斷層泥剪切力學行為與應變軟化特征研究*

齊 群 包 含 蘭恒星 晏長根 張科科

( ①長安大學公路學院 西安 710064)

( ②中國科學院地理科學與資源研究所 北京 100101)

0 引 言

黃土高原丘陵溝壑區工程與生態問題突出，延安南溝作為溝地治理示范區，區域內所發育的斷裂帶不僅影響溝地治理長期穩定性，也為滑坡、泥石流等地質災害的發生創造了基礎條件。作為影響斷層工程特性的重要因素，對斷層泥物理特性和力學行為的研究有助于解釋并預測斷層穿越區的災變風險( Scholz，1987) 。

早在20 世紀80 年代，耿乃光等( 1985) 就對我國斷層泥的物理力學性質作了初步探索，試驗分析了5 大斷裂帶75 種斷層泥的體積模量、彈性模量、抗壓強度、抗剪強度和殘余體積應變等力學參數。Morrow et al. ( 1982) 測量了200 MPa 圍壓范圍內圣安德烈亞斯斷裂帶斷層泥強度，試驗表明黏土中弱結合水產生的假孔隙壓力降低了斷層泥強度。斷層泥的礦物組構深刻地影響著其物理力學性質，近年來，Numeli et al. ( 2007) 通過開展5 ～150 MPa 法向應力下的雙剪切試驗，探究了摩擦強度與黏土礦物的關系，研究表明斷層泥摩擦強度隨黏土含量的增加而減小。李碧雄等( 2011) 利用常規土工試驗方法研究了龍門山斷裂帶原狀斷層物質的物理力學性質，發現斷層泥的顏色交界面是剪切薄弱面。張雷等( 2014) 研究了斷層泥中黏土礦物的摩擦滑動特性及其對斷層的影響，發現斷層強度隨黏土含量的增加而降低，黏土礦物分布差異會造成不同程度的斷層強度弱化。另外，石英等非黏土礦物的微觀形貌與斷層活動性及活動方式密切相關。對斷層泥中石英顆粒的形貌研究可以確定斷層的強烈活動時間及滑動方式，并預測可能誘發的地震震級( 張欣等，2017) 。

斷層泥的瞬時變形特征及與時間有關的力學性質都依賴于含水量的變化，斷層泥具有明顯的含水量力學效應( 周瑞光等，1998) 。Morrow et al.( 2000) 對15 種不同親水性的單礦物斷層泥進行三軸滑動試驗，證明了斷層泥摩擦強度與礦物吸水能力有關。Rempe et al. ( 2017) 對合成方解石斷層泥開展了干濕條件下高速剪切試驗，發現干斷層泥在弱化前有持續的強化階段，而濕斷層泥幾乎瞬間弱化。劉彬等( 2006) 通過對斷層泥強度指標與含水率關系的研究，揭示了斷層泥強度指標隨含水率變化過程中拐點的存在，建立了拐點含水率與塑液限之間的關系。黃志全等( 2017) 通過對不同含水率的斷層泥開展共振柱試驗，發現斷層泥的最大動剪切模量和阻尼比均隨含水率的增加而減小。王鵬飛等( 2019) 對不同膠結度和含水率的斷層泥進行了直剪試驗，分析了含水率和膠結度對強度指標的影響，并發現不同膠結度斷層泥黏聚力隨含水率變化可分為3 個階段。

1 地質背景與斷層特征

神道溝斷裂帶位于陜西省延安市，屬黃土高原丘陵溝壑區，黃土殘塬及溝壑發育，為典型的黃土梁峁狀丘陵地貌特征。研究區域內基底起伏變化復雜，地層主要為中生代沉積巖系，出露基巖地層有侏羅紀青灰色砂巖、上白堊系厚層粗砂巖和下白堊紀薄層細砂巖。砂巖中夾薄層頁巖和泥巖，巖層近水平分布，于河道與溝道中多有出露。延安地區斷裂的分布具有東西分帶、南北成群的特點，斷裂帶的發育主要有兩個方向，即NE 向和NW－NWW 向。

神道溝斷裂帶為走向NE 的正斷層，沿溝壑發育于砂泥巖互層中，平均海拔高程為1213 m。斷裂帶所在區域屬延安“治溝造地”工程綜合治理區，斷層泥采樣點位于安塞南溝湫灘村南麓( 北緯36.578°，東經109.308°，海拔1121 m) ，研究區域及采樣點見圖1。斷層的工程地質效應特殊，是形成山體滑坡的主導因素之一，采樣點附近沿斷層發育有4 處滑坡壁高、滑坡平臺寬大的滑坡體。

圖1 研究區域概況及采樣點位置Fig. 1 The study area and the sampling point

作為斷層活動的直接產物，斷層泥中留有特殊的構造痕跡，廣泛分布有滑動構造標志發育顯著的滑動面( 晁洪太等，2001) 。新鮮斷層泥顏色差異顯著，滑動擦痕普遍發育，表現為明顯的弧形波狀( 圖2) 。這揭示了斷層的擠壓形成機制，反映該斷層為非走滑斷層，這正與地質條件信息相吻合。根據顏色差異將其分為以下3 類: ( 1) 紅色斷層泥; ( 2) 灰綠色斷層泥; ( 3) 整體呈黃綠色且混雜有紅褐色泥質團塊的復雜膠結斷層泥( 簡稱雜色斷層泥) 。上述3 種斷層泥在所采集的樣品中普遍存在，顏色的不均勻分布表征著斷層泥形成過程的復雜性。

2 物理性質與礦物組構特征

通過顆粒分析試驗、X 射線衍射試驗( XRD) ，分別從粒度特征、礦物組成等方面對斷層泥的物理性質和組構特征展開研究。

圖2 斷層泥顏色差異與滑動面特征Fig. 2 Color difference and sliding surface characteristics of fault gouges

2.1 顆粒級配

斷層泥烘干后崩解性顯著提高。將斷層泥烘干后浸入水中，即可在短時間內完全崩解并有氣泡逸出，崩解樣品二次烘干后，可得到松散的斷層泥顆粒。利用Bettersize-2000 型激光粒度分析儀獲得3種斷層泥的粒徑分布及累積曲線( 圖3) 。雜色斷層泥和綠色斷層泥粒徑分布及累計曲線差別不大，粒徑存在單一峰值; 而紅色斷層泥的粒徑分布則呈現出雙峰值現象。粗顆粒含量: 雜色斷層泥＞綠色斷層泥＞紅色斷層泥。

圖3 斷層泥顆粒分析曲線Fig. 3 Gradation curves of different fault gouges

斷層泥顆粒的比表面積SSA、不均勻系數Cu、曲率系數Cs等顆粒分析參數及其他基本物性參數見表1。

2.2 礦物組成

通過XRD 礦物組成分析，既能揭示斷層泥的顏色差異成因，也有助于探究斷層泥力學行為異同。

3 種斷層泥的衍射圖譜及物相類型見圖4。非黏土礦物中石英衍射峰強度最高，黏土礦物中則伊利石衍射峰強度最顯著。本研究對圖4 所示礦物類型均進行半定量分析( 表2) 。斷層泥中非黏土礦物以石英、云母和長石為主，其中石英含量最高。黏土礦物以伊利石、高嶺石和綠泥石為主，而蒙脫石含量極低( 未展示在表2 中) 。紅色斷層泥呈現出的深紅色是因為含較多Fe3+的赤鐵礦存在，綠色斷層泥則因不含赤鐵礦且綠泥石含量較高而呈現灰綠色。

普通投票方法可以分為均等投票和賦權投票兩類，賦權投票是給投票專家賦予不同權重，均等投票則是以相同權重進行投票。根據應用背景需求，按投票原則又可以分為一票否決，一致表決，大數原則和閥值表決等[35]。對于回歸問題，可以通過平均值，加權求和，中位數，最大數等方式進行整合[37]。

表1 斷層泥顆粒分析參數與基本物性參數Table 1 Gradation parameters and physical parameters of fault gouges

圖4 X 射線衍射圖譜Fig. 4 X-ray diffraction patterns

3 斷層泥環剪試驗

3.1 試驗設備與方法

利用GCTS 公司研制的Bromhead 型SRS-150環剪儀開展環剪試驗( 圖5) 。該儀器由剪切盒和控制柜兩部分組成，剪切盒外徑152 mm，內徑97 mm，最大剪切應力為1300 kPa，剪切速度控制范圍為0.001°～360°/min，最大法向應力可達1000 kPa。

圖5 Bromhead 型環剪儀Fig. 5 Bromhead ring shear apparatus

為探究含水率影響下斷層泥的力學響應，按一定梯度設置了5%、10%、15%和20% 4 組含水率，每組試驗設定5 級法向應力( 100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 和500 kPa) 。按原始干密度制備3 種顏色的重塑斷層泥樣品，控制相同的剪切速率3°/min。

表2 斷層泥礦物成分半定量分析(%)Table 2 Semiquantitative analysis of mineral component of fault gouges( %)

3.2 剪應力－剪切位移曲線分析

各含水率下3 種斷層泥的剪應力與剪切位移關系曲線如圖6 所示。

圖6 斷層泥剪應力－剪切位移曲線Fig. 6 Shear stress-shear displacement curves of fault gouges

在100 ～500 kPa 法向應力下，各含水率斷層泥的剪應力－剪切位移曲線呈現相似的變化規律，峰值強度及峰后殘余強度明顯，表現出典型的應變軟化特征。含水率作為影響斷層泥剪切力學行為的主要因素，同一級法向應力下，不同含水率對應的抗剪強度值差異鮮明，應變軟化程度也有所不同。當法向應力較低( 100 kPa) 時，20%含水率試樣的峰值強度明顯高于5%含水率試樣，這表明上部荷載較低時，高含水率斷層泥的抗滑動能力更佳。當法向應力較大時，低含水率下的抗剪強度則顯著高于高含水率斷層泥。

4 應變軟化特征與抗剪強度參數分析

4.1 含水率對應變軟化特征的影響

在環剪過程中，斷層泥存在明顯的應變軟化。殘余強度與峰值強度的比值“殘余峰值比”可用于表征斷層泥應變軟化程度，各級含水率與法向應力下的“殘余峰值比”見表3。

表3 3 種斷層泥在各級含水率與法向應力下的“殘余峰值比”Table 3 ″Residual strength/peak strength”of fault gouges under different water content and normal stress

將同含水率下“殘余峰值比”取平均值，“殘余峰值比”均值隨含水率變化曲線如圖7 所示。隨著含水率的增大，紅色斷層泥和雜色斷層泥的“殘余峰值比”呈先減小后增大的趨勢，含水率為15%時出現最小值; 綠色斷層泥“殘余峰值比”則一直減小，最小值出現在20%含水率。

當含水率為5%～15%時，逐漸接近紅色和雜色斷層泥的塑限含水率，隨含水率的增大，應變軟化特征趨強，峰值強度與殘余強度差異更加顯著。當含水率大于塑限含水率時，應變軟化特征將趨弱，即表現為15%含水率的“殘余峰值比”大于20%含水率試樣。含水率低于20%時，綠色斷層泥“殘余峰值比”不斷減小，應變軟化特征愈發顯著。諶文武等( 2016) 對20%、25%、30%和35%含水率的灰綠色和紅色全風化重塑泥巖樣進行了直剪試驗，研究發現在20%～35%的高含水率狀態下，隨著含水率增大，峰值強度與殘余強度逐漸接近，應變軟化特征趨弱。因此，隨著含水率的增大，斷層泥應變軟化特征呈現先增強后減弱的變化規律，其中塑限含水率是影響應變軟化規律的轉折點。

圖7 “殘余峰值比”均值隨含水率變化曲線Fig. 7 “Residual peak ratio”varies with water content

環剪試驗研究發現，隨著粗顆粒含量的升高，應變軟化特征趨弱( 劉動等，2014) 。5%和10%含水率對應的應變軟化特征依次由雜色斷層泥、綠色斷層泥、紅色斷層泥增強，符合粗顆粒含量和應變軟化特征間的關系。值得注意的是，含水率為15%時，雜色斷層泥的應變軟化程度顯著高于綠色斷層泥，如圖7 的Ⅰ區域所示; 但含水率為20%時，綠色斷層泥的應變軟化程度大大超過了紅色斷層泥，如圖7 的Ⅱ區域所示。由此可以說明，斷層泥的應變軟化特征同時受含水率和粗顆粒含量的影響，且含水率( 尤其塑限含水率) 的影響更為強烈。

4.2 抗剪強度參數分析

4.2.1 強度參數對應變軟化特征的影響

通過庫倫強度公式擬合獲得各抗剪強度參數，包括黏聚力c( 峰值黏聚力cp、殘余黏聚力cr) 和內摩擦角φ( 峰值內摩擦角φp、殘余內摩擦角φr) 。3種斷層泥的cp、cr和φp、φr隨含水率變化情況如圖8a、圖8b 所示。

圖8 3 種斷層泥的c、φ 值隨含水率變化曲線Fig. 8 c and φ of three fault gouges vary with water contents

5%～20%含水率下的cp和cr值都與含水率呈正相關關系。存在含水率ω1，使紅色斷層泥cp和cr值的相對大小發生變化，當含水率小于ω1時，cp小于cr; 含水率大于ω1時，cp則大于cr。同時，存在含水率ω2使雜色斷層泥的cp和cr值關系發生變化。ω1和ω2分別接近紅色斷層泥和雜色斷層泥的塑限含水率。然而，5%～20%含水率下綠色斷層泥的cp值始終大于cr值，未出現相對大小變換。

與黏聚力不同，3 種斷層泥的φp和φr值均隨著含水率的增大而減小，且φp值始終大于φr值。在5%～15%的含水率范圍內，雜色斷層泥φr的衰減速率遠高于φp，而當含水率大于15%時，φp的變化速率突增，φr則以較低速率衰減，15%含水率對應的φp和φr值相差最為顯著。紅色斷層泥的φp和φr呈現出與雜色斷層泥相同的變化規律。上文已提到塑限含水率對應的峰值強度和殘余強度差值最大，在塑限含水率前，盡管紅色和雜色斷層泥的cr大于cp值，但φr的衰減速率遠高于φp，致使峰值強度和殘余強度差值不斷增加，應變軟化趨強; 含水率大于塑限后，φr衰減速率降低，φp衰減速率提高，殘余強度又逐漸接近峰值強度值，應變軟化趨弱。這表明峰殘強度差值的變化受內摩擦角的影響更顯著，內摩擦角是影響應變軟化特征變化規律的主要力學指標。

4.2.2 非黏土礦物含量對內摩擦角變化規律的影響

土體力學特性研究中最常用的抗剪強度參數為殘余內摩擦角φr( 許成順等，2017) 。上述分析中指出，內摩擦角φ( φp和φr) 是影響應變軟化特征變化速率的主要力學指標，下面以內摩擦角為例，從微觀角度對抗剪強度參數的異同進行分析。

圖9 非黏土礦物含量對內摩擦角影響Fig. 9 Influence of non-clay mineralcontent on φ

當含水率大于15%時，隨著含水率的增大，紅色和雜色斷層泥φ 值的衰減速率均發生變化，綠色斷層泥φ 值則始終保持相同的衰減速率。低含水率條件下，3 種斷層泥內摩擦角的相對大小顯著，這可能與石英等非黏土礦物含量有關。低含水率土中較少的自由水對非黏土礦物顆粒的潤滑作用微弱，顆粒間的相互作用強，表現出較高的φp和φr值。根據XRD 分析和巖石光薄片觀測，土中石英等非黏土礦物含量為:紅色斷層泥＞雜色斷層泥＞綠色斷層泥，5%和10%含水率的紅色斷層泥、雜色斷層泥、綠色斷層泥φ 值依次降低( 圖9) 。隨著含水率繼續增大，更多自由水對顆粒表面的潤滑作用增強，減小了顆粒間的摩擦咬合力，非黏土礦物顆粒含量對內摩擦角的影響降低，斷層泥之間φ 值的相對關系不再顯著。

5 結 論

本文通過微觀測試手段和環剪試驗，獲得了斷層泥的組構特征及不同含水率下的剪切力學行為，取得了如下結論:

( 1) 斷層泥有明顯的峰值強度和殘余強度，應變軟化特征顯著。隨著含水率增大，應變軟化呈先增強后減弱的變化規律，塑限含水率是影響應變軟化規律的轉折點; 斷層泥的應變軟化特征同時受含水率和粗顆粒含量的影響，且含水率的影響更為強烈。

( 2) 斷層泥的cp和cr與含水率呈正相關關系，φp和φr則隨著含水率增大而減小。含水率接近塑限時，紅色和雜色斷層泥cp、cr的相對大小以及φp、φr的衰減速率都會發生變化，內摩擦角的變化是影響應變軟化特征規律的主要力學指標。

( 3) 3 種斷層泥內摩擦角的相對大小可通過黏土礦物和非黏土礦物含量來解釋。5%和10%含水率條件下φ 值的大小關系顯著，φ 值與非黏土礦物含量呈正相關關系。隨著含水率繼續增大，非黏土礦物含量的影響降低，斷層泥φ 值關系不再顯著。