硬土軟巖滑坡近水平滑移的離心機模型試驗研究

胡 樂 辛 鵬 王 濤 梁昌玉 李從安

1. 中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081;2. 中國地質大學 (北京), 北京 100083;3. 新構造運動與地質災害重點實驗室, 北京 100081;4. 長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室, 湖北 武漢 430010

0 引言

新近紀硬土軟巖滑坡在西班牙、 新西蘭以及中國西北地區廣泛分布, 此類滑坡具有活動性強、致災規模大的特點, 易造成巨大經濟損失 (Hart,2000; Yenes et al, 2009; 吳紅剛等, 2010; 石菊松等, 2013; 石玲等, 2013; 辛鵬等, 2015; 田尤等, 2015; 孟靜等, 2018)。 眾多學者圍繞硬土軟巖滑坡的滑動模式、 滑帶強度與物質組成開展了大量的研究工作。 平推、 旋轉平推復合式滑動是此類滑坡的主要擴展形式 (胡海濤等, 1965; 李保雄和苗天德, 2004; 李濱等, 2011, 2013; 耿興福和苗天德, 2014; 穆文平等, 2016)。 硬土軟巖滑坡易沿著其內部高粘粒、 低強度的滑帶部位擴展、 滑移。 同時, 硬土軟巖滑坡滑帶的殘余強度與粘土礦物密切相關, 滑體內部分滑帶的粘粒含量可高達48%, 其殘余內摩擦角低于10° (Lupini et al. , 1981; Skempton, 1985)。 辛鵬等 (2014,2020) 采用現場試驗、 監測等手段研究硬土軟巖滑坡滑帶不同部位的物質成分, 測試發現滑帶內粘粒含量最高可達到64.59%。 這些研究分析從微觀上揭示了硬土軟巖滑坡低角度滑動與滑帶粘粒含量的關系。

滑坡低角度啟動及滑移過程模擬是災害早期識別研究的核心內容。 離心模擬技術能提供與原型相似的應力條件及運動過程 (張敏和吳宏偉,2007; 田海等, 2015; 王維早等, 2016; 張澤林等, 2016; 裴向軍等, 2018; 湯明高等, 2020),因此, 這種技術已廣泛應用于多類型的巖土質滑坡研究。 如Ling (2009) 進行不同坡度、 高度及砂土類型的降雨誘發滑坡啟動的離心模型試驗,通過分析斜坡破壞時的累計雨量及滑動面形態規律, 揭示了粘聚力的降低是滑坡啟動的內在原因;程永輝等 (2011) 結合離心模擬技術探討粘粒含量為47.8%的土質邊坡在降雨條件下失穩機理,揭示土的膨脹變形對邊坡的穩定性其控制作用;周躍峰 (2014) 利用離心機研究水位抬升誘發黃土-軟巖滑坡的滑移過程和力學機理, 通過分析坡體中孔隙水壓和位移的變化情況, 得出此類滑坡具有牽引式滑動的破壞特點; 馮振等 (2014) 用離心機驗證了雞尾山滑坡是由前緣關鍵塊體蠕滑誘發后部塊體滑移的破壞過程。 這些模擬試驗證實巖土體間粘聚力較低時, 滑體呈散體狀運動,而當巖土體為剛性塊體時, 大部分滑體呈塊體狀滑移 (姚裕春等, 2004; 殷志強等, 2010; 白永健等, 2019)。 新近紀硬土軟巖具有富含粘粒、 低強度、 高粘聚力的特點, 這種特殊性質的巖土體對滑坡變形運動的影響需要進一步探明。 開展硬土軟巖質滑坡的運動過程的離心模擬試驗, 將有利于再現該類滑坡位移、 應力擴展過程, 從宏觀角度揭示西北地區典型硬土軟巖滑坡的變形機理,為該類滑坡的監測預警與工程治理提供理論支撐。

此次研究以寶雞市蔡家坡硬土軟巖滑坡為原型, 開展兩組滑帶強度不同的模型試驗, 模擬分析此類滑坡滑移運動過程, 揭示硬土軟巖滑坡的漸進擴展變形的幾何模式與控制因素, 為西北地區硬土軟巖滑坡的危險性評估與防護治理等提供技術支撐。

1 模型設計與方案

1.1 試驗設備

試驗采用長江水利委員會長江科學院CKY-200型土工離心機 (圖1), 其離心系統主要由離心機主機系統和監測系統兩部分組成。

離心機主機系統主要參數: 有效半徑3.7 m;有效容重200 g·t;加速度范圍: 0 ～200g, 無級調速, 調速精度0.1g; 加速度穩定度≤±0.5%F. S/48 h (連續工作48 小時轉速誤差小于0.5%); 模型箱尺寸為1.0 m×0.4 m×0.8 m (長×寬×高), 一側采用透明的有機玻璃板。

圖1 CKY-200 型土工離心機Fig.1 CKY-200 geotechnical centrifuge

監測系統由土壓力監測、 位移監測以及影像采集系統三部分組成。 土壓監測采用尺寸為8 mm×2 mm (直徑×厚度), 量程為0.5 ～1.0 MPa, 精度為1% F. S (誤差為位移傳感器滿量程的1%) 的CST2008 微型土壓力傳感器; 位移監測采用量程分別為-20～30 mm 和0～120 mm, 測量精度為0.01 mm離心機專用激光位移傳感器 (圖2); 此外, 高清攝像機詳細記錄滑坡的宏觀變形過程。

圖2 離心機專用傳感器Fig.2 Sensors for the centrifuge

1.2 試驗對象及模型設計

試驗以寶雞市蔡家坡滑坡為原型, 滑坡物質主要為黃土、 渭河五級階地礫石層及三門組的硬土軟巖, 滑帶位于三門組泥巖地層內。 蔡家坡滑坡屬典型的硬土軟巖深層滑坡, 此類滑坡滑體根據受力狀態主要分為物質解體的后部壓剪應力區及物質匯聚的前緣純剪應力區 (Varnes, 1978), 其下伏的硬土軟巖軟弱帶的剪切蠕變行為是邊坡失穩的主要原因(吳禮舟等, 2017; 王磊等, 2019; 彭建兵等,2020)。 蔡家坡滑坡幾何條件為470 m×500 m×150 m(長×寬×高), 滑體平均厚度20 ～60 m, 坡度約為21°。 滑坡后緣滑面較陡, 約55°～75°, 滑坡中前部滑面發育較緩, 近水平狀, 厚度為4～6 m。

在關鍵性變量的物理力學參數相近情況下,離心試驗的模型與地質原型具有變形相似、 滑坡啟動機理和演變過程相同的特點。 受土工離心機容量及試驗模型箱尺寸的限制, 試驗中無法直接模擬滑坡地質原型 (需300 g 以上的超大型土工離心機及大型模型箱才能實現), 故采用小比尺模型(不等應力模型) 進行模擬 (李龍起等, 2020)。綜合考慮離心機現實條件, 模型試驗選用1 ∶120的模型比尺, 并將原始斜坡簡化為滑床、 滑體及滑帶三個部分。 試驗模型尺寸為1.0 m×0.4 m×0.5 m (長×寬×高), 坡面坡度21°, 其中軟弱帶平均厚約2 cm, 埋深約25.0 cm, 模型尺寸及監測系統布置詳情如圖3 所示。

圖3 實驗模型結構及傳感器布設簡圖Fig.3 Model structure and layout of sensors for tests

上部滑體、 下部滑床主要由未風化的硬土軟巖組成。 試驗中為消除模型箱邊界效應和填料粒徑效應, 模型材料采用典型斜坡處現場未擾動的硬土軟巖經過晾曬、 篩析, 按照預定含水率20%重塑而成。 試驗通過體積控制法控制模型密度,使其與原型條件接近。 模型滑體和滑床的最大干密度分別為1.65 g/cm3和1.75 g/cm3, 相關參數見表1。

表1 模型土體的配比及力學參數Table 1 Proportion and mechanical parameters of the slope model

中部滑帶主要由強風化、 泥化的硬土軟巖組成。 試驗中采用不同粘粒含量、 不同含水率的重塑土配置而成, 并通過直剪試驗確定模型中滑帶物理力學參數, 盡可能使其與原型邊坡中滑帶參數相似。 試驗中滑帶物理力學參數如表2 所示。

表2 模型滑帶土參數Table 2 Mechanical properties of the landslide-influenced zones

1.3 試驗流程

為模擬滑帶劣化狀態下硬土軟巖滑坡的變形過程, 設計兩組僅滑帶強度不同的T1 和T2 的對比試驗 (圖3), 具體試驗條件如表3 所示。

表3 模型試驗方案Table 3 Programs of the centrifugal tests

離心試驗共分為試驗準備、 試驗制模、 傳感器布置、 試驗運行模擬4 個階段。

試驗準備階段: 制模前將模型箱清理干凈,在模型箱兩側間隔5 cm 畫出整個模型的輪廓線,并在四周涂抹凡士林減少摩擦力影響, 之后將模型箱螺絲擰緊, 以確保試驗的安全運行。

試驗制模階段: 按表1 中設計的最大干密度分別計算每層所需的土體質量, 分層擊實, 并逐層鑿毛使得土體緊密接觸, 按設計進行削坡, 并人為設置后緣原始陡傾滑面 (圖3)。

傳感器布置階段: 在滑帶不同應力環境位置間隔30 cm 均勻布置土壓傳感器TY-1 至TY-3, 監測不同離心加速度情況下土壓響應情況。 其中TY-1 位于無應變區, TY-2, TY-3 位于剪切應變區;模型制備完成后, 在模型表面前中后緣布置激光位移傳感器分別捕捉試驗過程中模型不同位置位移變化。 其中LDS-3, LDS-6 監測水平位移變化,其余傳感器監測豎向位移變化。

試驗運行模擬階段: 連接數據采集端口, 測試監測系統。 運行離心機, 逐級加載, 每級加速度10g或20g, 監測記錄每級加速度情況下的土壓、 位移及宏觀變形情況, 待每級加載過程中模型變形穩定后繼續提高加速度至預定值; 達預定時間后, 停機、 拍照。

2 試驗結果與分析討論

2.1 裂縫擴展過程

兩組試驗中宏觀破壞規律可由高速攝像機錄制的全過程影像分析得出。 含較高強度滑帶的坡體在試驗T1 中變形跡象不明顯, 始終未見裂縫擴展, 而含低強度滑帶的坡體在試驗T2 中則出現劇烈滑動現象, 坡體出現期裂縫, 并由模型中前部向后緣擴展 (圖4)。 T2 試驗破壞由4 個階段組成(圖5)。 首先, 模型坡體沿著后緣原有結構面整體向下推移式緩慢蠕變, 坡體表面開始出現細小拉裂縫, 滑體沿原有滑面產生下座變形 (圖4a、 圖5a); 接著, 坡體在推移滑動時, 坡體上裂縫在下滑力的作用下發育為深大拉裂縫, 離心時間為1200 s 時, 中部平推區的拉裂縫貫通滑體達滑帶位置, 坡體前緣平推區第1 次劇烈快速滑動, 前緣擠壓區存在局部滑塌現象 (圖4b、 圖5b); 隨后,離心加載持續增加, 模型再次進入緩慢蠕滑階段,因滑體臨空條件良好, 前緣局部滑塌擴展形成前緣次級滑動塊, 中部平推區拉裂縫不斷擴展為寬大位錯裂縫, 滑坡后緣拉張區亦開始出現新的裂縫, 在離心加速時間為2400 s 時, 坡體前緣滑塊產生第2 次水平劇烈滑動 (圖4c、 圖5c); 最后,滑體前緣滑動后為后緣滑體提供新的臨空面, 坡體后緣拉裂縫不斷擴展為寬大位錯裂縫, 在離心加載作用下, 坡體產生第3 次快速滑動 (圖4d、圖5d)。 最終, 整個模型呈多級水平塊狀滑塌破壞的特點, 滑坡形成典型的牽引式破壞。

圖4 T2 試驗裂縫擴展圖Fig.4 Crack development of Test 2

圖5 T2 試驗坡體破壞演化過程Fig.5 Slope failure process of Test 2

2.2 位移實時變化曲線

利用坡體表面激光位移傳感器可監測滑坡前緣擠壓區 (LDS-5)、 中部平推區 (LDS-4)、 后緣拉裂區 (LDS-2) 的豎向位移, 以及坡體前緣堆積區 (LDS-6)、 后緣拉裂區 (LDS-3) 的水平位移。兩組試驗的位移隨時間及加速度的變化曲線如圖6、 圖7 所示。

試驗T1 中坡體變形跡象不明顯, 整個離心加載過程中, 模型豎向位移與加速度保持良好的對應關系, 呈現階躍式增加 (圖6a)。 離心加載過程中, 坡體發生沉降, 坡體豎向位移值最大分別為3.25 mm, 7.22 mm, 15.26 mm (指向坡內)。 坡體水平位移變化情況如圖6b 所示, 離心加速時間0 ～2500 s 內, 坡體中土顆粒間孔隙被壓縮, 坡體在離心加速度的作用下發生沉降使得坡體表面測點與傳感器之間的水平位移負向增大至-0.35 mm和-0.57 mm (指向坡內)。 隨著離心加載作用增加, 坡體在重力分量作用下向坡體外水平蠕變,LDS-3 和LDS-6 傳感器數值開始正向增大。 離心加速度120g時, 坡體前緣、 后緣平位移值分別為0.05 mm 和0.55 mm, 坡體位移整體指向坡外。 試驗過程中坡體位移未發生明顯突變, 坡體表面未出現位錯裂縫。

試驗T2 中坡體在加載過程中位移變化規律與試驗T1 不同 (圖7)。 加速度在0 ～10g期間, 坡體的水平位移和豎向位移近乎于0 mm, 坡體處于穩定狀態; 在加載時間為1200 s 時, 坡體出現指數型增長的水平和豎向位移, 產生第1 次水平滑動。 滑體中部應力集中產生拉裂縫導致滑體前緣堆積區水平位移 (LDS-6) 增量52 mm 明顯大于坡體后緣拉裂區 (LDS-3) 位移增量12 mm。 同時,坡體水平位移導致滑體中部平推區和前緣堆積區產生負向位移突變 (指向坡外), 超出激光位移傳感器LDS-4, LDS-5 量程 (-20 ～30 mm), 傳感器讀數不再變化。 滑坡后緣拉裂區 (LDS-2) 產生下座現象, 豎向位移增量突變22.9 mm; 當離心加速度為30 ～40g期間, 坡體前緣擠壓區崩塌向后擴展、 加深并形成次級滑動, 坡體前緣再次產生25 mm 的水平位移增量, 坡體位移超出LDS-6 位移傳感器的量程, 滑坡產生第2 次水平滑動; 當離心加速度為50 ～60g時, 滑坡后緣拉裂區因前緣滑動產生較好的臨空面, 滑坡后緣再次產生32 mm水平位移增量。 滑坡后緣推動前緣滑體繼續向前滑動, 形成3 級滑動面。

對比T1, T2 試驗結果, 滑帶強度控制了坡體的變形類型。 T1 試驗中位移變化均勻, 呈現良好的變形連續性, T2 試驗中位移變化因坡體漸變性劇烈滑動導致坡體位移多次突變。 同時, T2 位移傳感器監測的數值變化順序表明, 在坡體首次滑動后, 斜坡的破壞是由前緣向后緣發展的, 并最終形成滑塌破壞。

圖6 T1 試驗位移隨時間及加速度變化曲線圖Fig.6 Displacements of Test 1 with time and acceleration

圖7 T2 試驗位移隨時間及加速度變化曲線圖Fig.7 Displacement of Test 2 with time and acceleration

2.3 土壓實時變化曲線

通過在滑帶與滑床之間不同位置布置的土壓傳感器TY-1, TY-2, TY-3 對模型坡體土壓力進行動態監測, 其變化情況如下。

試驗T1 中坡體不同位置的土壓變化趨勢基本一致 (圖8a)。 坡體土壓均隨加速度的上升而增大, 主要原因為試驗中T1 坡體處于穩定狀態, 變形以蠕滑為主, 模型土壓受坡體變形的影響較小,其主要受到離心加速度的影響, 試驗T2 中坡體土壓受到離心加速度和滑坡滑動過程的共同控制,隨加速度的增長而大致呈現增大趨勢, 同時, 試驗T2 中因坡體多次劇烈的滑動存在應力集中和應力解除現象, 進而導致土壓增長幅度變大和階段性降低現象 (圖8b)。 在離心加速度為1 ～30g期間, 滑體中部平推區土壓 (TY-2) 高于滑體前緣匯聚區土壓 (TY-2) 和后緣拉裂區土壓 (TY-1),隨后恢復正常, 這主要是因為坡體沿著后緣結構面向下滑動, 在滑坡中部平推區產生應力集中,土壓異常增大, 其后滑坡產生裂縫應力釋放, 坡體土壓又受到重力影響恢復正常。 加載時間為4500 s 時, 中部平推區土壓增長量 (210 kPa) 明顯高于坡體前、 后緣土壓增長量; 離心加速度40g以后, 盡管離心加速度上升導致滑體土壓增大,但滑體中部平推區土壓在離心加載時間4500 s、5500 s 時存在小幅度下降。 其主要原因是坡體前緣滑動后牽引后緣滑動, 坡體產生拉張裂隙, 導致滑坡坡體應力釋放, 土壓下降。

圖8 T1、 T2 試驗土壓隨時間及加速度變化曲線Fig.8 Curves of soil pressure with time and acceleration in Tests 1 and 2

3 硬土軟巖滑坡破壞機理討論

硬土軟巖滑坡的變形破壞過程具有 “間動式”特點。 滑帶強度低的試驗T2 中, 在離心加速度增大過程中, 坡體表面的位移存在多次的突變和穩定階段。 T2 試驗變形過程及位移累積情況見表4。模型在0 ～30g(含30g) 滑帶塑性流動, 導致模型整體向前推移滑動。 當離心加速度為30 ～40g,滑帶塑性流動帶動上覆滑體拉裂, 模型前緣水平位移增長幅度為20 mm, 后緣水平位移僅增長3.1 mm, 后緣位移增長幅度較小, 模型前緣率先產生滑動。 模型前緣滑動后, 在離心加速度為40 ～60g過程中, 模型后緣水平位移增量為39 mm, 模型后緣產生拉裂陷落帶, 模型后緣向臨空面水平“漂移”。 試驗T2 揭露的硬土軟巖滑坡破壞過程具有典型的牽引式滑動特點, 硬土軟巖滑坡具有前緣向后緣擴展的趨勢。

表4 T2 試驗變形過程及水平累積位移Table 4 Deformation process and horizontal cumulative displacements of Test 2

硬土軟巖的物質組成與力學性質控制了滑坡的漸進擴展。 與松散層黃土滑坡不同, 硬土軟巖滑坡呈現塊體狀滑動, 滑體并不完全解體。 在長距離滑動、 剪切過程中, 初始超固結的硬土軟巖引發滑體局部震裂、 豎向張裂隙擴展, 強變形集中的滑帶剪脹、 顆粒破碎。 在長期的水力作用下,裂隙帶逐步發展為強度極低的軟弱帶。 由于斜坡坡腳應力集中現象, 軟弱帶在自重條件下產生塑性大變形, 這種大變形會引起鎖固端解鎖, 初始被固定的塊體漸次出現滑移。 而上部硬土軟巖滑體因具有超固結特性, 其抗剪強度并沒有隨上覆土壓力的減少而降低, 而是保留了大部分強度,在下部軟弱帶產生位移變形同時, 因自身粘聚力而保留部分塊體結構, 產生拉裂縫, 形成多級塊體。 例如在滑帶強度為殘余強度的試驗T2 中, 模型中部土壓 (297.27 kPa) 明顯高于前后緣土壓(80.52 kPa, 182.34 kPa), 模型中部滑帶存在應力集中現象。 滑帶物質在應力作用下沿軟弱層面水平擠出, 滑帶產生的塑性變形會引起坡體整體活動, 并誘發上層滑體產生近垂直裂縫。 滑體裂縫逐步向后緣擴展, 形成漸進后退式水平滑動(圖9)。

圖9 模型最終破壞形態Fig.9 Final failure mode of the landslide in the centrifuge

鑒于上述模型試驗, 當滑坡體內存在近水平高粘粒、 低強度軟弱層時, 因斜坡壓剪應力區摩擦強度降低, 斜坡會逐級后退擴展變形。 滑坡啟動與軟弱層的強度、 含水率相關。 軟弱帶變形、滑體拉裂、 多級塊狀滑動是該類滑體短距離擴展的主要形式。 這種塊體的滑移與超孔隙水壓力激增無關, 而滑坡體內裂隙多少、 導水性強弱、 水量多少是主控因素。 因此, 在硬土軟巖斜坡的勘察中, 需厘清高粘粒軟弱層埋藏位置、 延伸長度,這樣才能準確識別平推式滑坡的位置。

4 結論

文章以寶雞市典型滑坡為原型, 通過開展大型土工離心機試驗, 探討了中國西北地區硬土軟巖滑坡滑移過程的土壓、 位移變化規律, 分析了滑坡的滑移過程與變形機理, 得出如下結論。

(1) 當滑帶土處于飽水狀態時, 硬土軟巖質滑坡處于穩定狀態, 當硬土軟巖滑體內部軟弱帶的強度降低至殘余強度時, 滑坡上覆的滑體會出現劇烈運動, 引起邊坡失穩破壞。

(2) 滑帶土處于殘余強度條件下的硬土軟巖滑坡, 其變形最強烈區域為滑帶, 因硬土軟巖特殊的超固結特性, 滑體不會徹底碎裂化與粉塵化,且滑動過程中形成多個塊體, 滑坡整體呈現塊體狀平移滑動。

(3) 硬土軟巖滑坡變形是由滑帶控制的塊體多級平推狀滑動, 這種運動形式與滑帶前緣應力集中密切相關。 滑帶應力集中導致滑帶產生塑性大變形, 并誘發上覆滑體拉裂, 臨近塊體逐次向滑坡后緣擴展。

致謝:本文中的離心機試驗在長江科學院胡波、 李波工程師悉心指導下完成, 在此謹致以誠摯謝意。