seismic subsidence disaster is analyzed. The main

conclusions of this paper are as follows:

(1) Indoor seismic subsidence tests were carried out on soil samples in the study

area. The results show that the soil sample has high seismic subsidence coefficient

when the water content is low and other physical and mechanical parameters are

similar to the regional average level. The earthquake of Ⅶ intensity could cause

serious damage to the site. Three kinds of anti-seismic subsidence treatment methods

were selected, including physical improvement (dynamic compaction), chemical

modification (adding cement and fly ash) and physical-chemical improvement

(dynamic compaction-cement and dynamic compaction-fly ash). Residual

deformation analysis of samples was carried out by means of laboratory tests. The

results of relevant tests were compared and analyzed. Seismic subsidence of 20m

thickness is predicted by seismic subsidence coefficient: when the seismic intensity is

equal to Ⅶ, the seismic subsidence generated by improved methods is less than 4.00

cm except for the method of adding fly ash, which can be considered as eliminating

the seismic subsidence; when the seismic intensity is equal to Ⅷ degree, the seismic

subsidence produced by dynamic compaction-fly ash method and dynamic

Abstract

V

compaction-cement-soil method remain below 7.00cm, while the seismic subsidence

effect of physical improvement-dynamic compaction method begin to show its

shortcomings; when the seismic intensity is equal to Ⅸ , the seismic subsidence of

dynamic compaction-cement-soil method is still less than 7.00 cm, in other words,

this method has completely eliminated the seismic subsidence of field.

(2) By means of electron microscope scanning, the seismic subsidence

mechanism of soil samples in this site is explained from the microstructure point of

view, and it is more important to reveal the mechanism and improvement effect of the

5 physical, chemical and composite Foundation improvement methods applied from

the microscopic level to the seismic subsidence, and to explore the influence of the

improved method on the microstructure of soil and its intrinsic relationship with the

seismic. Results show that:1) Physical improvement is the most effective way to

eliminate macropores and porous pore structures, moreover, the particle size

distribution and structure are also adjusted. 2) Chemical modification affects the

strength of loess from the aspects of particle contact and intergranular cementation,

moreover, the participation of different chemical reactions can produce unique glass

beads or flocculent fine structures, which can greatly reinforce the strength of loess

and play a role of filling, cementing or buffering role in strong earthquakes

respectively.

(3) In order to carry out the model test smoothly, the traditional vibration table

test method is partially improved or redesigned. Include: In order to maintain the

same overhead structure of the original soil, the indoor production method of large

undisturbed loess test block in the field is used instead of layered compaction, and the

soil stress application device covering three sides of XYZ is designed and made to

restore the soil layer stress in the real field.

(4) Shaking table tests of large undisturbed loess blocks and corresponding

seismic subsidence improvement methods were carried out in four groups.

Large-scale physical simulation is used to reproduce the catastrophic process of

seismic subsidence of undisturbed loess under strong earthquakes, which reveals the

dynamic characteristics of seismic subsidence loess site under strong earthquake loads,

and gives out the stress-strain relationships respectively, then calculates and predicts

the seismic subsidence of the original field, finally confirmed the feasibility of seismic

Abstract

VI

subsidence of undisturbed loess foundation with shaking table. The results corrected

the indoor test results which are too large. The value of seismic subsidence varies

greatly with the input of different waveforms. At the same time, the data of

acceleration, settlement and lateral deformation of the original model and three kinds

of seismic subsidence elimination measures are compared, and the seismic subsidence

prevention effect of these improved methods is further evaluated.

(5) According to the material ratio, physical and mechanical parameters of

models obtained from shaking table test and laboratory test, the numerical simulation

of MIDAS GTS NX is carried out. The results show that after 10 hours consolidation,

the vertical stress and displacement data of the models are expressed as layered

distribution. The maximum vertical stress is located at the bottom of the model, and

the settlement is increasing from both ends to the middle. The original model has the

largest settlement, and improved models are small or negligible. The dynamic

calculation results show that the settlement trend of the model is consistent with that

of indoor and outdoor tests. With the elevation rising, the settlement increases

gradually, and the maximum settlement is located at the top of the model, and there is

a phenomenon of non-uniform settlement, and the settlement increases gradually from

the four sides to the middle in the surface. When the intensity isⅦ, the maximum

vertical settlement of the model is 25.18 cm for the original model, 9.94 cm for the fly

ash model and less than 1 cm for the cement model. This result is much smaller than

that of the laboratory test, which further confirms that the shaking table test can

correct the conservative estimation results of seismic subsidence in the laboratory.

The magnification coefficients of these models are 2.30 for the original model, 1.50

for the fly ash model and 1.00 for the cement model. Moreover, both the original

model and the improved model have magnification effect on ground motion, and the

numerical simulation results show that the most significant elimination of the

magnification effect is the the method of cement on foundation .

For a long time, the study of seismic subsidence is mainly based on laboratory

tests, and the completion of shaking table tests for large undisturbed loess samples

provides a new way of thinking for seismic subsidence research than the previous

methods, and then provides a possibility for the verification of new seismic

subsidence improvement methods in large-scale physical simulation. In this paper,

Abstract

VII

indoor, model tests and numerical methods are used at the same site. The results

obtained are helpful for exploring the theory of seismic subsidence and evaluating the

effect of seismic subsidence treatment, achieving the purpose of earthquake disaster

prevention and reducing earthquake losses, and providing reference and basis for

earthquake subsidence prevention and control in the loess region of Northwest China.

Key words: Loess, Foundation, Seismic subsidence, Shaking tabletest, Anti-seismic subsidence method

第一章 绪论

1

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

西北地区的黄土具有独特的大孔隙、弱胶结的架空孔隙结构，这导致其具有

极高的地震敏感性与易损性。而其所在的黄土高原恰位于地震高烈度区，中强震

频发，使得该区域近几年来正大力修建的大型工程场地地基及高速公路、铁路路

基承受巨大的震陷灾害风险。据第五代中国地震动峰值加速度区划图统计，在黄

土高原区域，PGA≥0.2g的面积约占该区总面积的 26％，PGA≥0.15g的面积约占

54％。如图 1.1所示，历史记载以来，该区已发生 8级及 8级以上特大地震 7次，

7.0~7.9级以上地震 22次。

图 1.1 黄土高原地区地震动区划及黄土分布情况

历次地震除了诱发滑坡、液化和场地放大效应等地震次生灾害以外，其在人

口密集地区与工程建设场地造成的大面积的震陷、不均匀沉降，是地震中更容易

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

2

被忽略却严重破坏着公路、房屋建筑及重大工程场地地基的灾害，可造成人民生

命、财产严重损失。随着“一带一路”倡议的深入推进，黄土高原地区已成为我

国社会经济发展重心战略转移的重点区域，位于高烈度区的城市极其重大工程潜

在地震灾害风险极高，如郑-西客运专线，我国黄土地区的第一条高速铁路，穿

过大面积覆盖厚度超过 20~30m 的黄土区域；宝-兰客运专线，其穿越的部分地

区的黄土覆盖厚度超过 100m；福银高铁银西段，从西安北站引出，沿南绕城高

速及包兰铁路接入银川站，全段经过黄土厚覆盖区域；甘肃平凉至绵阳高速公路

天水至平凉段已获批在建，即将成为甘肃公路主骨架中的一条重要纵线；重大工

程建设如兰州第二水源占地共 449亩，均将建设在兰州高震陷性黄土场地彭家坪

和芦家坪地区，正在建设的关中-天水国家级经济区地处黄土高原腹地；同样在

建的兰州国际港务区面积 73平方公里，位于兰州市西固区；第五个国家级新区-

兰州新区以及延安新区均位于黄土高原的核心区域。区内已经建成或正在建设的

这些高速铁路、公路、航空枢纽、输油气管道、城市地铁和轨道交通、超高层建

筑等重大基础设施对建设场地地震安全提出了新的挑战和难题。目前，应用于上

述工程场地的改良方法以及改良黄土地基在强地震作用下的稳定性问题的研究

鲜有报道，如何建立强地震作用下震陷灾害效应评价体系也成为相关研究的难点

和迫切需要。同时，较之其他土类场地，黄土地区土层覆盖厚度巨大，因而其相

关的地基抗震陷处理技术更有待进一步研究与完善。

因此，在避让不可行的情况下，亟需按照相应的设防标准预测可能产生的震

陷灾害地基破坏程度，建立场地震陷灾害效应评价体系，进而提出并完善地基抗

震陷处理措施。本文着重考虑黄土自身多孔隙弱胶结架空结构的震动弱化特性，

结合现场调查，选取典型黄土场地获取原状大尺寸黄土试块，以模型试验为主要

手段，阐明强震作用下黄土地基的动力响应特性，揭示强震作用下黄土土体永久

剪切变形规律，研究其不均匀沉降特征及灾变过程；对不同的物理改良和化学改

性处理方法，分析地震荷载下不同改良、改性地基的动力响应特征，为黄土地区

“韧性城乡”和重点工程建设及抗震设计中不同地基的抗震陷处理给出合理化建

议，对于黄土工程场地地震安全性评价、建（构）筑物选址和抗震设防具有重要

的理论意义和实用价值。

第一章 绪论

3

1.2 国内外研究现状

黄土震陷是黄土地区场地震害的主要表现形式之一，其在动载荷作用下的稳

定性分析属于土动力学的研究范畴。在造成场地失稳的动荷载中地震荷载的危害

最大，破坏性最强。地震作用下黄土场地的稳定性问题十分复杂，它是多学科交

叉的科学问题。外因和内因的交织，使得黄土震陷动力学研究有待进一步完善，

强震作用下不同的抗震陷措施有效性需要进一步评价和甄别选用。本研究主要对

黄土震陷、震陷性黄土改良方法及新试验手段条件下（振动台试验）在黄土特性

研究中的应用等三个方面的研究进展进行理论资料收集分析，综述如下。

1.2.1 黄土震陷

黄土震陷是指在地震作用下，土体产生的附加沉陷，是黄土动力变形的典型

宏观表现形式，是对黄土场地竖向变形的描述（王兰民，2003）。黄土震陷这一

概念是在 1986 年的地震区工程地质问题国际研讨会（Proceedings of the

international symposium on engineering geology problems in seismic areas）上被正

式提出并被发表于会议论文集，这标志着黄土震陷问题研究的正式开启（Zhang

ZZ，1986）。地震考察发现，黄土高原历史上多次强震均不同程度地诱发了黄

土震陷、震陷型滑坡等地震地质灾害。1556年，陕西华县 8级地震，极震区的

渭南县产生大量沉降和地表酥裂现象，至今其市区内的鼓楼遗址仍然保留着地面

下沉达 1米多的痕迹；1718年，甘肃通渭 7.5级地震，引发严重黄土滑坡、震陷

灾害，历史有“平地裂陷”记载；1920年，甘肃海 8.5级地震，同样引起成群连片

的滑坡，约有 3000km2，遗憾的是，由于滑坡掩埋以及时间久远，未能保存震陷

遗迹；1970年，宁夏西吉 7级地震，很多震陷型滑坡和房屋地基开裂现象产生；

1995年，甘肃永登 5.8级地震，疙瘩沟黄土发生显著震陷现象（Zhang ZZ，1986），

这次地震震级虽未达到强震级别，但正由于震级弱未能引发较大型滑坡而使震陷

现象不至于被破坏，且地震距今时间间隔短且极震区人口极其稀少，因此至今仍

可见到遍布山体的地裂缝以及地面震酥、震裂的阶梯状沟壑。这些例子中取得的

佐证都说明了黄土地区震陷现象的存在。以震害现场的现场调查为基础，随后，

西北地区开始进行大量的黄土室内动力试验，其结果也证实黄土具有地震沉陷的

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

4

特性。但由于地震的小概率特点以及其他次生灾害的扰动等原因，导致现仍存在

的典型的震陷震例依然不足。随后研究人员陆续通过微结构特征电镜扫描，室内

动三轴试验，爆破实验（雷祥义，1983；谷天峰，2011；王兰民，2008）等试验

现象充分说明非饱和黄土的震陷性的存在不容置疑。此后，随着 Makdisi 等和

Bray等相继提出的地震永久变形简化解耦算法（Newmark N M，1965；Makdisi F

I et al，1978；Bray J D et al，1998）以及各类先进仪器设备在黄土灾害领域的应

用，如动单剪仪、扫描电镜、分形理论以及现场爆破技术（Wang LM，2011）等，

不同程度的推动着黄土震灾研究领域的发展。

黄土震陷自概念提出至今研究历经 30余年，其早期的相关成果主要从震陷

微观特性及影响因素分析、震陷性判定方法及震陷量值估算以及震陷改良方法研

究等四个方面进行。（1）在震陷微观特性及机理揭示方面，一些学者（石玉成，

2002；Zhang ZZ,2005）从微结构的角度进行震陷本构关系研究，认为架空孔隙

结构与震陷的形成有密切关系。因此，不少学者设法提取黄土的各种微观参数，

总结包括架空孔隙结构、中大孔隙含量、孔隙分布规律等对黄土震陷的影响规律，

（刘红枚，2005；李兰，2005；邓津，2005；石玉成，2011）。王兰民（王兰民，

2007）利用黄土气固表面原理将这些微结构参数进行定量分析与计算，从而提出

了震陷系数计算公式，但仍有许多问题亟待解决。参变量涉及较多，实用性不强

等问题使得微结构在震陷的研究的工作中处于一个辅助的机理解释和定性分析

的阶段。（2）在震陷性判定方面，因震陷是涉及多因素多参量的变量，因此在

判定方面仍多为确定性判定。大量学者通过提取影响因素包括土体物性参数、固

结作用、动力条件等与震陷量间的关系，得出了一套具体指标判定黄土震陷性的

方法，以一个阈值的范围表达黄土震陷性进行确定性判定（李启鹞，1985；徐舜

华，2006；栗润德 2007；谷天峰，2011）。震陷性判定标准现已纳入地方性规

范，甘肃市地方标准《建筑抗震设计规范（DB62 / T25-3055-2011）》（甘肃建

设科技专家委员会，2012）吸纳了王兰民等的建议，给出了震陷性场地的划分办

法，同时，对新黄土震陷的识别进行了区间划分，对抗震设防烈度为 8度的 I类、

II 类场地及抗震设防烈度大于 8度（≥0.30g）的 III 类场地，分别给出兰州市、

庆阳市和天水市 50年超越概率在 2%和 10%的新黄土震陷区划图（图 1.2：以兰

州市为例）。

第一章 绪论

5

（a）50年超越概率 2%兰州市区黄土震陷区划图

（b）50年超越概率 10%兰州市区黄土震陷区划图

图 1.2 兰州市区黄土震陷区划图（据甘肃省建筑抗震设计规程 DB62/T25-3055-2011）

（3）黄土震陷量的估算，是划分震陷灾害等级的根本判据，同时更是判断

采取何种地基处理措施的基本前提。其中，最为关键的一步是获取黄土的震陷系

数。目前，针对黄土震陷系数的计算方法已有多种，王兰民（王兰民，1993）等

基于“分层总和”的思想形成了一套经验公式，用来估算黄土场地在特定动荷载作

用下的震陷量；邓津等 （邓津，2007） 将黄土的震陷性与其微结构特征关联在

一起，同样利用黄土气固表面原理建立了基于黄土微观参数的黄土震陷系数的估

算公式；陈永明等 （陈永明，2003） 根据室内试验和原位波速测试数据，建立

了应用剪切波速和动应力计算震陷系数的公式。这些方法为震陷量计算方法拓展

了思路。

1.2.2 震陷性黄土改良方法

对于黄土地基处理研究成果较为丰富的领域在于湿陷性黄土地基的处理，其

处理方法多样，主流方法为强夯法、挤密桩复合地基 、垫层法等。大量学者从

处理方法的技术原理，改良后的物理力学性质，适用范围，处理效果，施工参数

等方面进行研究与分析。针对挤密桩法，研究人员在处理大厚度湿陷性黄土的理

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

6

论和应用中，对其桩间土的物理力学参数变化规律，各因素对挤密桩地基承载力

的影响进行了深入研究，并利用数值模拟和实际工程现场监测等方法综合评价其

地基承载力 （何永强，2010；王剑，2013；米海珍，2012；屈耀威，2011；李

世民，2018） ；针对强夯法，不仅从室内试验、微结构试验和离心模型试验对

其结构和物性参数进行分析 （颜斌，2009；翁效林，2007 ；胡长明，2012 ；）

掌握了其动静力学特性，并对不同参数对强夯加固范围、振动在强夯黄土中的衰

减规律等实际工程问题进行深入研究，对施工作业分析提供了有益参考 （于丰

武，2016；潘平，2016；邹立华，2005）；部分学者对同一工程场地就强夯，挤

密桩和换土垫层等地基处理方法的施工工艺和处理效果进行横向对比，通过室内

土工试验、浸水试验及现场监测等手段分析了其处理效果和地基的不均匀沉降变

形特征 （陈云，2009；何开明，2001；赵永虎，2017）。另外，有少量文章对

湿陷性黄土地基处理的优化方法进行了进一步的探讨和创新（孙翠娟，2017），

探讨其稳定性及变形特性等。

对黄土土体自身的改良进行研究，则进入另一个方向。研究人员对于黄土土

体的改性问题想法非常丰富，加入的改性物质也很多样，从改性原理上分为物理

和化学两类方法。物理改性作用机制是通过施加外部荷载改变黄土原有的大孔隙

结构，使土体结构更加密实，颗粒间的接触面积显著增加，架空孔隙坍塌和颗粒

重新排布，从而提高地基土的强度。其中，White（White J E,1983；White J E,1986）

通过改善黄土孔隙度、粘滞性等有效降低了地震对地基的破坏作用。王兰民（王

兰民，2000） 等研究发现当地基土的干密度大于 1.63g/cm3时，地震烈度不超过

IX 度，密实处理可使黄土地基的震陷性完全消除。王谦等 （王谦，2013） 认

为若强夯处理后的干密度大于 1.767g/cm3，地震烈度为 VIII 度以下时可完全消除

地基土的液化势。化学改性则着重采用固化剂（通常采用水泥、石灰、粉煤灰、

水玻璃、SH固化剂等），使之与水作用及与黄土中的可溶性盐类进行化学反应，

产生具有明显胶结作用的物质，提高土颗粒之间的黏接强度，进而极大增强土体

强度 （严耿升，2009；刘万峰，2014；）。其中，水泥作为改性效果良好的化

学添加剂在开始就受到了广泛关注，部分研究表明（杨有海，2006；耿煊，2006）

水泥改性黄土强度受到掺合比、含水量等多个因素的影响，同时其具有较好的水

稳定性，且水泥改性黄土也具有明显的龄期效应。一些研究 （王家鼎，2013；

第一章 绪论

7

王谦，2016） 从水泥掺量配比对黄土动弹性模量、残余变形和抗液化强度的影

响进行探讨，并给出相应的水泥最优参和比。随后，出于技术与经济性的考虑，

研究人员把目光投向了更加经济环保的材料。其中粉煤灰由于其本身作为为二次

利用资源，可有效降低建筑地基处理的成本同时达到保护环境的效果从而引起研

究人员的极大兴趣。高振林等 （高振林，2007） 对掺入适量粉煤灰的黄土试块

进行室内压缩实验，得出其压缩系数和湿陷系数，并对黄土粉煤灰混合料的力学

性能进行探讨。王峻等 （王峻，2013；王峻，2014） 通过重塑非饱和试件的动

三轴试验，考察了粉煤灰掺入量对改性黄土动本构关系的影响并提出粉煤灰改性

黄土的最佳掺量。为了在环保经济的基础上取得更好的改性效果，更多复合固化

剂逐渐在黄土地基改性处理中得到广泛关注与应用。这类固化剂主要包括二灰

土、水泥-粉煤灰土和水泥-石灰土等。岳建平等（岳建平，2013）的试验结果显

示，石灰粉煤灰改性黄土强度明显高于原状黄土，且对黄土强度影响较为明显的

是粉煤灰含量，但改性黄土强度易受到含水率的影响。邓津等（邓津，2012）通

过在黄土中加入硼化合物对改性黄土进行震陷试验，使黄土的震陷性明显降低。

但上述改良方法的相关研究成果却鲜见于黄土地基处理领域。究其原因，还是因

为大部分方法仍处于理论研究阶段。这些研究多从不同改性材料的改性黄土的静

力学性能入手，现有研究中粉煤灰和水泥的改性处理方法考虑了地震荷载作用下

的动力学性能，改性处理理论与技术不够成熟，在实际工程中尚未应用；而对于

复合改性材料或复合改性方法，其效果虽然较单一改性处理方法更为理想，但由

于其影响因素更多，施工过程也更加复杂，因此更需要大量的研究和试验数据支

撑

总体来说，对黄土地基的处理主要还是针对消除其湿陷性的问题，其研究的

方向更加靠向施工过程中的技术处理和精细化问题，这也侧面说明了强夯或挤密

桩等地基处理方法在黄土的湿陷性消除方面已颇为成熟，但针对震陷性消除的问

题则研究较少；另一方面，在实际工程中研究较为成熟且广泛应用的的挤密桩改

良方法多用于高层或超高层建筑的房屋建筑地基处理，而对于高速公路、铁路等

路基和高填方路堤来说，强夯、换土垫层、水泥或土工格室、加筋加固等方法则

更为适用。而这些方法中，除了强夯法，其他方法在消除黄土震陷的有效性上研

究还相当少，一方面对动力荷载考虑不足，大多研究的是静载条件下的物理力学

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

8

性质和沉降特性；另一方面非常缺乏工程应用实例，因此被室内试验所证实的有

效改良方法在大厚度黄土覆盖的黄土场地抗震陷中的合理选择不仅是亟待解决

的科学问题也成为工程应用中的实际问题。

1.2.3 振动台试验在黄土动力特性研究中的应用

利用模型试验研究黄土震害不失为更能近似模拟震害形成的技术手段，它的

优点在于能够通过近似的物理模拟，直观地考察模型破坏的过程。一方面它可以

为黄土震害提供较动三轴、微结构和数值方法等更具可信度的模拟试验，另一方

面可以借此开展不同抗震陷改良方法下大尺度黄土场地地基变形量值预测及地

基处理评价的研究。模型试验早已应用在自然灾害模拟实验中，尤其是边坡治理、

滑坡模拟与危险性评价方面。例如Wartman采用小型振动台模拟边坡 1g重力场

的行为（Wartman J.et al, 1999.）；Oded Katz采用振动沙箱研究了边坡破坏的类

型和频率的关系（Katz O.et al，2006）；Meei-Ling Lin采用大型振动台试验研究

了土坡在地震作用下的响应（Lin M. L.et al，2006）。在西北地区，振动台模型

试验逐渐成为黄土震害研究的重要手段，并已开始运用到震灾的研究中来，例如

翁效林基于离心模型试验定量评价了强夯黄土地基抗震性能（翁效林，2007）；

钟正开展铁路路堤震陷的振动台模型试验研究，为穿越高烈度地震区的铁路路堤

的震陷防治提供参考和依据（钟正，2011）；崔志平通过模型试验开展了不同加

固方式下黄土地区桩体土的变形特征研究并给出了实际工程应用建议；吴志坚、

雷天等开展了重塑黄土斜坡变形失稳破坏特征的振动台模型试验（吴志坚等，

2015）。以上研究对基于模型试验进行黄土震害效应评价，并为利用数值仿真技

术加以验证评价模型提供了很好的借鉴作用。

针对黄土震陷灾害研究，目前尚未开展较大型黄土试块的振动台试验。首先

是因为大尺寸试块难制备，并且在振动台上模拟土体的真实地应力还较困难。同

时，模型试验也有其自身的困难，例如相似比的控制是限制应用振动台试验开展

相关稳定性分析的难点问题，尤其是对类似黄土这样具有极强结构性的特殊土

类，要实施大尺寸原状试样的振动台试验，其相似比的制约条件更大。

第一章 绪论

9

1.3 本文的主要研究内容、方法及技术路线

1.3.1 主要研究内容

论文以宝兰客运专线榆中县沿线的震陷性黄土场地为研究对象，采取现场调

查、室内试验、模型试验以及数值仿真手段，对场地的震陷机理及其灾变过程进

行研究，在此基础上，选择具代表性的几类物理、化学以及复合地基改良方法，

探讨其改良机制，验证其改良效果，并给出相应的工程应用建议。主要研究内容

分为以下三部分：

（1）原状黄土地基动力响应特征与震陷机理

通过开展振动台模型试验来研究地震荷载下黄土地基的震陷性与不均匀沉

降问题。试样采取宝兰客运专线榆中场地沿线的原状大试样，模拟真实的土层应

力状态进行土样固结。通过输入 EL-Centro波以及汶川文县波，对模型进行动力

响应分析。以加速度、位移传感器及不均匀沉降测量尺，测量地震荷载作用下不

同分量的加速度时程、毫米级动态位移以及不均匀沉降记录，给出其应力-应变

关系，进行黄土地基在地震荷载作用下的动力响应分析及震陷特性研究。

（2）不同处理方式下黄土震陷特征与灾变衍生过程的试验

在进行原状黄土振动台试验研究的基础上，对黄土地基进行物理（强夯）和

化学（分别添加水泥、粉煤灰）方式的改性处理，分析相同地震荷载下各类处理

方法黄土地基的动力响应特征，尤其针对振动台模型试验测试结果进行震陷量和

侧向变形的定量化数据分析与对比。基于试验分析结果，探讨不同地基处理方法

的适用性及适用范围，同时对振动台试验结果进行数值仿真模拟加以验证。

（3）不同地基处理方式下场地的抗震陷等级及适用性

以模型试验结果为主，结合室内相应的动三轴试验以及对不同物理、化学作

用的微结构分析，研究结果拟给出动力条件下不同地基处理方式评价体系，为黄

土场地工程建设及抗震设计中不同黄土地基的抗震陷处理方法给出合理化建议。

1.3.2 研究思路

在系统总结历史研究资料、野外场地调查及前人研究成果的基础上，选取室

内实验、振动台试验和数值仿真模拟等方法，以原状及不同抗震陷改良黄土地基

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

10

模型为研究对象，揭示地震荷载下原状黄土地基的振动台动力响应规律，进而探

讨不同地基处理方式下震陷与不均匀沉降的定量变化，给出地震荷载下黄土场地

地基处理的评价技术。论文总技术路线图，如图 1.3所示。

图 1.3 论文技术路线

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

11

第二章 场地现场调查及抗震陷处理措施分析

本章考察了西北黄土高原地区地震带来的为数不多的典型震陷灾害场地，并

据以上场地地貌岩性、构造特点、土体物理力学性质等条件类比选取本文研究区

域，在此基础上，对选取的研究区域的土体进行了静力学试验，掌握其基本物理

力学参数。同时，将近年来西北地区工程场地中采取的部分地基处理方式进行对

比分析。

2.1 典型历史地震震陷场地实例

目前黄土震陷研究主要基于室内动三轴试验。黄土震陷虽已从多方得到证

实，但由于地震的小概率特点以及其他次生灾害的扰动等原因，导致典型的震陷

震例依然不足。因此，为数不多的保留下的历史地震震陷灾害场地信息，作为第

一手数据，作为室内试验或者大型物理模拟的来源，都对目前的震陷研究起着重

要的指导作用与参考价值，值得去认真探索。

2.1.1 疙瘩沟

图 2.1 永登地震烈度图

第二章 场地现场调查及抗震陷处理措施分析

12

疙瘩沟村位于甘肃省永登县境内，历史上该区曾发生数次地震，遗憾的是，

由于时间较早，未能获取到相应的地震记录，也没能留下任何足以证明震陷的地

物标志。1995年 7月 22日，永登县和红古区境内再次发生 5.8级地震，震中烈

度甚至达到了Ⅷ度（图 2.1）。造成 10人死亡，143人重伤，2万多间房屋倒塌

等严重的人员财产损失。

就是在这次地震的现场考察时，研究人员在疙瘩沟村发现了大片的、明显的

黄土层破碎、酥裂等震陷现象，并保留了现场震害的图片资料。幸运的是，由于

该地气候干旱，人口密度低，自然和人为干扰极小，使得当时的震陷地面破坏现

象大部分能够得以保存，至今仍有明显震陷现象（图 2.2），为研究黄土震陷灾

害提供了良好条件。

图 2.2 疙瘩沟震陷灾情现场调查

此次地震震中位于 36°23’N，103°13’E。震中位于永登县疙瘩沟至马家

山城之间，震源深度 10km，极震区地震烈度为Ⅷ度。虽然此次地震震级较小，

但由于其震源位置较浅，此处黄土又极具震敏性，因此地表接受能量巨大，引发

地表不均匀沉降、酥裂现象随处可见。疙瘩沟区地形为典型的黄土梁、峁密，黄

土覆盖层厚度在 10-30m不等，为 Q3黄土，黄土层之下多为第四纪红层，其在

黄土峁的底部经风化或雨水冲蚀常常出露地表（如图 2.3所示）。该地区气候干

旱，土层 5m以内含水率低于 5%，属于典型的西北低含水率黄土。地震发生后，

黄土的梁顶部多产生张性裂缝。而判断为震陷的最显著标识为阶梯状的土层不均

匀沉降现象，这在地震刚刚发生时张振中等人拍摄的照片资料中尤为清晰，如图

2.4所示，最大震陷量达 50cm。

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

13

图 2.3 疙瘩沟黄土层下部第四纪红层出露

图 2.4 “阶梯状”震陷现象（据张振中，1995）

2.1.2 渭南鼓楼遗址

华县地震发生于 1556年，震级达到 8级，震中位于 34.5°N，109.7°E，是

我国人口稠密地区震级极大、影响广泛、损失巨大的地震之一，也是目前世界上

已知的造成死亡人数最多的地震，有姓名记载的人数就达 83万之多。造成如此

巨大伤亡的重要因素便是地震引起的一系列地表破坏，包括黄土崩塌、黄土滑坡

和房屋地基破坏造成的垮塌。

图 2.5 渭南市鼓楼

第二章 场地现场调查及抗震陷处理措施分析

14

位于陕西省渭南市临潼区老城的渭南鼓楼，建于隋大业九年，是早期渭南县

城的中心建筑，目前已成为渭南市的非遗文化（如图 2.5所示）。此处黄土层覆

盖厚度在 40m左右，鼓楼在华州大地震（又称华县地震）时毁坏，幸而当时并

未倒塌，后经修缮。其与城门拱洞间留下的下陷痕迹记录了其震陷的标识，地基

下陷达 1m深（如图 2.6所示），与后修筑的道路之间以水泥抹平填补。

图 2.6 渭南鼓楼地基下陷达 1m深

2.1.3 党家岔震陷型滑坡

党家岔滑坡区位于宁夏自治区西吉县，地貌单元属于黄土高原腹地的黄土丘

陵，具有大厚度的黄土覆盖，且土质疏松，剥蚀严重，沟谷发育。该地区处于地

震多发区，海原地震以来，西吉县发生 5级以上地震 5次，最近一次的 5.5级地

震距离该区 5.5千米。尤其以 1920年 12月，海原发生了历史上罕见的 8.5级强

震，地处黄土丘陵区的党家岔村由于巨大的地下振动使其东西两面山体滑坡，堵

塞沟谷，形成了亚洲第二大震湖，也是固原地区最大的地震堰塞湖，如图 2.7所

示。

在紧邻震湖的东南方向，发育着一系列滑坡群，如图 2.8所示，斜坡较平缓，

坡度 3°~15°，斜坡上覆黄土层，下伏新近系甘肃群泥岩。滑坡周界清晰，滑

坡上部滑面埋深浅，已中部及下部较深，最大埋深 10m。滑带土灰褐色，呈薄层

状，现已被改造为梯田。

有研究人员（王明轩，2018）对该区滑坡带采取的滑体土试样和滑坡附近采

取原状黄土试样进行了室内常规试验，并对滑坡形成机理进行分析，认为其实在

黄土地震震陷和黄土地震液化共同作用下产生的，上部土体产生震陷破坏，下部

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

15

土层产生液化，属于地震作用下的黄土震陷-液化复合模式。

图 2.7 党家岔震湖

图 2.8 党家岔滑坡群

2.2 研究区域自然地理及地质特征

通过收集与查阅黄土高原西北区历史地震资料，选取典型历史震害场地，开

展现场调查活动。通过系统搜集、分析现场地震震陷灾害信息，综合分析历史上

产生过震陷的黄土场地的地层岩性、土体物理力学性质及震陷破坏特征等，进而

选择不同的抗震陷处理措施，达到改进工程活动地点、方式等，增强抵抗地震灾

害风险的能力。

第二章 场地现场调查及抗震陷处理措施分析

16

2.2.1 地理位置

本研究区域选定为宝兰客运专线榆中沿线土体未经人工扰动的萃英山上（如

图 2.9所示）。采样区域位于 33.5°N，104.7°E。土体与疙瘩沟地区土性极为

相似，均为大孔隙、低含水率的 Q3黄土，且该地区黄土层覆盖厚度在 40m左右。

图 2.9宝兰客运专线榆中县萃英山

2.2.2 地层岩性

为进一步对该地区覆盖层厚度以及地层岩性进行了解，对萃英山典型的黄土

梁进行钻孔，取得的钻孔资料如表 2.1所示。

表 2.1 翠英山黄土梁钻孔岩芯鉴定表

钻孔深度

30.4m

钻孔位置：

33.5°N，104.7°E

钻孔日期 2009-10-19

地面高程 1911.39m

序

号

高程

（m）

深度

（m）

厚度

（m）

柱状图 岩性描述

1 1910.99 0.40 0.40植土：褐黄色，稍湿，土质较松散，具大孔

隙，含云母和少量植物根，岩芯成散装

2 1904.59 6.80 6.40

砂质黄土：褐黄色，稍湿，稍密，含云母，

局部含有白色钙质结核，以粉粒为主，岩芯

成柱状及W状

3 1902.19 9.20 2.40砂质黄土：褐黄色，稍密，潮湿，含云母，

岩芯成散装及W状，以粉粒为主，水平层理

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

17

分布

4 1896.39 15.00 5.80 与地层 2砂质黄土相似

5 1886.29 25.10 10.10 与地层 3相似

6 1884.79 26.60 1.50

灰色，密实，稍湿，成分以石英岩和砂岩为

主，粒径 2mm-20mm 的占 40%-50%，

20mm-60mm的占 15%，粒径大于 60mm 的

卵石占 5%，以砂质黄土填充

7 1883.39 28.00 1.40

砂质黄土：褐黄色，稍密，潮湿，含云母，

岩芯成散装及W状，以粉粒为主，水平层理

分布

8 1880.99 30.40 2.40

灰色，密实，潮湿，成分以石英岩和砂岩为

主，粒径 2mm-20mm 的占 10%-15%，

20mm-60mm的占 45%-55%，粒径大于 60mm

的卵石占 10%-20%，以黏性土填充

2.2.3 土体动、静力学性质

项目研究团队对包括兰州及榆中地区、西安、西吉和西宁等典型西北黄土地

区进行了实地考察，开展了大量研究工作。据此，本节整理分析相关研究资料，

对研究区域榆中以及周边地区土体的动静力学性质及其与震陷性的关系进行归

纳。

（1）黄土孔隙比与震陷的关系

黄土高原地区由东到西孔隙比是增大的。陇西地区的黄土孔隙比都大于 1，

说明是比较疏松的。而陇东和关中等地其孔隙比均小于 1。黄土的微结构研究结

果表明（高国瑞，1980），陇西黄土颗粒之间基本上呈粒状接触架空大孔结构，

很少胶结。而陇东及关中地区大部分为粒状集粒架空接触絮状胶结或凝块粒状镶

嵌胶结结构。而黄土的孔隙比直接反映结构性特征，说明了残余变形的大小受孔

隙比的控制。

（2）黄土的塑性指数与震陷的关系

塑性指数的物理意义是粘性土处于可塑状态时含水量变化的最大范围。如果

黄土的流限与塑限之间的范围大则塑性指数大，土能吸附的结合水多，矿物成分

第二章 场地现场调查及抗震陷处理措施分析

18

吸水能力强。也就是说塑性指数大的土粘粒含量高，相应的强度也大，抗震陷能

力强。

Cd随 Ip变化趋势 （b ）ψd随 Ip变化趋势

图 2.10 黄土的强度参数与塑性指数的关系

研究团队前期通过对西安、西吉、兰州、西宁等地取相同深度的试样进行室

内动力特性试验研究，得到不同地区黄土的强度参数与塑性指数之间的关系（图

2.10）。由于西宁、兰州、西吉、西安等 4个地方的原状黄土的粘粒含量基本呈

自西北向东南大致呈增大趋势，且含水率的增长具有相同的趋势，位于关中地区

的西安黄土的塑性指数达 16.1，在土体颗粒级配中其粘粒含量为四个地方中粘粒

含量最高，其性质也接近粘土的性质。四地的动粘聚力宏观表现为自西北向东南

随着塑性指数的增加呈逐渐增强的趋势。如图 2.10（b）所示，内摩擦角随着塑

性指数的增加呈减小的趋势，幅值减小率不具有相似性。这说明黄土的塑性指数

也是影响土体自身强度的因素之一。

（3）动强度与黄土震陷的关系

等幅循环荷载下，土的动强度被定义为在一定振次 N下，产生某一指定破

坏应变εf所需的动应力（王兰民，2003）。本试验中结合大量前人对于天然非

饱和原状黄土的动强度试验，将这一指定应变取为 5%。采用等效循环荷载并分

别在 100、150、200kPa下进行逐级加载，根据试样破坏动应力、固结压力和固

结应力比 kc给出部分地区 N=10时黄土的动强度指标 cd、Φd，发现黄土的强度

指标有明显的区域差异性，总趋势上呈现出由西北向东南逐渐增强的态势。

（4）含水率与黄土震陷的关系

这些区域黄土的动强度指标 cd、Φd与含水率之间的关系如图 2.11所示。

由前述分析可知，在天然状态下，兰州、西吉、西安原状黄土的含水率自西北向

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

19

东南大致呈增大趋势。随着含水率的增长，黄土的动粘聚力自西北向东南也呈逐

渐增强的趋势。这说明黄土的含水率也是影响土体自身强度的因素之一。在下图

四个地区中，关中的代表地区西安黄土的含水率较高，远高于其他三地的黄土中

水分的含量，并且具有较高液限、塑限，故其表现出最强的抗剪强度。而兰州黄

土的含水率不足 10%，最低虽然仅为 7.5%，其动强度比大含水率的仅优于西宁

黄土。说明兰州黄土的结构强度较低，具有较高的水敏特性。

（a）Cd 随ω变化趋势 （b）ψd随ω变化趋势

图 2.11 黄土的强度参数与含水率的关系

2.3 处理措施概述

如绪论所述，研究人员对黄土本身的改良改性问题研究丰富，但相关研究却

鲜见于抗震陷黄土地基处理领域。无论何种地基改良方法都需在实践中证实其适

用性和有效性，同时经济性也是实际工程考虑的重要因素之一。本文着重介绍 4

种常用的用于地基加固的方法，这也是本文用于室内和模型实验进行抗震陷评价

验证的方法。

2.2.1 强夯法

这是实际工程中采用最多的地基加固方法，该方法历史悠久，被发明于上世

纪六十年代的法国，使用几到几十吨不等的重锤从高处落下，利用巨大的冲击能

和振动使得软弱地基土体中的孔隙被挤出，土体进一步固结，土颗粒密实度提升，

同时，随着对不同场地夯击数量及路径的设计规划，地基土的均匀性得到了很大

提升，防止了不均匀沉降现象出现的可能。该方法被广为使用的原因是由于其操

第二章 场地现场调查及抗震陷处理措施分析

20

作简便，成本低廉，无土体污染，施工速度快等优点。

采用强夯法进行地基加固也有其无法解决的问题：（1）土体含水率过高时

（含水量大于 17%或饱和度大于 60%），该方法不再适用。（2）根据《建筑地

基处理技术规范》（JGJ 79-2012），强夯法的有效加固深度如表 2.2所示，其中，

对于震陷性黄土，并无规范要求。（3）施工环境问题，即夯击产生的噪声尤其

是巨大的振动可能会对周围建筑或居民生产生活产生影响。

表 2.2 强夯法有效加固深度表（单位：m）

单击夯击能 E（kN.m） 碎石土、砂土等粗颗粒土粉土、粉质粘土、湿陷性黄土

等细颗粒土

1000 4.0~5.0 3.0~4.0

3000 6.0~7.0 5.0~6.0

5000 8.0~8.5 7.0~7.5

8000 9.0~9.5 8.0~8.5

10000 9.5~10.0 8.5~9.0

12000 10.0~11.0 9.0~10.0

对于黄土地区来说，尤其是西北低含水率黄土的抗震陷问题，问题（1）暂

时不做考虑，认为强夯法对低含水率的西北黄土具备适用性，但是对于黄土高原

大部分地区都处于厚覆盖黄土层这一现状，加固深度这一问题成为制约强夯法在

黄土地区广泛使用的原因之一，需要根据实际工程要求和黄土厚度对其有效性进

行评估。

2.2.2 水泥土法

水泥的化学反应表现为凝结和硬化的过程，两者连续进行，互相促进。其主

要成分为 3CaO·SiO2 （48%）、2CaO·SiO2 （23%）、4CaO·Al2O3·Fe2O3 （14%）

和 3CaO·Al2O3 （10%）。这四种主要矿物在改性作用中均进行水化反应，松

散的干燥水泥粉粒变成了具有胶结性质的水泥浆体，粘结周围的黄土颗粒，除生

成和粉煤灰反应类似的水化硅酸钙和水化铝酸钙起到粒间胶结作用外，需注意的

是，同时生成的三硫型和单硫型的水化硫铝酸钙以及游离状态的 Ca（OH）2加

大了水泥的脆性。

水泥在地基处理施工过程中有几种添加方法，一种是以水泥搅拌桩的形式，

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

21

即由水泥和土的复合材料制成桩体，另一种为高压注浆直接将水泥灌入土体中，

最后一种将其作为换填垫层中的换填土，将水泥和土混合重新填入，代替原始场

地地基土。无论是哪一种水泥添加方法，其优点都是显而易见的：水泥与软土之

间产生了一系列物理化学反应，使得地基硬化，土体强度得到显著提升；同时其

不透水的特性有利于抵抗黄土地区较为严重的土体液化现象；在施工的过程中，

水泥搅拌无振动，噪声小的特点使其尤其区别于强夯法对环境造成的影响。

2.2.3 粉煤灰法

粉煤灰的主要成分有 SiO2（50%）、Al2O3（22.3%）、Fe2O3（10.5%）、Cao

（7.2%）及少量 Na、Mg 氧化物。其中，可溶氧化物 SiO2、Al2O3、Fe2O3在碱

性条件下发生水化反应，其反应式如式（2-1）~式（2-4）所示：

SiO2+xCa（OH）2+nH2O=xCaO·SiO2·mH2O （2-1）

Al2O3+xCa（OH）2+nH2O=xCaO·Al2O3·mH2O （2-2）

Al2O3+xCa（OH）2+yCO2+nH2O=xCaO·Al2O3·yCaCO3·mH2O （2-3）

Fe2O3+xCa（OH）2+nH2O=xCaO·Fe2O3 （2-4）

从上式可见，粉煤灰在加入的过程中能够生成有凝胶性质的水化硅酸钙和水

化铝酸钙等，这些胶结物将固体颗粒胶粘结在一起形成更大的团粒。同时，由于

粉煤灰粒径细小，集中在 2um到 30um之间，因此其多分布于粒径更大的土颗粒

表面或颗粒间的空隙中，因此化学反应多在孔隙间进行，并且生成的水化物体积

远大于反应物，可起到填充粒间孔隙的作用，且较大的比表面积带来的“活性效

应”使其转化率更为高效和快速。

2.2.4 物理-化学复合处理方法

复合处理，即使用两种或两种以上不同性质的土体加固方法进行地基加固。

使用复合处理方法的目的多为两种，要么某一种加固方法不能满足有较高要求的

施工需求，所以使用复合方法比单一方法加强土体的强度，进一步提升土体的抗

震陷性能；另一方面主要是为实现经济目的，例如单独加入化学改性材料粉煤灰

可以提高黄土的抗剪强度，但若配合强夯法不仅改良效果会更好，还可一定范围

内减少粉煤灰的用量，起到降低成本的作用。

第二章 场地现场调查及抗震陷处理措施分析

22

2.4 小结

本章主要结论如下：

（1）与其他黄土地区震灾相比，震陷的现场震例较少，因而获取现场震害

调查资料显得尤为珍贵和重要。本研究现场考察了永登地震疙瘩沟地区震陷场地

以及渭南鼓楼遗址震陷现象、1920年海原地震震害遗址等典型震陷灾害场地，

并进行了航拍和土样取备等准备工作，现场调查工作为本研究选取典型场地地貌

岩性、构造特点、土体物理力学性质等条件类比提供了有益的借鉴。

（2）由于大型试块取备需要，一方面需就近选择场地以便原状与散土试样

的运输，另一方面需保证研究区域与已考察的典型震陷性场地具有相似性。为此

现场调查选取宝兰客运专线榆中沿线为研究区，进行了钻孔与地质调查和室内动

静力学试验，并通过与以考察的其他地区进行横向比较，将其震陷性与孔隙比、

塑性指数、动强度等参数的关系进行归纳总结。

（3）本文选取的四类地基抗震陷处理方法，主要从处理方法的经济性与材

料的易得性出发，分别从物理、化学和复合处理方法中各选择有代表性一种或几

种，并分别对其抗震陷机理进行分析。

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

23

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验

目前黄土震陷问题的研究多基于室内试验，同时，对不同抗震陷的改性处理

方法，一方面有待于开展大量室内试验，进一步研究各类改性方法的原理与机制

并建立其与物理力学性质等之间的定量关系，进而形成一套被广泛认可的技术标

准，这是一个仍需做大量工作的过程；另一方面随着新材料新能源行业的发展，

寻找效果更佳且经济性强的改良材料与方法已成为新的可能和趋势。本文通过开

展典型黄土震陷试验及采取不同措施抗震陷的改良对比试验研究，期望对黄土地

区地震灾害预防尤其是地基抗震陷问题提供借鉴。

3.1 原状及改良黄土残余变形特性

3.1.1 动三轴震陷试验方案

（1）试样制备

选取与已发生典型黄土震陷灾害的疙瘩沟场地具有相似地貌类型和土体性

质的宝兰客运专线兰州市榆中县沿线未经扰动的区域，作为开展室内及模型试验

的取样场地。

原状试样通过开挖人工探井取得，取样深度均为 4m，所有土样均为原状 Q3

黄土，经室内土工试验分析其物性指标如表 3.1 所示。试样统一削制成

50mm×100mm（直径×高度）的圆柱体。

表 3.1 土体物性参数表

类型 土类密度/

（g/cm3）孔隙比 含水率/%

土粒组成（%）

砂粒 粉粒 粘粒

原状 粉质黄土 1.39 1.08 9.31 13.0 76.5 10.5

黄土的震陷性是多因素耦合作用的结果，从内部作用效果来说，除了架空孔

隙结构对其起到控制性作用以外，以含水率、孔隙比、粒度组成等土体物性参数

对其震陷的产生与严重程度影响最大（郭乐，2010）。因此，为保证其物性参数

的一致性，分析不同抗震陷改良方法的本质效果，在探井井壁相同深度周围取足

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验

24

够量的散土制样，以减少或消除这些因素的干扰。采用化学方法时，制备密度与

场地土体天然密度 1.39g/cm3相一致的粉煤灰、水泥土试样各一组；采用物理改

良方法时，以实际工程中对黄土地基的压实要求，按照 1.75g/cm3为击实密度制

备强夯试样一组；在复合改良方法选取时，为与前述改良效果进行有效对比，采

取前述方法两两组合的办法，即制备强夯-粉煤灰、强夯-水泥土试样各一组，每

组试样均含 8个以上土体参数、制作工艺、养护龄期等均相同的试样。从小到大

施加动应力，施加的最小间隔为 10kPa，为保证结果的准确性，施加的最大动应

力每增加一次，即换用新的试样。

为了研究各类改良方法间本质效果的差异性与有效性，对于同一改良方法，

不考虑改性物质掺入量对震陷改良效果的影响，每类方法直接选取掺入最优配

比。粉煤灰改良方法中，配料为取自国电兰州热电有限责任公司的Ⅱ级 C类水

硬性粉煤灰。根据粉煤灰掺量对黄土震陷特性的三轴试验研究结果（王峻，2016），

折算得到本试验抗震陷处理的最佳粉煤灰掺量为 18%。在水泥土改良方法中，选

用#425硅酸盐水泥，已有的试验结果表明水泥掺量大于 3%时可显著增加土体强

度，且掺量达到 5%时土体强度达到峰值后逐渐稳定（王谦，2016），本试验选

取最佳水泥掺量 5%进行配比，试样养护按照相关规范进行，由于水泥黄土的抗

压强度在 0~14d快速增长，14~28d趋于平缓，据此，养护龄期选择 25d。各类试

样及其物性指标如表 3.2所示。

表 3.2 原状及改性处理试样物性参数表

类型编号 改良措施 添加物 添加物含量/% 密度/（g/cm3） 含水率/%

YZ-1 无措施 无 0 1.39 9.3

QH-1 物理 无 0 1.75 9.1

FMH-1 化学 粉煤灰 18 1.41 9.0

SN-1 化学 水泥 5 1.40 9.2

FH-1 复合（强夯+粉煤灰） 粉煤灰 18 1.75 9.0

FH-2 复合（强夯+水泥） 水泥 5 1.75 9.1

（2）试验仪器与参数

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-扭

剪试验系统（如图 3.1所示），其应变测量误差控制在 0.001%内。参照《土工试

验规程（SL237-03201999）》（南京水利科学院，1999）试验采用固结不排水试

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

25

验（CU）。固结时轴向应力为 200kPa，固结比 Kc为 1.69。

图 3.1 WF-12440型动三轴-扭剪试验系统

（3）试验中地震荷载的选择

在室内试验中，为模拟地震荷载作用土的应力-应变、强度和变形等关系，

本研究忽略由等幅往返荷载等效地震波荷载可能引起的动力学参数差异，引用

Seed提出的地震荷载等价幅值方法，选取等价幅值比为 0.65，地震烈度与等价

作用次数的关系如表 3.3所示（张克绪，2016）。对动三轴试验系统施加频率为

1Hz的正弦等幅往返荷载，用循环振次来等效地震动作用的强度。

表 3.3 地震荷载等价作用次数与地震烈度的关系（据张克绪，2016）

次数烈度

7.5 8 9

等价作用次数 20 30 40

取 KC=1.69，待固结变形稳定后进行震陷试验。荷载频率为 1Hz，对每一类

型的试样，分别施加幅值为 10kPa、20kPa、30kPa、......直至 120kPa的动应力（在

实际试验过程中，对于原状试样来说，由于其结构疏松，强度极低，往往仅加载

到 40—60kPa试样即发生破坏，无需加载至 120kPa试验停止；对于添加改性材

料，尤其是复合改良方法的试样，由于动应力过小时几乎没有残余应变的产生，

因此可以在初始几次以 20kPa为间隔增加动应力，在不影响数据准确的情况下可

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验

26

一定程度缩小工作量）。

（4）震陷判定原则与数据处理方法

黄土震陷在室内试验中已有一套成熟的判定和数据采集方法，即用残余应变

来表示，被取为动应力作用前后试样的高度差与动应力作用前试样高度之比（王

兰民，1993）。

HNHH

p N)(')(

（3-1）

式中，εp（N）表示动应力往返作用 N次产生的残余应变；H和 H＇（N）

分别是动应力作用前和作用 N次后试样的高度。待固结变形稳定后，对同一组

的 7~10个试样分别施加不同幅值的动应力，得到不同振次下的动应力σd和残余

应变εp的关系曲线，即震陷曲线。同时，根据曼辛不规则加卸荷准则及研究人

员对黄土适用性的试验和计算，将黄土的破坏应变标准设定为 3%应变（王兰民，

2003）。

根据以上原则，每一组每一试样在其对应幅值的残余应变时程都被记录下

来，分别将同一组试样的残余应变按照幅值从小到大点在图上并连接起来，便得

到震陷曲线。

3.1.2 震陷试验结果分析

（1）震陷曲线

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

27

图 3.2 不同振次下原状及改良黄土试样震陷系数

图 3.2分别给出了振次 N逐级增加的情况下 6种类型黄土试样的震陷系数。

在相同动应力作用下，随着振次的增加，每类试样的残余应变都呈逐渐增长的趋

势。不同之处在于，原状黄土的震陷系数对振次的增长最为敏感，其次为粉煤灰

试样。而其他 4种处理方式大大降低了震陷系数对振次的敏感性，且震陷曲线间

极为接近，尤其是复合改良方法中的强夯-水泥法，对振次不敏感。

图 3.3原状与改良土样振次-残余应变曲线

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验

28

取动应力为 50kPa，以振次为横坐标，绘制原状与改良黄土残余应变曲线，

如图 3.3所示。可知，无论施加的动应力大小，原状试样对振次 N均表现出较强

敏感性，且前 10次振动便累积达到了总残余变形量的 80%以上，这一规律也与

前人的研究结果（王兰民，2003）相一致。不同改良方法虽然不同程度降低了其

震陷性，但其残余变形增长随振次的变化和原状土仍具有相似规律，即主要变形

量均发生在前 10次振动中，几乎呈线性增长，而后震陷量的增加逐渐变缓。

图 3.4 原状与改良黄土应力应变曲线（N=30）

以强震作用即动载振次 N分别为 30和 40次时试样的动应力-残余应变曲线

进行进一步分析，分别如图 3-4与图 3-5所示。

图 3-5 原状与改良黄土应力应变曲线（N=40）

由于几种改良作用效果所带来的震陷量量级差异较大，为更好展示曲线间的

差异性，将原状、粉煤灰以及水泥试样作为一组描绘其震陷曲线（图左），强夯

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

29

和两种复合处理试样作为一组（图右）进行分析和叙述。

原状黄土试样表现出极强的震敏性，试样的剪切变形曲线随动应力的增长呈

急剧上升趋势。动应力加载至 20-30kPa时，应变便达到 3%，加载至 50kPa时，

残余应变达到 6%，随后试样中的大孔隙结构遭到破坏，宏观上试样即发生崩溃

性破坏，因而残余应变在达到 6%左右后试验停止，数值不再上升。

而两种化学改良方法（粉煤灰、水泥）的震陷曲线主要表现为三个阶段：1）

0~20kPa 阶段，两种改良方法效果几乎没有差别，可完全消除黄土震陷性。2）

20kPa~60kPa阶段，两种方法均可将黄土的抗震性能提升 5倍以上，但粉煤灰法

开始展现出与水泥土法的差别，其残余应变随动应力的增长开始加快，但产生的

最大残余变形不超过破坏应变标准 3%，仍具备改良良好效果。3）动应力超过

60kPa，粉煤灰改性方法的残余变形量随动应力的施加产生一个迅速增长阶段，

值得注意的是，其残余应变量虽远超 3%的应变标准，但与原状试样相比，试样

体几乎不产生断裂性的破坏，可支撑至动应力加载到 120kPa以上，其变形达到

7%以及上；水泥土改良法震陷曲线随着动应力的继续增加基本不再变化，当动

应力达到 120kPa时残余应变依然低于 1%。

图 3.4与图 3.5右所展示的是当动载振次 N分别为 30和 40次、密度提升为

1.75g/cm3时的强夯、粉煤灰和水泥土试样的震陷曲线。首先，这三类改良方法

的残余应变量在量级上已经远优于前三类试样，在强震荷载下，其残余变形均未

超过 1.5%，这一结果充分肯定了密度的提升对于抗震陷性能提升至关重要的作

用。在复合方法的处理效果上，显然夯实后的水泥土法效果最佳，粉煤灰法其次。

尤其对于粉煤灰试样，在经过击实处理后抗震陷效果大大增强，当动应力达到

100kPa时（N=30），残余变形仅为 0.54%，比夯实前降低了 6.28%，几乎消除

了震陷性。因此试验证明化学改性的方法可以有效提升地基的抗震陷性能，配合

夯实作用效果最佳。

（2）试样变形特征

研究结果表明，原状黄土试样具有极强的动力易损性。当动应力达到 50kPa

左右，残余应变达到峰值，试样发生崩溃性破裂，如图 3.6 （a）所示，图件左

右分别为其中某一试样在试验前后的宏观现象。据观察发现，由于试样不同位置

随机含有钙质结核，结核处与周围土之间有微裂隙，当应力施加时，结核中较大

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验

30

的微裂隙尖端更易产生应力集中，并迅速扩大，导致试样断裂。试样切断面位置

往往没有规律，断裂处断口土体疏松、破碎，柱体其他部位产生密集微裂隙。

添加粉煤灰的试样中，虽然动荷载致试样产生了相当的残余变形，但试样未

出现断裂或破裂，而表现为由轴向应力挤压造成的柱体局部地区膨胀现象，如图

3.6 （b）右所示。这也充分佐证了“粉煤灰效应”在地基处理中所起的作用，

即其中含有的 70%以上的玻璃微珠，在起到致密、均质作用的同时，也起到了良

好的润滑作用。因而虽然会有残余变形的产生，但表现为间歇式渐进变形，不至

于发生突发性的脆性破坏。

（a） 原状试样 （b） 粉煤灰试样 （c） 水泥试样

图 3.6 原状、粉煤灰、水泥试样试验后宏观破坏现象图

而添加水泥的试样，在动应力加载过程中，无肉眼可见的变化，当动应力加

载至其发生破坏的临界动应力，试样产生瞬时的错段性破坏，如图 3.6（c）所示，

柱体出现 X型贯通裂隙，具有明显剪切面，并且整个过程具有突变性。

两类复合改良处理方法试样由于强度较高，加载至 120kPa仍未产生明显宏

观变形，试件也未出现明显高度降低现象。

3.1.3 震陷性预测与改良效果评价实例

通过以上研究，可给出初步判定，即宝兰客运专线榆中地区乃至整个西北地

区与采样区具备相同性状的黄土都具有很强的震敏性。进一步的，残余应变曲线

表明针对该区域的几种黄土抗震陷改良方法均有效果，但显然几种方法效果有所

差异，尤其随振次以及动应力的增加改良效果尤为明显。然而，对于实际工程场

地来说，不仅需要以上的定性判断，更需要定量的预测场地在未来地震中可能产

生的震陷量，以及抗震陷处理后地基的沉降量大小，便于为工程场地地基处理提

供参考。

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

31

（1）分层总和震陷量估算方法

如绪论中所提到，目前，针对黄土震陷量估算的方法已有多种。采用分层总

和方法（王兰民，1993）的原因在于，不同于基于微结构特征参数建立的半经验

半理论公式（邓津，2007）或者基于大量统计关机建立的震陷系数估算公式（陈

永明，2003）等，其经验公式是基于大量黄土地区室内动三轴试验的结果，对本

研究适用性较强，且并不纳入过多参变量，计算较为简便。方法主要思路与计算

方法如下：

假设研究区域的黄土层厚度为 h米，可将其按照某种或多种指标即密度、含

水率、孔隙比、液性指数、起始动应力等划分为 n层，那么第 i层的厚度就为 hi，

令同一类土层具有相同的震陷系数。给出各层可能遭受的动剪应力（τd）公式：

gaKh did max65.0 （3-2）

式中，γ为黄土的密度（kN/m3）；hi为土层深度；Kd为动应力折减系数（如

表 3.4所示）；amax/g为地震系数，即最大水平地面加速度与重力加速度之比。

表 3.4 不同深度黄土的动应力折减系数

深度 H/m 0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12.0

折减系数 Kd 1.000 0.985 0.975 0.965 0.955 0.935 0.915 0.895 0.850

得到τd后，按照σd=2τd的关系换算得到σd。在室内试验取得的震陷曲线上求

得σd所对应的震陷系数εp。

i

n

ipid hS

1

（3-3）

按此方法求出每层震陷系数εpi，乘以该层深度 hi，并按照公式（3）对各个

分层的震陷量求和，得到该场地土的总震陷量。

（2）原状及改良土震陷量计算

以取样地点—宝兰客运专线榆中地区为研究区域，基于室内试验结果对其进

行震陷量的预测以及改性处理方法效果评价。

表 3.5 兰州市地震反应分析结果（据张振中）

50年超越概率

63.2% 10% 2%

地震烈度 Ⅶ Ⅷ Ⅸ

PGA/g 0.055~0.130 0.170~0.280 0.314~0.560

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验

32

黄土地区地面运动参数的分布比较复杂，表 3.5为兰州地区地震反应分析结

果（张振中，1999），按照兰州城市地区部分地震地面运动参数，本文分别取

50年超越概率 63.2%、10%和 2%下最大水平地面加速度 amax的上限值，计算土

层遭受的动剪应力τd。

对于分层总和方法，震陷量除了由震陷系数决定外，还与场地的土层厚度密

不可分。由图 3.7给出了黄土高原地区黄土覆盖厚度，由图可知兰州地区黄土层

较厚，因此将地基处理计算深度延至 20m。

图 3.7黄土高原地区黄土层覆盖厚度图（据黄河中游黄土分布图，1986）

对于厚度小于 20m的场地按实际厚度计算。震陷量计算结果见表 3-6。

表 3.6 不同地基处理措施黄土场地震陷量预测结果

地基类型计 算

深 度

各地震烈度下最大震陷量（cm） 对应震陷等级

Ⅶ

（127.4gal）

Ⅷ

（274.4gal）

Ⅸ

（548.8gal）Ⅶ Ⅷ Ⅸ

原状黄土 20m 44.10 183.30 - Ⅲ Ⅳ Ⅳ

粉煤灰 20m 9.20 54.10 - Ⅱ Ⅲ Ⅳ

水泥土 20m 3.00 6.20 19.40 Ⅰ Ⅰ Ⅱ

强夯法 20m 3.30 12.10 38.60 Ⅰ Ⅱ Ⅲ

粉煤灰（夯实） 20m 2.30 6.90 19.30 Ⅰ Ⅰ Ⅱ

水泥土（夯实） 20m 0.70 2.20 6.80 Ⅰ Ⅰ Ⅰ

（3）适用性分析

目前黄土地区有关震陷量的等级划分尚未出台统一规范，而实际工程中根据

不同的建筑等级或施工需求对地基变形有不同的要求，因此，在这里参照《湿陷

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

33

性黄土地区建筑规范（GB50025-2004））》（中华人民共和国建设部，2004），

按 20m深度范围内的震陷量大小，将黄土震陷分为 4级，以适应不同的抗震设

计要求：

Ⅰ：0 cm< Sd≤7 cm，属轻微震陷；

Ⅱ：7 cm< Sd≤30 cm，属中等震陷；

Ⅲ：30 cm< Sd≤60 cm，属严重震陷；

Ⅳ：60 cm< Sd，属失稳破坏。

结合震陷量计算结果与表 3-6进行分析，对原状黄土场地来说，毫无疑问其

具有极强的“震敏性”，在多遇地震下便可致使地基产生严重震陷灾害，当Ⅶ度

以上强震袭击，场地会产生严重的地基下沉至失稳破坏，一旦发生在人居密集区，

其对房屋建筑和公路的破坏是毁灭性的，必须施加必要的抗震陷措施。

对于几种改良处理方法而言，其震陷量均随着峰值加速度的增加呈非线性增

长趋势。当最大水平地面加速度 amax为 127gal 时，即在多遇地震发生时，除了

添加粉煤灰的方法外，其他四种方法的使用使场地震陷量降低至 4.00 cm以下，

对于一般工程场地而言，可以认为消除了震陷。当 amax为 274gal时，即Ⅷ 度强

震来临时，化学改性中的水泥法以及两种复合改良方法—强夯-粉煤灰法、强夯-

水泥土法仍将产生的震陷量保持在 7 .00cm以下，而单独的物理改良强夯法抗震

陷效果开始显现出其不足。当罕遇地震发生时，即 amax为 548gal，强夯-水泥土

法下震陷量仍小于 7 .00cm，换言之，该方法已完全消除了场地的震陷性，即在

罕遇地震发生时，通过该方法处理的地基都可不考虑其引起的震陷灾害；其次，

水泥土法与强夯-粉煤灰法使其震害保持在中等破坏，也显现出其良好效果。

需要指出，对于实际的工程场地而言，选择何种地基处理方法不能一概而论，

不仅应考虑场地应用类别、建筑安全等级等，建造成本也是应纳入考量的重要因

素。举例来说，如果场地仅需满足当地基本设防烈度，那么选择强夯法无疑是既

廉价又便于施工的处理方法；但如果是高速公路、机场、重大工程建筑等对路基

或地基变形要求较高的特殊工程场地，强夯就无法满足要求，而应转而考虑化学

或物理-化学复合地基处理方法。尤其值得注意的是，随着峰值加速的增加，可

明显看出强夯-粉煤灰这一较环保低廉的复合地基处理方法逐渐显现出其优越

性，其效果可完全替代较为昂贵的水泥土法。

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验

34

3.2 电镜扫描试验

对于黄土震陷的发生，架空孔隙结构的坍塌破坏所致是目前学者们较为认同

的主要原因之一（张振中，2005；石玉成，2011）。而不同改良方法在震陷性消

除中对土体微结构变化所起的作用仍然是一个很复杂的问题，其中牵涉各类物

理、化学反应对孔隙和颗粒的大小、分布、排列，粒间接触关系以及胶结程度等

等因素的影响甚至是耦合作用。本章基于 SEM试验，结合图像分析处理软件，

以黄土颗粒及孔隙变化为主，探讨改良材料或方法对震陷性黄土在颗粒和孔隙的

数量、大小、形态、胶结形式、分形特征等方面进行分析。

3.2.1 微结构试验方案

（1）试样制备

试样采用的是上述室内动三轴试验前后的土样。首先将动三轴试验前、后的

原状黄土、强夯、粉煤灰、水泥改性黄土共 8组，经过自然干燥，使其完全风干，

将风干的试样掰开，掰取断面并选取具有较平整和保持原新鲜面的小土块作为观

察试样，制备成 10mm×10mm×2mm（长×宽×高）的薄片，并对其底部进行平整。

（2）试验仪器

土样的微结构图像获取采用 KYKY2800B 电子显微镜，其最高放大倍数为

10000倍。对土样进行扫描后，统一选取同一放大倍数的图像进行定量分析，注

意选择颗粒及孔隙清晰的二次像，将二次像通过图像处理软件进行归一化及二值

化处理，进而开展分析计算，得到所需参数。操作流程如图 3.8所示，具体步骤

如下：

图 3.8显微结构分析操作流程图

（3）数据提取原则与分类方法

本章在定量分析上以黄土颗粒及孔隙变化为主，探讨改良材料或方法对震陷

性黄土在颗粒和孔隙的数量、大小、形态、胶结形式、分形特征等方面进行分析，

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

35

因此，首先对颗粒及孔隙标准进行分类。

表 3.7 黄土颗粒显微结构分类表（据石玉成）

类别 颗粒形态 排列方式 连接形式 显微结构分类

Ⅰ 粒状 架空 接触 粒状、架空接触结构

Ⅱ 粒状 架空 接触-胶结 粒状、架空、接触-胶结结构

Ⅲ 粒状 架空-镶嵌 接触 粒状、架空-镶嵌接触结构

Ⅳ 粒状 架空 胶结 粒状、架空、胶结结构

Ⅴ 粒状 架空-镶嵌 接触-胶结 粒状、架空-镶嵌、接触-胶结结构

Ⅵ 粒状 架空-镶嵌 胶结 粒状、架空-镶嵌、胶结结构

Ⅶ 粒状-凝块 架空 胶结 粒状-凝块、架空、胶结结构

Ⅷ 粒状-凝块 架空-镶嵌 胶结 粒状-凝块、架空-镶嵌、胶结结构

Ⅸ 粒状 镶嵌 接触 粒状、镶嵌接触结构

Ⅹ 粒状 镶嵌 胶结 粒状、镶嵌、胶结结构

Ⅺ 粒状-凝块 镶嵌 胶结 粒状-凝块、镶嵌、胶结结构

Ⅻ 粒状架空 镶嵌 胶结 凝块、镶嵌、胶结结构

电镜中见到的黄土颗粒骨架形态大致可分为单粒状、集粒状和凝块状三种。

单粒包括粘粒（小于 5μm），粉粒（5μm-50μm）和砂粒（大于 50μm），这三种

颗粒除少量以单独形态堆积，形成分散的点接触和镶嵌接触外，主要以集粒或凝

块形态出现。集粒（50μm-100μm）为强度较低的单元，有崩散性，除弹性变形

以外还产生部分塑性变形，卸荷后凝块的回弹受到集粒约束，形成残余应变。凝

块（30μm-70μm）为强度较高的单元，只发生弹性变形（邓津，2007）。石玉成

等（2002）根据大量西北黄土的扫描电镜试验分析将黄土颗粒的形态、排列方式、

连接方式等划分了 12种显微结构，并按湿陷强度从上到下排列，得到广泛认同。

本章对于颗粒特征的分析和分级，参照其分类标准，如表 3.7所示。

孔隙大小无疑是影响震陷产生的重要因素之一。一般采用孔隙直径作为标准

进行分类，其分类标准如表 3.8所示：

表 3.8 黄土孔隙显微结构分类

孔隙分类 孔隙面积/μm2 孔隙直径/μm 孔隙性质

Ⅰ 4.5 r≤2 微孔隙

Ⅱ 28.3 2<r≤ 6 小孔隙

Ⅲ 113.5 6<r≤12 粒间孔隙

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验

36

Ⅳ 708.9 12<r≤30 架空孔隙

Ⅴ 2835.7 30<r≤60 次生大孔隙、集粒间孔隙

微结构图像的处理工作主要包括图像二值化、修复裂隙段以及去除杂点（图

3.9-b）以及颗粒和孔隙的自动/手动识别并统计其数量和几何信息（图 3.9-c）。

(a) 原状黄土微结构图像 (b) 二值化及杂点去除 (c) 颗粒识别与统计

图 3.9 微结构图像分析流程（以原状黄土震陷试验前图像为例）

3.2.2 震陷试验前试样显微结构分析

（1）震陷前颗粒特征

图 3.10给出了改性方法或材料的施加下六类黄土试样的微结构图像。对一

般黄土试样来说，除少量以单粒形态存在的黏粒、粉粒和砂粒以外，土颗粒主要

以集粒和凝块堆积形态呈现。在 400倍以及 600倍放大倍数下，可清晰的看出：

原状黄土的显微结构表现为集粒的粒径较大，粗矿物颗粒多且粒间以点接触形式

为主，多颗粒间形成架空结构。

图 3.10 震陷试验前原状试样微结构图像（左 400倍，右 600倍）

强夯过后（图 3.11）的黄土形成了明显的絮凝状结构，大的集粒由于压实作

用崩溃而进一步破裂为小集粒，颗粒排列更加密集且呈面状接触。

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

37

图 3.11 震陷试验前强夯试样微结构图像（左 400倍，右 600倍）

粉煤灰改良试样的显微结构（图 3.12）则表现为土颗粒表面遍布独特的球状

颗粒，即在粉煤灰中含量超过 70%以上的玻璃微珠，这些微珠粒径多在或粘结在

黄土颗粒表面或填充于中大孔隙，无疑对土体起到了致密和均质作用；另一方面

粉煤灰中的可溶氧化物 SiO2及 Al2O3等成分与水及土中水化物生成水合盐类，增

加了粒间胶结强度。

图 3.12 震陷试验前粉煤灰试样微结构图像（左 400倍，右 600倍）

添加水泥改良后的黄土（图 3.13）在颗粒粒径上变化不大，但是其明显改变

了颗粒间的胶结形式，颗粒叠置，甚至胶结成为大的凝块，颗粒排列方式也改变

为明显的镶嵌式结构，凝块之间分界明显。

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验

38

图 3.13 震陷试验前粉水泥试样微结构图像（左 400倍，右 600倍）

强夯-粉煤灰复合改良试样（图 3.14）除了仍表现为独特的大量球状玻璃微

珠的存在之外，颗粒形态与单独添加粉煤灰方法相比完全呈凝块状，粒间连接形

式以胶结为主，凝块排列非常密集且无明显方向性。

图 3.14 震陷试验前复合改良（强夯-粉煤灰）试样微结构图像（左 400倍，右 600倍）

强夯-水泥复合改良试样（图 3.15）与单独添加水泥的试样相比，其颗粒表

现为絮凝状物质更加明显，400倍下一个个小的凝块也被完全消除，看不出明显

的凝块边界，粒间完全胶结，中、小孔隙也消除殆尽，几乎成为一个大的集粒。

图 3.15 震陷试验前复合改良（强夯-水泥）试样微结构图像（左 400倍，右 600倍）

以 400倍下各类试样的微结构图像为例，通过对大量原状及不同改良方法黄

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

39

土试样图像中的颗粒形态参数进行定量统计，其粒径-数量分布如图 3-16所示，

（由于复合改良试样强夯-粉煤灰法和强夯-水泥法其颗粒和集粒排列太过密集，

边间无法辨认，认为几乎其颗粒胶结完全，完全消除了粒间和凝块间的孔隙因而

不做统计）从图中可知：总体上，无论是哪种改良方法，都和原状黄土一样具有

粒径越大颗粒数量越少的规律，且 60%以上的颗粒都集中在 15um内。同时，改

良方法的不同也显现出了一些差别：强夯作用在相同面积下可识别与统计到数量

最多的土颗粒，且主要是将 30um以上的中大颗粒挤压破碎为 5-20um左右的颗

粒；颗粒数量其次的为粉煤灰改良试样，同时注意到其曲线在 30um左右有一个

小的峰值，该现象与粉煤灰形成的玻璃微珠多在 30um不无关系；而水泥改良方

法虽然也一定程度上增加了中小颗粒数量，减少了部分粒径较大颗粒的数量，但

相较其他两类方法而言效果稍弱。

图 3.16 各类试样粒径--数量分布统计图 图 3.17 各类试样孔径-数量分布统计图

（2）震陷前孔隙特征

同样，对试样的孔径-数量进行定量统计，其结果如图 3.17所示。总体来看，

三类改良方法的孔径-数量分布与原状黄土具有较为一致的趋势，这一点和颗粒

粒径-数量的表现有所不同，也说明对不同改良方法而言，用孔隙的微结构特征

参数与其残余应变相对应其效果会更高。具体来看，粉煤灰方法显著提高了 10um

内的孔隙数量，水泥改性方法次之，这可能是由于化学方法生成了细颗粒物质因

而也增加了中小孔隙的数量，同时这些化学物质遍布或填充原先的颗粒孔隙，起

到了分割大孔隙的作用因此将数量较少的大孔隙分为数量较多的中小孔隙；强夯

方法对 10um以内的微、小孔隙数量改变并不明显，但对于 10um及以上的孔隙，

强夯法对其数量减少最多，换言之，强夯法对中大孔隙的消除较为明显，而两种

化学改良方法则主要是对 50um 以上的大孔隙或架空孔隙有一定的减少，在

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验

40

10-50um左右的小中孔隙统计中甚至还有增加的趋势。

3.2.2 震陷试验后试样显微结构分析

（1）震陷后颗粒特征

将四类试样分别进行震陷试验，并收集试验后的试样进行微结构扫描，结果

如图 3.18~3.23所示。

图 3.18 震陷试验后原状试样微结构图像（左 400倍，右 600倍）

试验后的原状试样架空孔隙结构明显减少，集粒平均粒径减小，数量变多，

这与早前得到的架空孔隙结构的坍塌是震陷的产生重要原因是相吻合的。同时，

可以看到该地区试样较为疏松以至于震陷产生、试样完全破坏的情况下其微结构

依然表现为粒间多为点接触，大中孔隙较多。

强震的振密作用使得试验后的强夯试样与实验前相比其粒状-镶嵌状结构更

为明显，即中小颗粒增多填充在孔隙中间，粒间接触方式不再以点状接触为主，

接触面积更大但又不至于完全镶嵌，颗粒间界限依然较为明显，便于在统计分析

时对其进行划分。结合振次 N=40的震陷试验结束后原状、强夯、粉煤灰、和水

泥四类黄土试样的颗粒粒径-数量分布（如图 3.24所示）。首先可以看出强震作

用使得粒径极小的的单粒或集粒不同程度的压缩或振密形成更为致密的稍大的

集粒因此与震陷试验前相比，10um以下的土颗粒都不同程度的减少了。相同放

大倍数下，已产生震陷的原状黄土与原始情况相比，5um及以下的单粒或小集粒

数量减少，10-30um之间的中小型集粒数量明显增多，总体上颗粒数量增多且平

均粒径增加。在动三轴试验中其宏观上表现为 N=30时早已发生了断裂和破碎，

结合图像可以推测地震波的施加使原本就脆弱的大团粒之间的胶结断裂，崩溃分

解为小团粒，迫使其分布与排列向更致密的方向进行，也因此产生新的中小孔隙，

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

41

另外还有部分小的团粒或单粒直接掉入大中孔隙中，这些行为在地震波来临的较

短时间内同时发生，宏观表现为短时间内残余应变发生极大变化，土体震陷并且

产生剪切变形和酥裂现象。

图 3.19 震陷试验后强夯试样微结构图像（左 400倍，右 600倍）

图 3.20 震陷试验后粉煤灰改性试样微结构图像（左 400倍，右 600倍）

图 3.21 震陷试验后水泥改性试样微结构图像（左 400倍，右 608倍）

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验

42

图 3.22 震陷试验后复合改良方法（强夯-粉煤灰）微结构图像（左 400倍，右 600倍）

图 3.23 震陷试验后复合改良方法（强夯-水泥）微结构图像（左 400倍，右 610倍）

对于两类化学改良方法来说：由于粉煤灰形成的玻璃微珠不仅起到了增加中

小颗粒，填充并消除部分架空和大中孔隙的作用，更重要的是接近标准形态的独

特的球状微珠在颗粒排列调整时起到了“缓冲”作用，因而在三轴试验中试样并

未发生剪切破坏，而表现为试样中部的鼓胀，微观表现为 20-30um之间的形成的

颗粒或玻璃微珠造成的曲线峰值由于极小粒径颗粒的减少更加明显；对于添加水

泥的方法来说，其生成的化学物质同样如此。但对水泥改性方法来说，值得注意

的是，正如其化学原理中所提，其反应后土体强度虽增强，但土体脆性也大大增

强。这在实际工程中的意义在于，在产生相同震陷量的情况下，添加粉煤灰的地

基在震害上表现为渐进的、均匀的沉降，而水泥夯实地基则表现为无先兆的突然

破坏，发生剪切变形和断裂（这由三轴试验的宏观现象得到了印证），并产生不

均匀沉降，对其上的建筑物造成更大的影响。

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

43

（2）震陷后孔隙特征

图 3.24试验后各类黄土试样颗粒粒径--数量分布图 3.25试验后各类黄土试样孔径--数量分布

震陷试验后其相应的孔隙特征与数量关系如图 3.25中所示。可以看出，震

陷试验后，改性方法的施加加之循环荷载作用的结果使得大中孔隙几乎完全消

除。同时压实与振密作用带来的集粒的分解又会使土样发生新的中小孔隙的增

加，在这个动态变化过程中孔隙在粒径较小的区域变化率最大。因此，可以看到

在改良方使微孔隙大幅增加，并且使架空孔隙完全消除，大孔隙大量减少。值得

注意的是，在强夯试样中，微、小孔隙数量有了大幅增长，但总体孔隙面积却大

大降低，这说明虽然中大孔隙数量较少，但其消除非常关键，相比而言微孔隙的

增长并不影响黄土震陷。对两类化学改性方法来说，同样的，微、小孔隙大幅增

长，虽然其孔隙数量变化很大，但总孔隙面积却与震陷前变化不大，结合残余应

变曲线中其抗震陷效果远元优于强夯法，进一步证明了对于化学材料添加的黄土

试样来说，其改良作用主要体现在颗粒接触和胶结方式上，而非对孔隙的改善上。

3.3 小结

（1）宝兰客运专线沿线黄土具有低含水率，土体疏松、震陷性极强的特点，

室内动三轴试验结果显示粉煤灰、强夯、水泥土等物理和化学改性方法抗震陷性

能均具有改善作用，但作用效果有所不同，对实际工程场地来说，应根据其地基

变形精度要求，造价等作出合理选择。以地震烈度为例，在设防烈度为Ⅶ以下的

地区，强夯法、粉煤灰法即可达到规范所要求的地基变形范围；但随着地震烈度

增高，特别是在烈度高于Ⅷ度区，在制备水泥土和粉煤灰土样时提高其密度，即

第三章 原状及改良黄土试样震陷试验

44

将强夯法与化学改性方法相结合，对于强震作用下黄土地基的抗震陷具有最佳效

果。同时考虑经济与实用性，以粉煤灰代替水泥进行地基处理，不仅抗震陷效果

相近，并且能大大降低工程造价成本。

（2）无论采取何种改良或改性方法，其目的都是设法对颗粒、孔隙或粒间

接触情况做出改变，包括改变颗粒组分以及颗粒排列方式，减小或填充孔隙体积、

增大颗粒接触面积，增强粒间胶结程度等，以提高其力学性能，从而增大黄土地

基强度。强夯作用对抗震陷性能的提升是从两个方面进行的，一方面压实作用使

得大的疏松集粒破裂，中小粒径的颗粒增多，颗粒级配更好，另一方面大中孔隙

尤其是架空孔隙得到完全消除。化学改良方法虽然对土样微小孔隙数量上有较大

提升，但土体总孔隙面积变化不大，其残余应变的减小主要源自于化学作用产生

的物质颗粒间的胶结作用和对集粒本身的粘结。

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

45

第四章 原状及改良黄土地基震陷振动台试验

黄土震陷作为黄土地区的一种主要灾害类型，在研究之初就受到广泛关注，

至今经历约30年的研究发展历程，长期受到科研及工程技术人员的广泛重视。但

由于缺乏大型物理模拟验证和基于力学机制和物理过程的震陷量计算模型而受

争议。本章主要分为两部分试验，第一部分试验是为了真实模拟西北地区典型的

具有震陷性的黄土地基在地震作用下的破坏过程，研究不同地震荷载作用下黄土

场地的动力失稳特征和震陷问题，因此直接在野外取备无扰动的大型原状黄土试

块进行试验。第二部分试验属于重塑土模型试验，即在原状土中加入改性材料或

施加物理改良手段，在前述基础上，探讨几种典型的物理、化学改性方法（或材

料）的有效性，实测不同频谱特性、不同幅值地震波荷载作用下黄土震陷量，为

震陷性黄土地基地震动力响应特性的研究和改良方法评价提供依据。

4.1 试验设备

4.1.1 振动台

本次振动台模型试验使用中国地震局黄土地震工程重点实验室的大型电伺

服式地震模拟振动台（如图4.1所示）。

图4.1 4 m×6 m水平垂直双向地震模拟振动台

第四章 原状及改良黄土地基震陷振动台试验研究

46

该振动台台面尺寸长×宽为6 m×4 m，共由28台伺服电机驱动，其中，垂直

向由16台22 kW的AC伺服电机驱动，水平向由12台37 kW水冷式伺服电机驱动。

电机额定功率为748 kW，稳定输出为22 kW~37 kW，转子惯性扭矩为70×10-4

kg·m2，响应频率为300 Hz。其主要控制指标如表4.1所示。

表4.1 振动台各参数规格

4.1.2 模型箱设计

本试验采用刚性密封模型箱，模型箱主体尺寸为 0.80 m× 0.80 m× 0.10 m（长

×宽×高），设计图如图 4.2所示。

指标类型 分项指标 详细参数

振动台

台面台面尺寸 4000mm （纵） × 6000mm （横）

台面材质 铝合金

台面质量 约20t

加速度

传感器传感器形式 压变型加速度传感器

最大加速度 （空载） 水平：4g；垂直：3g

测量方向 水平 X 向，垂直 Z 向

水平加

振功能

加振作动器 多轴并联式 （AC 伺服电机+滚珠丝杠）

最大加振力 600kN

最大振幅 ±250mm

加振频率 （满载25t） 0.1Hz～70Hz

最大加速度 （承载20t） 1.7g

最大速度 1.5m/s

最大承载 25t

垂直加

振功能

加振作动器 多轴并联式（AC 伺服电机+滚珠丝杠）

最大加振力 600kN

最大振幅 ±100mm

加振频率 （满载15t） 0.1Hz～50Hz

最大加速度 （满载15t） 1.2g

最大速度 0.7m/s

最大承载 15t

水平、垂直向

耦合联动加

振功能

加振作动器 多轴并联式 （AC 伺服电机+滚珠丝杠）

最大振幅 水平：±150mm；垂直：±100mm

加振频率 （承载15t） 水平：0.1Hz～50Hz；垂直：0.1Hz～50Hz

最大加速度 （承载15t） 水平：1.2g；垂直：1.0g

最大速度 水平：1.0m/s；垂直：0.7m/s

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

47

为了便于观察在加载过程中的模型破坏情况，箱体长度方向两侧设置为有机

玻璃板（图中蓝色部分所示），板厚 30 mm；模型箱宽度方向两侧设置普通碳钢

板，板厚 20 mm，在箱体内部四角添加毫米级刻度标尺用于测量试验最终震陷量

大小。

在箱体上部定制 10mm厚的钢材质模型箱盖，箱盖可在内部有土体的情况下

以钢条固定在模型箱内部；在试验过程中，应力施加装置被放置在土体模型和固

定的箱盖之间，从而依靠反力作用对土体施加上覆土层应力。

为了便于吊装，在模型箱四角固定 M20 吊环。模型箱底部预留 16 个直径

16mm的孔洞，通过六角螺钉组M16×60将其固定在振动台台面上。

为了避免振动过程中，材料通过模型箱底部孔洞渗漏在振动台上污染台面，

尤其为了防止模型渗水至台面上对振动台机电设备造成影响，在模型箱底部铺设

了一层透明橡皮垫，并在底部孔洞部位灌注玻璃胶水防止液体渗漏。

（a）模型箱体 （b）模型箱盖

（c）箱-盖装配示意图

图 4.2 模型箱三维立体视图

第四章 原状及改良黄土地基震陷振动台试验研究

48

4.2 试验材料与模型制备

4.2.1 模型相似关系确定

大型物理模拟常用的相似设计方法有方程分析法和量纲分析法（周颖，

2003），方程分析法适用于拟解决问题的方程已知的情况，相似设计中其他相似

常数直接通过方程分析得出；而当未完全把握待求解问题的规律或未获得明确的

函数关系时，则采用量纲分析法，首先确定已知相似常数，由可控条件推导未知

条件。本文采用似量纲分析法：相似物理现象的π数相等；n个物理参数、k个基

本量纲可确定（n-k）个π数。模型试验的相似设计一般要求满足几何相似 CL、

材料或介质的物理学相似 Sσ以及运动学和动力学 Sa相似：

（1）几何相似常数 CL

几何相似是模型试验首先应遵守的第一个相似原理，也是通过技术手段最容

易满足的相似条件，试验模型与原型之间对应部分的尺寸成比例，对应角相等。

在本试验中，为更好的消除模型试验缩尺效应的影响，对大型试块施加轴向

与侧向的压力进行原场地的应力状态还原，因此模型按 1：1比例还原原型场地

得到震陷模型，即取振动台模型试验几何相似比 CL=1，模型高为 0.9m，底长为

0.75m，宽度为 0.70m。

（2）材料物理学相似 Sσ

考虑到黄土的大孔隙弱胶结架空结构是可能导致震陷灾害的重要原因，而这

种黄土的特殊结构采用常规的配比材料进行室内分层填夯重塑的方法很难进行

模拟与还原，因此在原场地直接挖取大型原状黄土试块进行试验，保证了模型土

的结构、强度和原场地的一致性，因此应力相似常数相似比 Sσ=1。改良地基模

型添加的粉煤灰或水泥比例参照前文室内试验所示。

（3）加速度相似 Sa

加速度在模型设计中的重要性不言而喻，它决定着模型设计是否能够反应场

地地基在各种烈度下的真实地震反应。动力学相似关注的对象应为模型本身和输

入地震动。

对于输入地震动来说主要针对加载地震动的频率特性展开，其结果要使按模

型缩尺比例进行时程压缩修正后的地震动加载频率接近模型的固有频率，以实现

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

49

地震动施加于模型动应力的有效性。试验模型的相似基于原型场地的尺寸，重量

及所处地层深度等参数确定。因此在这里 Sa的范围在 1-1.5之间。

模型边界对地震波的反射、折射和透射现象是不容忽视的，处理不当会使得

试验结果准确性降低，因此，无论是原状试样还是抗震陷改良试样，在模型边界

处布设 5cm 厚的海绵以消除边界效应的影响，而侧向与轴向的应力施加装置和

模型土之间也设置为柔性边界。

有了以上 3个可控相似常数，利用量纲分析法确定其余物理量的相似常数。

振动台试验常用物理量及物理常数量纲见表 4-2。

表 4.2 常用物理量量纲表

物理量 长度 L 时间 T 质量 m 应力σ 弹模 E 泊松比μ 应变ε

质量系统 [L] [T] [M] [ML-1T-2] [ML-1T-2] [1] [1]

物理量 比重γ 密度ρ 力 F 弯矩 M 位移 x 速度 v 加速度 a

质量系统 [ML-2T-2] [ML-3] [MLT-2] [ML2T-2] [L] [LT-1] [LT-2]

相似理论求得的π数是独立的无量纲组合，即要求已知物理量的量纲与待求

物理量的量纲组合为[1]，也就是说已知与未知物理量组合的基本量纲的幂指数

之和为 0。那么，易由幂指数的线性变换确定各相似常数间的关系。以求解比重

的似量纲分析法为例：

表 4.3 比重γ的相似常数求解

量纲已知物理量 线性变换

L σ a γ γ-σ γ-σ+L

M 0 1 0 1 0 0

L 1 -1 1 -2 -1 0

T 0 -2 -2 -2 0 0

即1 1l

l

SS S S SS

对本项研究来说，由于试验目的即为避免缩尺效应的原场地大试块 1:1模拟

试验，因此其各物理量的变换并不复杂，相似比均为 1。

4.2.2 原状模型土制备

模型试验选取宝兰客运专线兰州榆中段附近黄土地基作为模拟对象（图

4.3），为了保证试体物理力学特性的天然性，在未扰动地区依照表面地形开挖

第四章 原状及改良黄土地基震陷振动台试验研究

50

探槽用于取备不同深度振动台试验模型，每个原状黄土模型尺寸长×宽×高拟定

0.80m×0.80m×0.80m（用于固定土体的角钢厚度需占用长度，因此长×宽×高

最终调整为 0.75m×0.70m×0.80m），取样深度均为 4.00m。

图 4.3 宝兰客运专线榆中沿线（范家窝区域）未扰动场地

大型原状土样的取备以人工掏挖、削平成样为主，为了尽可能保证取得的试

样结构不被破坏，将模型箱运至现场，土样的削制完成和装箱固定同时完成，辅

以机械吊装，运送至振动台试验现场，在过程中将箱体上部土体暴露部分以塑料

膜密封，防止土样含水率发生变化。

图 4.4 大尺寸原状试块野外取备过程

试样运至室内后，移除箱体，按照既定尺寸对试块进行进一步削制与部分边

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

51

角修补，然后进行土体内传感器的布设工作。

4.2.3 改良地基模型土制备

对于改性模型，为减少其他因素干扰，便于分析不同地基改良方式的本质效

果，制备密度接近场地天然密度 1.39g/cm3的粉煤灰、水泥土地基模型各一组；

同时考虑到实际工程中对黄土地基的压实要求，以 1.65g/cm3为试样击实密度制

备强夯、粉煤灰、水泥土试样各一组。表 4.4分别给出了原状黄土及各改良物质

的材料参数（粉煤灰和水泥参数取自 GB175-2007国家出厂水泥技术指标）。

表 4.4 改良试样材料参数

材料 密度/g.cm3 弹性模量/MPa 泊松比 内摩擦角/° 粘聚力/kPa

原状黄土 1.39 23 0.3 23 22

粉煤灰 2.60 150 0.2 35 --

水泥 3.15 200 0.2 30 1000

粉煤灰模型：主要以原状黄土散土、粉煤灰和水为主，相应材料配比为

74%:16%:10%。由于散土本身具有一定含水率，并且易于蒸发，加水时需扣除这

部分，因此每次模型制作前对散土再次测定密度与含水率。实测其密度为

1.39g/cm3，含水率为 4.0%。根据设定模型体积计算得到所需材料总质量为

656.8kg，其中散土 526.2kg，粉煤灰 91.1kg，水 39.5kg。

强夯模型：主要以原状黄土散土和水为主，干土与水的配比为 90%:10%。

需要说明的是，室内进行强夯制样的过程为人工制作，受现有的强夯机器所需夯

击空间较大以及模型箱强度等影响，无法利用重型强夯机械进行制样，试验中制

备模型密度很难达到实际工程中要求的密度 1.75g/cm3，本次试验中夯实后其密

度为 1.65g/cm3。实测散土含水率为 4%。

水泥土模型：主要以原状黄土散土、水泥和水为主，相应材料配比为

85.5%:4.5%:10%。

将材料加水搅拌均匀后，采用人工分层填夯的方法，将模型分层制作，每份

均匀铺洒并适当碾压至标记高度以控制各层密度不变，制作后在箱体上做好标

记。在填夯下一层之前对平面进行刮毛以尽量消除分层现象，制作过程如图 4.5

所示。

第四章 原状及改良黄土地基震陷振动台试验研究

52

（a）材料称重搅拌 （b）箱体分层标记

（c）土体分层填夯 （d）模型完成

图 4.5 改良黄土地基模型制备

4.2.4 传感器布置

为明确原状黄土地基模型及抗震陷改良的地基模型在地震力作用下的动力

响应及震陷灾变过程，对模型进行以下内容测试：加速度响应、横向剪切变形测

量以及竖向动态变形测量。

（1）加速度传感器布置

在本次试验中，地基的振动加速度反应量测是主要内容。为不破坏原状土体

结构，在尽可能掌握其灾变过程的前提下减少传感器的布设数量。如图 4.6所示

为加速度传感器布设图，主要测试方向为 X和 Z向，即沿地震波传播方向以及

垂直方向。对原状黄土地基模型，采用掏挖局部原状土体的方法（如图 4.7所示）

进行埋设；对于几类抗震陷改良地基模型，则在模型分层夯制时一并埋设传感器

（如图 4.8所示）。在埋设过程中传感器指向定位严格控制，并用细料压实。

（2）位移传感器布设

在振动加载的过程中，除了可能产生的震陷现象，土体可能产生的横向剪切

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

53

图 4.6 加速度传感器布设图

图 4.7原状模型中加速度传感器埋设方法图示

图 4.8 改良模型中加速度传感器埋设方法图示

第四章 原状及改良黄土地基震陷振动台试验研究

54

破坏以及竖向沉降是震陷试验中最为关注的量，因此，在模型侧面埋设拉线式位

移传感器，竖向布设激光位移传感器，如图 4-9所示。

图 4.9 位移传感器布设图

位移传感器布设过程中，模型 X、Y两侧面以及竖向 Z均布设了应力施加装

置，其对传感器的布设造成了干涉，致使对震陷模型位移的动态监测成为试验中

较为困难的一步。在侧向拉线位移传感器的布设时，避开布设了土体应力施加装

置的一侧，而将传感器布设在安装隔震海绵的一侧，并提前将布设点箱体对应高

度处切割出安装圆孔，待模型制作完成并吊装至振动台台面后，将传感器一侧固

定于定制的金属支架上，一侧透过圆孔固定于模型侧面，如图 4.10所示。

图 4.10 拉线式位移传感器布设方法

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

55

图 4.11 传感器总体布设方案图

为了模拟一定深度黄土地基的上覆和侧向土层压力，原状试块的上顶面和相

邻的两侧面分别布设气囊，气囊大小完全覆盖试块表面，气囊连接带有气压表的

充气装置，试验时将气囊充气以对土体在竖向和两侧向施加恒定压力，根据测试

实验，每个气囊最大可承受 45kPa的压力，对于密度为 1.4g/cm3的土体来说，相

当于 3.2m的土层深度。为了尽可能减小模型箱刚性边界波动反射，试验时在模

型另外一侧布设高密度橡塑海绵将土体和模型箱边界隔开，以有效减轻模型箱边

界对波的反射。模型箱底部土体模型边界处焊接角钢，防止土体在振动过程中产

生相对滑移，确保模型破坏为剪切破坏。

4.2.5 地震波特性

第四章 原状及改良黄土地基震陷振动台试验研究

56

振动台试验采用输入加速度时程曲线的方式来实现地震波的模拟，为了研究

震陷性黄土地基模型的动力响应规律，讨论地震荷载作用下黄土地基震陷灾变过

程和震陷量测量，试验分别采用正弦波（1-50Hz）、EL-Centro 波（低频）、汶

川文县波（高频）三种加载波形，11个加载工况。输入荷载采用典型的远场地

震记录波及近场地震记录波，如汶川地震记录波，每种地震波分别均施加水平方

向（X方向）。为了研究不同地震荷载加速度幅值条件下，土体的动力响应情况，

试验模拟对模型从小到大分不同的烈度逐级施加。

正弦波（频率范围 3.0-50 Hz），扫频过程中，位移以对数函数形式递减。

恒定的加速度情况下，频率越高位移越小，由于采集器的灵敏度限制，不同的加

速度对应的可采频率范围不同。试验中加载 100gal正弦波，如图 4.14所示。

EL- Centro波为 1940年 5月 18日位于加州南部的埃尔森特罗一台强震仪记

录下的主震加速度时程曲线。其水平分量的加速度时程曲线以及傅里叶曲线如图

4.14所示。地震波卓越频谱在 0.25，输入地震动作用时间为 40 s。

图 4.13 100gal正弦扫频示意图

图 4.14 EL波水平加速度时程及傅里叶谱曲线

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

57

图 4.15 汶川文县波水平加速度时程及傅里叶谱曲线

汶川文县波为 2008年 5月 12日汶川地震时文县强震台记录的主震加速度时

程曲线。其水平分量的加速度时程曲线以及傅里叶曲线如图 4.15所示。卓越频

谱在 1.48和 22.8，输入地震动作用时间为 60 s。

为了研究试验模型在不同烈度的地震力作用下的动力响应，按照Ⅶ度、Ⅷ度、

Ⅸ度、Ⅹ度、Ⅺ度烈度递增的顺序水平方向（x方向）对模型进行加载，加载工

况如表 4.5所示。

表 4.5 原状与改良黄土地基模型试验加载工况

序号 加载波形 激振方向 烈度 振幅（gal）

1 正弦扫频 x 7度 100

2 EL 基岩 x 7度 100

3 汶川文县波 基岩 x 108

4 EL 基岩 x 8度 200

5 汶川文县波 基岩 x 216

6 EL 基岩 x 9度 402

7 汶川文县波 基岩 x 432

8 EL 基岩 x 10度 804

9 汶川文县波 基岩 x865

第四章 原状及改良黄土地基震陷振动台试验研究

58

10 EL 基岩 x11度

1206

11 汶川文县波 基岩 x 1297

4.3 小结

黄土震陷与其特殊的土体结构密切相关，利用原状黄土试块进行震陷研究是

试验结果更为精确的保证，随着取土技术和设备的改进，对于大型原状试块的取

备与运输成为可能，也是本章得以以 1:1的几何尺寸对黄土地基进行模拟。同时

对于振动台试验来说，其目前多用于滑坡、结构的模拟与测试，对于像震陷试验

一样需要对土体进行固结并且土体深度作为影响震陷量的重要因素的试验中，针

对不同的试验设计方案，对模型箱进行设计和改造，制作满足要求的压力施加设

备，对于大型模型试验的成功实施以及更加准确的数据获取尤为重要。

试验过程中，以施加的地震作用为基础数据，以加速度传感器记录的数据为

地基动力响应特性标准，以黄土地基模型宏观变形与网格标记数据为震陷宏观破

坏程度描述，以位移传感器记录的数据为沉降量精确指标，探讨黄土场地震陷性

与地基抗震陷处理方法的有效性。

第五章 振动台模型试验结果综合分析

59

第五章 振动台模型试验结果综合分析

通过开展考虑施加土层应力典型黄土场地获取以原状大尺寸黄土试块模型

试验和不同改良处理模型振动台试验，开展抗震陷性评价，研究方法和内容较传

统方法都进行了改进，以期对黄土震陷研究取得新的进展。本章对原状与不同抗

震陷改良地基模型的振动台试验获得的数据主要有加速度反应时程以及水平与

竖向的动态位移监测数据进行处理，从试验现象、模型的动力响应特征、残余变

形等方面进行了分析和归纳。试验结果表明，原状与改良模型与室内试验规律具

有一致性，本次振动台试验基本达到了试验前的预期目标，试验结果能够为高烈

度区震陷性黄土场地地基改良与震灾防治提供依据与参考。

5.1 模型变形破坏特征分析

5.1.1 原状模型

原状黄土地基模型的宏观破坏现象较为剧烈，尤其表现在Ⅷ度及以上。从模

型侧方可视面将其在地震动加载全过程的变形情况绘制如图 5-1所示。

（a）Ⅷ度可视面破坏情况 （b）Ⅸ度可视面破坏情况

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

60

（c）Ⅹ度可视面破坏情况 （d）Ⅺ度可视面破坏情况

图 5.1 原状模型宏观破坏情况侧视图

模型在Ⅶ度时宏观破坏现象不明显，但从Ⅷ度开始，模型表层 30cm以内便

开始产生几处细小的短裂隙，裂隙平均长度在 5cm左右，尤其以侧视图的右方

模型上角处最为密集；Ⅸ度时短裂隙数量增加，并且部分裂隙开始有融合趋势，

模型左下角处产生一条 15cm的裂隙；Ⅹ度开始，短裂隙进一步延长，仅在侧方

可视面上就产生十数条裂隙，并且几条大的裂隙逐渐贯通；当所有工况加载完毕

后，模型破坏处主要集中在顶面和四角部分，尤其以顶面破坏最为剧烈，大、小

裂隙无数，土体被震松、震裂，其宏观破坏形态与永登疙瘩沟典型震陷地区的破

坏现象颇具相似性。

5.1.2 化学改性模型

化学改性模型即粉煤灰改良以及水泥改良地基模型各一组。

粉煤灰模型的可视面在整个地震波加载过程中并未产生明显裂隙，仅在侧向

且靠近表层右上角有 6cm3坍塌并在其下方产生一处 5cm的细小裂隙，如图 5.2

所示。模型卸载后还可见到模型两侧壁中部呈微鼓状，与室内试验宏观现象颇具

一致性，即模型中部鼓胀，整个试样无明显断裂和破坏现象。

第五章 振动台模型试验结果综合分析

61

图 5.2 粉煤灰模型可视面宏观破坏现象

水泥土地基模型在前几个工况无明显破坏情况，其细小裂隙虽然不多，但随

着地震烈度增加，与原状模型相比，产生的脆性破坏使得其产生贯穿整块土体的

裂隙，从侧方可视面将其在地震动加载全过程的变形情况绘制如图 5.3所示，在

Ⅷ度时于表层 10cm位置产生 2处 5cm长度的裂；Ⅸ度时土体表层短裂隙数量增

加,；Ⅹ度中部位置产生竖向裂隙并有扩大趋势，最终形成 X状贯通裂隙，中下

部水平方向同时产生剪切破坏。

（a）Ⅷ度可视面破坏情况 （b）Ⅸ度可视面破坏情况

（c）Ⅹ度可视面破坏情况 （d）Ⅺ度可视面破坏情况

图 5.3 水泥土模型宏观破坏情况侧视图

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

62

5.1.3 物理-化学复合加固模型

强夯-水泥土复合处理地基模型土体非常坚硬，从可视面上没有观察到任何变

化，无土体的下沉或上升，也无任何裂隙或破坏产生。但是在模型土体卸载过程

中，距顶面 20cm处产生了一条水平向贯通裂隙，如图 5.4所示，整块土体在此

处被错段，产生水平剪切。

图 5.4 复合模型中水平向贯通裂隙

5.2 加速度响应特征

震陷试验过程中，在原状模型不同位置处共布设了 6个加速度传感器，改性

模型对应位置亦然。通过对加速度数据的提取和分析以揭示模型的加速度动力响

应规律。

由于四类模型的加速度随着地震烈度的增加沿高程方向的规律具有一定相

似性，本文分别以原状模型和水泥土改良模型为例对其加速度响应进行说明，不

再将全部工况的加速度时程曲线一一罗列。

如图 5.5和 5.6为原状模型分别在 EL Centro波（X向）及汶川文县波（X向）

加载过程中沿高程方向布设的加速度传感器 A1、A3、A5记录的加速度时程曲

线，设计加速度峰值为 800gal，即模拟地震烈度为 X度。

第五章 振动台模型试验结果综合分析

63

图 5.5 ELCentro波加载下原状模型加速度时程曲线（X度）

由图可见，总体来说，在相同的地震波输入下，随高程增加，模型的峰值加

速度增大。但模型随高程的增加对两种地震波的敏感性有很大区别：地基土在

EL Centro波的输入下，随高程的增加，峰值加速度有所增加，但数值不大，即

从台面的 7.40m/s2到 A1点 9.01m/s2最后增加到模型顶面的 10.03m/s2；但汶川文

县波的输入使得地基土沿高程方向加速度峰值的增速越来越大，加速度峰值从

6.78m/s2到 A1点 8.48m/s2，A2点增至 10.33m/s2，模型顶面 A3达到 12.85m/s2，

比台面增大了了将近一倍。也就是说，随着高程的增加，地基土对地震波产生了

不同程度的放大效应。

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

64

图 5-6 汶川文县波加载下原状模型加速度时程曲线（X度）

以水泥土改性模型为例，对其在相同地震波（以文县地震波为例）输入下，

相同高度（500mm，A3 点）处不同烈度的加速度时程曲线进行分析，如图 5.7

所示，由图可知，随着地震烈度的增加，模型的峰值加速度增长非常迅速，在Ⅶ

度下为 1.24m/s2，Ⅷ度时增长为 2.93m/s2，Ⅸ度 6.21m/s2，Ⅹ度 12.08m/s2，Ⅺ

14.77m/s2，即随烈度的增加以 2倍左右的速度递增。

图 5.7 汶川文县波各烈度加载下水泥模型加速度时程曲线

图 5.8~5.11分别列出了四类模型台面以及沿高程三个位置加速度传感器布

设点实测的水平加速度峰值。由于振动台加载频率范围为 0.1~70Hz，在输入时

第五章 振动台模型试验结果综合分析

65

高于此范围成分被滤掉，加之不同加入材料对地震波的放大作用，使得实际的测

量与试验设计输入的 X向加速度峰值有所出入。

从图中四类模型台面处（高程为 0）加速度峰值的比较可知，实测的水平加

速度峰值基本满足设计值，误差范围平均在 10%以内。以模型顶部加速度峰值与

台面实测的加速度峰值的比值结果为模型的 PGA放大系数，则原状黄土地基模

型对台面输入的水平加速度放大系数在 1.2~2.6之间，平均不超过 2.0；粉煤灰模

型对台面输入的水平加速度放大系数在 1.1~1.9之间，水泥土模型、强夯-水泥复

合处理模型与粉煤灰模型放大规律极为相似，放大系数均在在 1.2~1.9之间。

不同地震波类型对放大系数的非常敏感，在本试验中输入的波形中，汶川文

县波的放大系数在各模型中以及各烈度下均大于 EL波，平均升高 0.5左右。随

着地震烈度的增加汶川文县波的地震动放大系数增速也原来越快。

（a）Ⅶ度 （b）Ⅷ度

（c）Ⅸ度 （d）Ⅹ度

图 5.8 原状黄土模型高程-加速度关系曲线

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

66

（a）Ⅶ度 （b）Ⅷ度

（c）Ⅸ度 （d）Ⅹ度

图 5.9 粉煤灰黄土模型高程-加速度关系曲线

（a）Ⅶ度 （b）Ⅷ度

第五章 振动台模型试验结果综合分析

67

（c）Ⅸ度 （d）Ⅹ度

图 5.10 水泥黄土模型高程-加速度关系曲线

（a）Ⅶ度 （b）Ⅷ度

（c）Ⅸ度 （d）Ⅹ度

图 5.11 强夯-水泥复合黄土模型高程-加速度关系曲线

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

68

5.3 沉降量综合分析（包括沉降量与埋深、水平位置关系分析）

在强震荷载下，地基可能发生的下陷、不均匀沉降以及破坏规律是震陷试验

最为关注的问题，也是科研人员研究的重点。为了测量模型的残余变形，在垂直

方向埋设了激光位移传感器，在可视面上，对模型划分为 8横 7纵的网格，并进

行原始位置标记。同时，在模型侧面高 0.20m、0.40m和 0.60m处埋设了 3个拉

线式位移传感器以实时监测模型在震动过程中位移的变化值，主要研究黄土地基

模型震陷变形跟侧向变形与地基深度、地震烈度、加载波形的关系。

5.3.1 震陷变形发展规律

图 5.12~图 5.14给出了原状、粉煤灰以及水泥模型各测点的在Ⅹ度下的累积

震陷变形量（强夯-水泥复合模型未检测到明显竖向沉降因而不再展示）。

图 5.12 原状模型Ⅹ度下累积沉降量云图（单位：mm）

图 5.13 粉煤灰模型Ⅹ度下累积沉降量云图（单位：mm）

第五章 振动台模型试验结果综合分析

69

图 5.14 水泥土模型Ⅹ度下累积沉降量云图（单位：mm）

由图可知，从整体沉降量大小来看与室内试验结果非常相似，即原状黄土沉

降量最大，达 9.00mm，粉煤灰模型次之，达 2.00mm，水泥土沉降量最小，为

1.20mm，并且模型沉降规律大致为随高程的增加而越来越大。

同时，几个模型都有不同程度的不均匀沉降现象的产生：以原状黄土模型最

为剧烈，模型整体呈现沉降趋势，在模型顶部 10.00cm以内，即靠近表面的部分，

左上角产生了 10.00mm左右的剪胀，而左上角则为 9.00mm的下沉，并且模型表

面土体破碎，裂隙丛生。这与现场调查的结果极为相似，即模型土体由于强烈的

地震作用而震松震裂，因而在土体表面表现土体酥裂，甚至部分地方隆起。粉煤

灰的加入使得模型表面土体不在呈现震酥震裂的现象因而呈现出更为明显的沿

高程震陷量增大的规律，在模型中部，有效范围的不均匀沉降，正负不超过

4.00mm。水泥土模型则更为稳定，其最大沉降量发生在模型顶部四角，顶面中

部则有略微的剪胀现象，上升不超过 1.00mm。

模型试验中产生这一不均匀沉降现象的原因，主要原因归纳为:1.边界效应，

虽然随着模型体积的增大，边界条件造成的影响将趋于弱化，但模型毕竟有别于

现场地质体，前人对边坡模型边界效应的研究（刘东燕等，2010）已经证实：模

型的破坏角会随着侧向厚度的减小而增大，在边坡模型的滑动中，边界效应的影

响使得坡面中部的滑移速度要比两边略大。对本模型而言，模型中部与四周对边

界效应响应的不同产生可能引起不均匀现象的产生；2.模型形状：2006年日本学

者安田勇次等人就地震冲击波对地面形状的影响进行了研究，他们认为当地震波

为正方向成分时，在凸起地形及对称地形坡面上部到中部有较大的放大效应，凹

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

70

陷地形在坡面下部有较大的效应，反之亦然。且平均曲率变大，残留位移量有变

大的趋势。对于本模型而言，长方体的形状即平均曲率的地形指标，其地震波加

速度与残留位移程度间的关系，还不是十分明了，这有待于我国科学工作者进一

步研究；3.波形频率：在波形选择时，我们着重考虑了频率的影响，即选取低频

的 EL波与中高频的汶川文县比。在上下文的数据分析中，我们均将 EL波与汶

川文县波的动力响应特征分别展示，尤其在侧向变形-高程、加速度-高程等方面

的对比中，两种波形响应差异巨大，因而导致其震陷量相差较大，因此，地震波

形的不同，甚至地震持时的长短，对不均匀沉降均可能造成影响。

5.3.2 侧向变形发展规律

侧向变形不仅影响竖向变形，更重要的是还影响土中结构的受力，对于复杂

结构和复杂的受力状况，侧向变形的影响更为显著，其变形大小是判断路基或地

基稳定的控制指标之一，其变形的位置也成为划分路基破坏形式的重要依据。在

模型侧面高 0.20m、0.40m和 0.60m处埋设的 3个拉线式位移传感器用以实时监

测模型在震动过程中侧向位移的变化值。

图 5.15~5.17为原状、粉煤灰、水泥三类模型（强夯-水泥复合模型由于横向

位移过小可忽略不予讨论）分别施加 X向 EL-Centro波和汶川文县波时不同位置

处侧向变形随地震波加速度峰值的变化曲线。

（a） EL-Centro波加载 （b）汶川文县波加载

图 5.15 原状黄土模型侧向变形-相对高度分布曲线

原状模型在Ⅸ度及以下时，随地震荷载的增大侧向变形逐渐增长，且越靠近

顶部侧向变形越大，以Ⅷ度 EL-Centro波加载下的变形为例，从模型底部沿高程

第五章 振动台模型试验结果综合分析

71

向上侧向变形依次为 5.60mm、6.70mm、8.80mm；当加载不同波形即文县波时，

其随高程的侧向变形具有相似规律。不同之处在于，当烈度逐渐增加至Ⅹ度，模

型的侧向变形分别在 0.20m以及 0.60m处出现激增，此时原状模型的变形形式发

生了变化，由完全的振密引起的弹塑性变形，转变为塑性区扩大出现滑裂面，加

载 EL-Centro波时，滑裂面位于 0.20m，加载文县波时，滑裂面产生于模型上部。

（a）EL-Centro波加载 （b）汶川文县波加载

图 5.16 粉煤灰处理模型侧向变形-相对高度分布曲线

同样，粉煤灰改良模型也具有沿高程侧向变形增大的规律，但其变形量无论

是沿高程上还是随地震烈度增大都较原状模型小，甚至当烈度达到Ⅺ度，即给予

模型施加最终的破坏烈度时，模型才在 0.20m处产生了潜在滑裂面。

（a）EL-Centro波加载 （b）汶川文县波加载

图 5.17 水泥处理模型侧向变形-相对高度分布曲线

水泥改良模型则略有不同。加载 EL-Centro波时，其侧向变形随高程增长而

增长的规律越来越不明显，其变形量最大值出现在了模型中上部而非完全上部；

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

72

当加载汶川文县波时，模型出现了类似室内试验发生的情况，即在较小的地震动

激励下，侧向变形随高程增大而增大，但增幅非常微小，一旦地震动强度达到一

定峰值后（如 ax max为 0.80g时），模型出现贯通型的错断。

侧向变形与模型水平长度的比值即为相应位置的侧向应变，图 5.18~5.20为

三类模型在施加X向EL-Centro波和汶川文县波时不同位置处侧向应变随地震波

加速度峰值的变化曲线。

（a）EL-Centro波加载 （b）汶川文县波加载

图 5.18 原状黄土模型 ax max—侧向应变关系曲线

（a）EL-Centro波加载 （b）汶川文县波加载

图 5.19 粉煤灰处理模型 ax max—侧向应变关系曲线

由图可知，原状模型在加速度峰值相同时，侧向应变随测点位置的增高而增

大，这主要是因为侧向应变主要受 X 向地震荷载的影响，随位置增高，水平加

速度放大系数增大，这与以往放大效应的研究结果具有很好的一致性。而几种改

良方法则不完全遵循其规律，以粉煤灰模型为例，其侧向变形并没有表现出随高

第五章 振动台模型试验结果综合分析

73

（a）EL-Centro波加载 （b）汶川文县波加载

图 5.20 水泥处理模型 ax max—侧向应变关系曲线

程的升高而增加，而是在三个位置处数值均非常接近，也就是说，改良方法在改

善侧向应变增长的基础上，对于地震动放大作用导致的地表剪切作用更强这一现

象也有一定的消除作用。

5.3.3 原状黄土模型震陷变形预测

利用振动台进行震陷模型试验，并对其施加轴压与侧向压力还原土体应力状

态，希望掌握在大型物理模拟中震陷时的应力应变规律，以更精确的预测其在真

实场地中的震陷量。

以原状黄土模型为例，表 5.1给出了其在不同加速度峰值地震荷载下各测点

的震陷变形。

从表 5.1可知，在不同加速度峰值的震动作用下，原状模型震陷变形总体量

值都较小，虽然存在模型表层部分地区隆起，但以每层计算得到的平均沉降量来

表 5.1 原状模型不同烈度下竖向累积震陷量

Ax max（g）不同位置震陷变形（mm）

0.20m 0.30m 0.40m 0.50m 0.60m 0.70m

0.20 0.04 0.08 0.1 0.16 0.23 0.35

0.40 0.05 0.13 0.25 0.26 0.51 1.10

1.20 0.11 0.51 2.00 3.20 7.90 9.00

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

74

看，沉降量随高程逐渐增大的规律非常明显。图 5.21进一步展示了原状模型随

垂直高度增加以及地震烈度的增加其震陷量呈非线性增长的趋势。模型底部震陷

量几乎不随地震烈度增长而增长，越靠近模型顶部，其震陷量增长的越快，当地

震烈度在 10度以上时，模型的震陷量不再增长，最大震陷量产生在模型上部，

为 9.00mm。

图 5.21原状模型 ax max-震陷量关系曲线

为便于震陷量的预测，这里依据震陷量的定义（王兰民，2002）结合实测点

处峰值加速度的大小，将其转化为相应的应力应变曲线，如图 5.22所示。

(a)不同地震波原状模型应力应变曲线（Ⅷ度） (b)不同地震波原状模型应力应变曲线（Ⅹ度）

第五章 振动台模型试验结果综合分析

75

（c）不同地震波原状模型应力应变曲线（Ⅺ度）

图 5.22各烈度下原状模型震陷曲线

表 5.2 原状黄土地基震陷量预测结果

加载波形计 算

深 度Ⅷ度下最大震陷量（cm）

对应震陷等级

Ⅷ

原状黄土 20m 183.30 Ⅳ

EL 波 20m 116.10 Ⅳ

汶川文县波 20m 31.90 Ⅲ

预测震陷量结果较室内试验偏小，这可能是两方面原因造成的：一方面模型

尺寸虽大但现有的试验设备可模拟最大深度仅为 4 米的黄土地基，上覆压力较

小、土层厚度较薄因此其产生旳震陷本就很小；另一方面，受限于原状黄土竖向

沉降监测的设备和方法，其竖向应变的测量不够精确，导致地震烈度为Ⅶ度甚至

以下的地震荷载加载时，对模型尺寸来说相对微小的沉降未被识别而记载为 0，

结果预测计算时损失了这部分沉降量。同时，由施加不同地震波所测得的结果可

知，不同的地震波形对最终震陷的影响极大，这也表明室内试验利用等幅正弦荷

载代替随机地震荷载其结果与实际的结果间存在误差，对于重要的场地震陷评价

该因素不能忽略。

5.4 小结

总而言之，模型宏观变形性状的产生与地震荷载的加速度峰值有关，即 ax max

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

76

越大，反应越强烈。具体来说，原状模型破坏情况最为强烈，并且具有肉眼可见

的下陷以及表面震酥震裂现象，粉煤灰模型出现侧向的鼓胀变形，水泥土模型出

人意料的产生了 X向断错，强夯-水泥复合模型则保持稳定。

模型对台面输入的水平加速度具有一定的放大效应，其中原状模型最大，地

震动放大倍数平均为 1.90，粉煤灰模型、水泥模型以及复合模型较小，均在 1.40

左右，且输入汶川文县波的 PGA放大系数普遍比 EL-Centro波平均数值大。

无论是原状还是改良模型的侧向变形都具有随地震烈度增大而增大的规律，

但在低烈度下增速缓慢，在高烈度时其变形方式不尽相同。其中，原状模型具有

随高程侧向变形逐渐增大的规律，且烈度加载至Ⅸ度时产生剪切错断。两种化学

改良方法均明显控制了侧向变形，对于地震动放大作用导致的地表剪切增强这一

现象也有一定的消除作用。

将原状黄土模型记录的加速度-沉降数据折算为动应力-动应变关系，据此利

用分层总和法估算产生的震陷量，结果表明，采用振动台进行原状黄土震陷试验

是可行的，但受诸多因素如加载波形、上覆荷载压力均匀程度等影响使得其结果

较室内试验结果数值偏小。

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

77

第六章 原状及改良地基震陷的数值模拟

目前较为常用的有限元数值模拟软件有 FLAC 3D、ABAQUS、MIDAS等等。

本文选择MIDAS GTS NX进行地基土模型的建模以及地震作用下的动力响应与

震陷问题模拟与分析。选取该软件一方面是由于，其作为岩土及隧道结构的分析

与设计而专门开发的“岩土通用有限元软件”，程序提供应力分析、动力分析、

边坡稳定分析等功能并提供莫尔库伦、修正莫尔库伦、邓肯-张、修正剑桥等 14

种本构及用户自定义模型，考虑了岩土的非线性本构关系，可以满足本文的研究

目标需求；另一方面，区别于其他软件，程序提供便捷的几何建模功能并能迅速

完成工况的计算分析，同时在模拟地基处理、软土地基的固结分析等工程问题时

也具有丰富的后处理结果。

6.1 动力计算基本原理

关于震陷量的数值模拟，主要分为两部分，即静力有限元分析和动力有限元

分析，如图 6.1所示。

图 6.1 MIDAS动力计算流程图

静力模拟的目的和室内试验时对土体进行固结以及振动台模型试验时进行

的土体天然应力场还原是一样的，即为了还原地基在土的自重应力和附加应力

（建筑物荷载）作用下土体内的应力分布状态，为下一步动力有限元计算提供初

第六章 原状及改良地基震陷的数值模拟

78

2 2 2 2 2 22

1 [( ) ( ) ( ) ]6 x y y z z x xy yz xzJ

1 x y zI

2 2 23 2x y z xy yz xz x yz y zx z xyJ S S S S S S

_

( )mean

1 3322

1 3 3cos ( )3 2

J

J

( , , )x y zS S S

始条件。动力计算的目的是为了获得动剪应力时程曲线，计算应力和位移。

其中本构模型选取一方面要能够较为准确的模拟黄土以及改良土的应力-应

变关系，同时也应考虑初始参数的易获取性，即易于通过试验或者经验获得。

MIDAS GTS NX 自带 14 种本构模型，其中莫尔-库伦模型是岩土工程中较为简

单也被广泛应用的屈服准则，因此，在MIDAS GTS NX进行地基土模型的建模

时，采用此模型，其表达式如下：

_

1 2sin 1( ) (cos sin sin ) cos 03 3

F I J c （6-1）

其中:

为应力张量第一不变量，

为应力张量第二不变

量，

为洛德角，

为应力偏量第三不变量，

为应力偏量

6.2 黄土场地地基模型建立

（1）基本假设：

1 在动力计算时，地基土内部结构对地震波的反射、折射和透射现象是不

容忽视的，处理不当会使得模拟结果准确性降低。理想的做法是将土体看做水平

方向上无限延伸的非线性半无限体，但这样一来增加了计算机负担，使得计算效

率低下。迈达斯 GTX NX 软件动力计算中提供了两类边界条件即静力分析边界

和动力分析边界。本文采用 GTS NX中内置的曲面弹簧边界，这是一种粘性边界

条件，可模拟无限地基的辐射阻尼效应，吸收散射的波动能量，能够较好的模拟

土层地震反应。

2 土体的深度方向上，也可将其看做是沿垂直方向无限延伸的非线性半无

限体，考虑研究区域宝兰客运专线榆中地区黄土厚度以及一般地基处理深度，将

其计算范围设置在 20m。

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

79

3 假设土体在在静力分析时仅受自重应力和附加荷载的作用，且其压力是

均匀分布的。

4 假定计算区域为含水率较低的非饱和黄土区，因此不考虑孔隙水压力变

化带来的影响。

（2）模型简介

该模型为三维原状黄土场地与相应的抗震陷改良措施施加场地在地震荷载

下的震陷量计算模型。模型总计算深度设置为 20m，长宽同样分别设置为 20m。

由试验或经验分别对模型参数进行定义，如表 6.1所示：

表 6.1 模型土体材料参数输入表

模型

类别

添加

材料弹性模量 泊松比 容重

饱和容

重

初始孔

隙比粘聚力 摩擦角

原状 无 23000 0.3 14 15 0.8 22 23

化学

改性粉煤灰 60000 0.3 19 20 0.5 15 30

化学

改性水泥 90000 0.3 20 21 0.2 10 35

（3）网格划分

在进行网格化分时，分割的越密集应变计算越精确，但随之带来的是计算机

负担过重，耗费时间较长。一般的做法是对于较为关注的部分如坡体表面、结构

连接处或地形起伏较大处等特殊部位尺寸控制更加密集，对模型其他部位则可以

将网格划分的相对稀疏一些。本章在固结部分对模型网格划分均设置为 1m×1m

的正方形网格，而在动力计算部分，模型划分尺寸虽然仍设置为 1m，生成方式

则为四面体生成器法，使得模型的控制节点更为密集。

6.3 初始应力计算

对模型添加边界约束及自重荷载后，首先进行地基的固结沉降分析。使模型

的本构关系更接近实际的物理过程，固结完成后对结果进行位移和速度的清零，

模拟岩土体的静力平衡状态，降低后续动力计算中产生的误差。三类模型的固结

第六章 原状及改良地基震陷的数值模拟

80

沉降位竖向位移以及应力分布如图 6.2~6.7所示。

图 6.2 原状模型固结竖向沉降云图 图 6.3 原状模型固结应力分布云图

图 6.4 粉煤灰模型固结竖向沉降云图 图 6.5 粉煤灰模型固结应力分布云图

图 6.6 水泥土模型固结沉降云图 图 6.7 水泥土模型固结应力分布云图

由图可知，原状黄土模型在 10h 固结完成后，最大应力位于模型底部，为

56kPa，整体应力云图呈现层状分布，应力由两端向中部逐渐减小；其竖向沉降

量呈现随应力的减小而逐渐减小的趋势，变化深度逐渐扩展，最大沉降量出现在

模型中部，为 0.70cm。改良模型均有相似规律：粉煤灰模型的竖向应力由地表

向下逐渐增大，最大应力处在底部为 38kPa，且呈现层状分布，最大沉降量为

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

81

0.10cm，水泥土模型最大应力为 24kPa，且固结完成后几乎无沉降。

6.4 动力计算结果分析

动力分析过程中，不同类型地震波对黄土场地的变形云图影响规律基本相

似，因此，本节以 EL-Centro波为例，简述其在 X向不同烈度加载下，各类地基

处理模型对应的不同位移及加速度的变化规律。

图 6.8~图 6.10分别展示了原状模型在Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ烈度下的位移分布云图，原

状黄土模型在Ⅶ度下整体位移呈现随高程的升高而逐渐增加的规律，最大沉降量

位于模型顶部，且沉降量由两端向中部逐渐增大，最大处为 25.19cm；在Ⅷ度下

模型位移变化趋势与Ⅶ一致，其最大位移量同样位于顶部靠近中间区域，为

31.53cm，即模型沉降量随地震烈度升高进一步增大。模型在Ⅸ度下位移云图规

律出现较大改变，基本呈现沿 X方向分层的剪切变形而非Ⅶ、Ⅷ度下沿竖直方

向沉降的趋势，且位移量数值迅速增加，模型整体平均位移都在 70.00cm以上，

这是因为当模型输入的是 X 向地震波时，地震烈度越来越大，其剪切变形的增

量也随之加快，迅速超越竖向位移增量，因此，在已达到破坏性结果的情况下，

即使沉降量也在增加，由于土体的横向剪切变形远远大于沉降量因而模型整体位

移规律呈现以剪切破坏为主的趋势。

图 6.8 原状模型 EL-Centro波Ⅶ度位移分布云图

第六章 原状及改良地基震陷的数值模拟

82

图 6.9 原状模型 EL-Centro波Ⅷ度位移分布云图

图 6.10 原状模型 EL-Centro 波Ⅸ度位移分布云图

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

83

图 6.11 原状模型 EL-Centro波Ⅸ度加速度变化云图

图 6.11以Ⅸ度为例，展示了原状模型竖向加速度变化云图，可知其规律与

模型位移变化趋势相一致，模型底部输入加速度值为 0.30m/s2，加速度随高程的

增加迅速增长，最大处同样位于模型顶部，为 0.70m/s2，PGA放大系数为 2.30，

可见其放大效应显著，模型顶部将输入加速度放大了两倍不止。

图 6.12~图 6.14分别列出了粉煤灰模型在Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ烈度下的位移分布云图，

由图可知，粉煤灰改良模型同样具有整体位移呈现随高程的升高而逐渐增加的规

律，且最大沉降量位于模型顶部，但其总体沉降量却急剧减小，在Ⅶ度、Ⅷ度工

况加载时最大沉降量分别为为 9.94cm、18.39cm。模型在Ⅸ度下位移云图规律则

完全呈现沿 X方向分层的剪切变形为主，不再显示竖向位移规律，模型整体的

平均剪切变形量达 45.00cm左右，可见其水平位移量值巨大，因而场地的破坏完

全以水平剪切变形为主导。

第六章 原状及改良地基震陷的数值模拟

84

图 6.12 粉煤灰模型 EL-Centro波Ⅶ度位移分布云图

图 6.13 粉煤灰模型 EL-Centro波Ⅷ度位移分布云图

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

85

图 6.14 粉煤灰模型 EL-Centro波Ⅸ度位移分布云图

图 6.15 粉煤灰模型 EL-Centro 波Ⅸ度加速度变化云图

第六章 原状及改良地基震陷的数值模拟

86

由图 6.15粉煤灰模型 EL-CENTRO 波Ⅸ度加速度变化云图可知，模型底部

输入加速度值为 0.42m/s2，最大处位于模型顶部，为 0.62m/s2，加速度随高程的

增加增速变缓，PGA放大系数为 1.50，也就是说改良模型在数值模拟中 PGA放

大系数较原状模型更小。

图 6.16 水泥模型 EL-Centro 波Ⅶ度位移分布云图

图 6.16 列出了水泥改良模型Ⅶ度时在 X 向 EL-Centro 波作用下的位移分布

云图，由图可知，水泥模型在Ⅶ度时，仅表现出水平剪切向趋势，且位移量极小，

最大位移仅为 1.50cm；竖向沉降由于远小于该数值因而未表现在云图上。随 X

向输入的地震波的烈度增大，剪切变形增速仍越来越大于竖向沉降变形，使得宏

观破坏的结果几乎完全由剪切方向变形控制，因而本研究不再展示更高烈度下水

泥模型的位移云图。上述结果表明在强震作用下水泥改性对于地基抗震陷具有良

好效果，地基处理过程中已无需考虑地基土的震陷性，而可将破坏形态的重点改

为对水平向剪切变形的控制。

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

87

图 6.17 水泥模型 EL-Centro波Ⅶ度加速度变化云图

同样仅展示水泥模型在Ⅶ度下的加速度云图，由图 6.17 EL-CENTRO波Ⅶ度

加速度变化云图可知，模型底部输入加速度值为 0.13m/s2，最大处位于模型顶部，

为 0.13m/s2，加速度随高程的增长几乎不变，PGA放大系数为 1.00，说明该方法

不仅能有效控制竖向沉降大小，对地震动放大效应的改善效果也较为显著，这与

振动台试验分析所得结果也较为一致。

6.5 小结

对原状及粉煤灰、水泥等改良模型进行了数值模拟，主要分为静力固结计算

及动力时程分析两部分。

（1）在静力分析部分，设定固结时间 10小时，模型均具有整体应力云图呈

现层状分布，应力由两端向中部逐渐减小，竖向沉降量呈现随应力的减小而逐渐

减小的趋势。原状黄土最大沉降量为 0.70cm；粉煤灰模型最大沉降量为 0.10cm，

水泥土模型固结完成后几乎无沉降。

（2）分析了原状及两种地基抗震陷处理模型在 X向不同烈度加载下对应的

第六章 原状及改良地基震陷的数值模拟

88

不同位移及加速度的变化规律。模型沉降量趋势与室内外试验均一致，即随高程

的升高而逐渐增加且最大沉降量位于模型顶部，且出现了不均匀沉降现象，沉降

量在顶部表现为由四周向中部逐渐增大。当地震荷载作用相当于Ⅶ度时，模型最

大竖向沉降量分别为原状模型 25.18cm、粉煤灰模型 9.94cm、水泥模型不足 1cm。

该结果比室内试验偏小许多，这也进一步表明了振动台试验对室内偏保守的震陷

量估测结果有矫正作用。对各模型沿 Z 方向加速度变化趋势进行分析，PGA放

大系数分别为：原状模型 2.30，粉煤灰模型 1.50，水泥模型为 1.00 左右。发现

无论原状还是改良模型对地震动均具有放大效应，数值模拟结果显示水泥对地基

放大效应的改善最为显著。

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

89

第七章 结论和展望

7.1 主要结论

本文针对黄土地区较为严重的地震灾害—震陷及其目前工程上可采取的一

些地基抗震陷处理方法，采用振动台试验进行了系统研究，同时结合室内试验与

数值模拟验证，一方面完成了大型原状黄土的震陷振动台试验，并将其与室内试

验和数值结果进行比较分析，探讨其差异性，同时对几类抗震陷处理措施下的黄

土地基施加同样的试验手段进行研究，获取不同地基处理方法的沉降量，评价其

抗震陷效果，主要得到以下结论：

（1）研究区域宝兰客运专线榆中地区土样与永登地震疙瘩沟地区震陷场地

极为相似，都具有低含水率、大孔隙比以及含有架空孔隙的特点，通过钻孔编录、

现场调查和室内动静力学试验，将其震陷性与孔隙比、塑性指数、动强度、含水

率等参数的关系进行归纳，且无论是室内试验还是模型试验都证实了场地较强的

震陷性。

（2）室内动三轴试验表明粉强夯、煤灰、水泥土等物理化学改性方法均能

显著提升土体的抗震陷性能。但对于地基有较高要求的重大工程来说，其抵御强

震的能力较弱，当遭遇相当于或高于Ⅷ烈度地震作用时，强夯法，粉煤灰法均不

能满足工程建设需求；在制备水泥土和粉煤灰土样时提高其密度，即将强夯法与

化学改性方法相结合，对于强震作用下黄土地基的抗震陷具有最佳效果。同时考

虑经济与实用性，以粉煤灰代替水泥进行地基处理，不仅抗震陷效果相近，并且

能大大降低工程造价成本。显微结构试验进一步说明了物理、化学作用对颗粒、

孔隙的改变。强夯法的压实作用使得大的疏松集粒破裂，中小粒径的颗粒增多，

颗粒级配更好，也使得大中孔隙尤其是架空孔隙得到完全消除；化学改良方法虽

然对土样微小孔隙数量上有较大提升，但土体总孔隙面积变化不大，其残余应变

的减小主要源自于化学作用产生的颗粒间胶结作用和对集粒自身的粘结。

（3）设计并改良取土设备，完成了大型原状试块的取样工作。模型宏观变

形性状的产生与地震荷载的加速度峰值有关，即 axmax越大，反应越强烈，同时，

第七章 结论和展望

90

随高程增加，模型的峰值加速度增大，破坏情况更为强烈。在沉降量方面，相同

的地震波输入下，原状黄土沉降量最大，粉煤灰模型次之，水泥土沉降量最小，

并且模型沉降规律大致为随高程的增加而越来越大，几个模型都有不同程度的不

均匀沉降现象和模型顶部不同程度的剪胀产生。模型侧向变形方面，加速度峰值

相同时，原状模型侧向应变随测点位置的增高而增大，而几种改良方法则不完全

遵循其规律，而表现为随高程增长处数值均非常接近，可见其可改善侧向应变增

长且对于地震动放大作用也有一定消除作用。依据原状模型试验得到的震陷系数

采用分层总和法计算 20m深度地基总体沉降量相当，这证实了用振动台进行原

状黄土震陷试验的可行性，其结果矫正了室内试验结果偏大的现象；且震陷量随

不同波形的输入变化很大，重大工程选址时应对这一结果单独加以考虑。

（4）依据振动台试验以及室内试验获取的各类模型的材料配比、基本物性

参数和力学参数，进行了 MIDAS GTS NX 数值仿真计算。其结果表明：经过 10h

的固结后，原状与三类改良模型的竖向应力云图和位移云图均呈层状分布，最大

竖向应力位于模型底部，沉降量则由两端向中部越来越大，原状模型的沉降量最

大，改良模型均很小或可忽略不计。数值模拟动力计算结果与室内和模型试验结

果在沉降量及趋势上均具有一致性；且模型顶层可能出现不均匀沉降现象，沉降

量从四周向中部越来越大。但其结果在沉降量量值上较前述两种研究方法偏小，

这进一步证明了通过室内动三轴试验进行震陷试验进而预测的沉降结果偏大，其

评价结果过于保守，而振动台结果无疑更为接近场地的实际震陷量。

7.2 研究展望

本文的研究结果对基于模型试验的黄土震陷及地基抗震陷处理评价开展了

一定研究，但受本人理论知识和科研水平限制，论文在内容的深度以及充实度上

还存在一些不足，后期需进一步深入研究的工作如下：

（1）本文以原状黄土为研究对象，并在此基础上进行相应的改性研究，因

此对于土体的含水率是以原状土样为基准进行制备与一系列试验的。虽然西北地

区黄土普遍具有含水率低的特点，但众所周知黄土对水特别敏感，自然界因素以

及人为活动引起的黄土地基湿度提高都会使震陷性增大，抗震陷性能降低。因此

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

91

在抗震陷处理时还应考虑地基土可能出现的含水率增减状态以及抗震陷措施的

排水状态，这一点还有待于进一步研究。

（2）一般地基处理深度达数米至数十米不等，尤其在黄土覆盖厚度极高的

西北地区。而振动台试验中则较难模拟相应的土层深度，这样大尺寸的土体，如

若模拟 10米以下的深度，其施加的顶部与侧向的土体压力应达数吨，对材料和

模型箱的承受强度有很高要求。在本文中，受材料设备的强度所限，模型试验的

土层深度模拟至 4米。在后续的试验中，有待于进一步完善试验相关设备，使其

能够具备和室内试验动单剪、动扭剪设备类似的土体特定压力下的固结功能，以

更真实还原原状黄土特性。

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河北工程大学学报，2007（24）1:08-12.

致谢

97

致 谢

光阴似箭，日月如梭，转眼已是三年过去。三年不长，却带给了我人生中最

大的变化。我遍历了金城的春夏秋冬，也体味了科研道路中的酸甜苦辣，也因此

变得更加善思独立。如今顺利完成了学业，在此我要感谢三年以来给与我帮助和

关爱的各位师长亲友。

首先感谢中国地震局兰州地震研究所提供的平台，研一期间给予了我在中国

科学院大学集中学习进修的机会，使我的理论知识更为扎实；研究所为我提供完

备的软硬件设备和宝贵的学习资源，更为我提供了认识并向各位学问精深的老师

学习的契机，是我在跨专业学习中能够快速适应、成长的保障。

感谢我的论文指导老师王平副研究员，在我论文写作的整个过程中给与了耐

心的指导和无私的帮助。老师品格方正，谦逊的态度和宽广的胸怀让我在为人处

事受益终生，老师博学谨思，言传身教，学术上对学生毫无保留，在我遇到研究

瓶颈时，老师总能为我指点迷津。在此谨向老师致以最诚挚的感谢和敬意！

感谢中国地震局黄土地震工程重点实验室的各位老师在学习中给予我的帮

助和指导，特别感谢张振中老师、蒲小武老师、柴少峰老师、王丽丽老师、王谦

老师、钟秀梅老师，西安理工大学邵生俊教授，在论文试验完成过程中给予的帮

助支持和论文写作中给予的宝贵建议。

感谢人教处马占虎处长，李国鹏处长，骆渭芳老师，荀兆杰老师，致力于为

我们提供优质的学习条件和良好的生活氛围，为我们的学习生活解除后顾之忧。

感谢我的师姐王会娟和师弟于一帆在我的学习期间给予的启发和思考和在

生活上给予的关心与照顾。同时也感谢 2016届研究生，有大家三年的陪伴，让

我的生活更加丰富多彩，也让我看到了人生更多的可能性。

感谢我的父母在我求学路上一直给予的支持和呵护。无数次感到迷茫和无措

时都有你们的包容和鼓励，为了成为你们的骄傲，我也会继续努力。

最后感谢各位专家在百忙之中对我的论文进行评审。

致谢人：许书雅

2019年 4 月 8日

作者简介

98

作者简介

许书雅，女，1993 年 10 月出生，2016 年 7 月毕业于郑州师范学院，地理

科学专业，获得学士学位。2016 年 9 月考入中国地震局兰州地震研究所攻读硕

士学位，研究方向为岩土地震工程，导师王平副研究员，主要从事地震工程方面

研究。

在读期间参加的科研项目

1、参加国家自然科学基金：地震和降雨耦合作用下黄土边坡失稳机理与预

防方法；

2、参加国家自然科学基金：考虑微结构特性的黄土斜坡强震失稳演化机理

及稳定性预测；

3、参加甘肃省重点研发：强震作用下复杂坡体结构黄土斜坡致灾机理与长

期效应研究；

4、参加地震科技星火计划项目：大型振动台试验土质边坡模型材料相似性

研究及应用；

5、参加中铁西北院科研项目协作：新型锚固技术在高烈度地震区响水河和

小营盘地区高边坡防护中的应用研究

在读期间取得的科研成果

1、许书雅，王平，王峻，王会娟，于一帆，强震作用下不同处理方式黄土

地基抗震陷性能评价[J]. 地震工程学报，2018（06）:71-78.

2、许书雅，王平，钟秀梅，王会娟，于一帆，刘红枚，强震作用下抗震陷

黄土改良地基的微观特征分析[J]. 地震工程学报，2019（04）.

黄土震陷振动台试验及地基抗震陷处理评价研究

99

3、Xu Shuya, Wang Ping, Wang Jun, Wang Huijuan, Yu Yifan. Evaluation of

ground treatment methods for collapsible loess site under strong earthquake.[C].Xi’an:

The 7th International Symposium on Innovation and Sustainability of Structures in

Civil Engineering, 2018:60-62.

4、王平，王会娟，许书雅，于一帆，王丽丽，黄土-风化岩接触面型斜坡

动力响应研究[J].中国矿业大学学报，2018（04）893-899.

5、于一帆，王平，王会娟，许书雅，郭海涛，基于模型试验的堆积层滑坡

地震动力响应特征[J].岩土力学，2019（待刊）

6、Wang HJ, Wang P, Yu YF, Xu SY, Guo HT, Applicability of HVSR for

site-effect in site effect of loess slop covered on mud rock.[C]IOP Conference

Series:Earth and Environment Science,2019（待刊）.

7、王会娟，王平，柴少峰，许书雅，严武建，刘琨，王丽丽，基于振动台

模型试验探讨 HVSR方法对黄土场地效应适用性的研究进展[J].世界地震工程，

2018（01）144-151.

8、王平，王会娟，王丽丽，王峻，许书雅，河西地区原状和重塑土遗址土

动力学特性试验研究[J].林业工程学报，2018（待刊）.

9、王平，王会娟，柴少峰，冯卫，王峻，许书雅，黄土-风化岩接触面斜

坡滑移面衍生机制及变形特征[J].岩石力学与工程学报，2018（S2）.

10、软件著作：振动台试验模型剪切变形可视化软件（排名第 1）；

11、软件著作：振动台试验数据可视化软件（排名第 1）；

12、实用新型专利：一种适用于多地形的大型原状黄土试块取备设备（排

名第 1）；

作者简介

100

13、实用新型专利：一种室内原状黄土降雨渗透装置（排名第 4）；

14、实用新型专利：一种集成测量功能的土样击实器（排名第 5）；

15、实用新型专利：一种黄土压实设备（排名第 5）。