巖溶區(qū)薄層滑帶土物質(zhì)組成及力學(xué)性質(zhì)弱化特征探究

鐘年鳳 穆成林 魏瑩瑩 王鑫雨 漆琦 王余丹

滑帶土的物質(zhì)組成以及力學(xué)性質(zhì)是滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)以及治理的基礎(chǔ)參數(shù)，尤其是力學(xué)性質(zhì)弱化更是研究的重點(diǎn)赫爾關(guān)鍵點(diǎn)。文章以黔西巖溶區(qū)巖質(zhì)滑坡層間滑帶土為研究對(duì)象，進(jìn)行物質(zhì)成分分析和重塑土的不同含水率的力學(xué)性質(zhì)的直剪試驗(yàn)，獲取峰、殘值參數(shù)。試驗(yàn)成果表明：滑帶土含有角粒、粗粒等（>2 mm）約占18.5 %，細(xì)黏土約占81.5 %，礦物成分以伊利石、伊蒙混層、石英為主，滑帶土的物質(zhì)組成決定力學(xué)性質(zhì);含水率對(duì)滑帶土力學(xué)性質(zhì)影響顯著，隨著含水率增加而降低，其中峰值摩擦角φp以w=20 %為拐點(diǎn)，呈現(xiàn)由快變慢的非線性降低。研究成果展示了滑帶土力學(xué)性質(zhì)的弱化特征，下一步將通過微觀結(jié)構(gòu)的變化深入揭示形成機(jī)理等。

滑帶土; 力學(xué)性質(zhì); 弱化特征; 巖溶區(qū)

P642.22?? A

[定稿日期]2021-05-28

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：41902296）;四川師范大學(xué)創(chuàng)新訓(xùn)練（項(xiàng)目編號(hào)：S202010636141）

[作者簡(jiǎn)介]鐘年鳳（2000～），女，本科，主要研究方向土木工程安全評(píng)價(jià)。

[通信作者]穆成林（1985～），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)與環(huán)境地質(zhì)。

我國(guó)西南地區(qū)巖溶發(fā)育，近年來隨著基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，直接或間接誘發(fā)了大量的工程滑坡（邊坡）變形失穩(wěn)，造成了巨大損失。研究滑坡（邊坡）的關(guān)鍵之一是滑帶土的物質(zhì)組成及力學(xué)性質(zhì)，因?yàn)樯婕胺€(wěn)定性評(píng)價(jià)以及治理方案研究等。目前，大量學(xué)者對(duì)滑帶土的研究積累的豐富的經(jīng)驗(yàn)和資料。例如，劉動(dòng)等（2014）利用環(huán)剪儀研究了粗顆粒含量對(duì)滑帶土殘余強(qiáng)度指標(biāo)的影響;趙能浩等（2014）將影響滑帶土強(qiáng)度的主要內(nèi)因歸結(jié)為粒度組分、含水量和礦物成分，并將滑帶的演化過程分為3個(gè)階段闡述了滑坡滑動(dòng)的控制機(jī)理;張曉麗等（2016）對(duì)不同黏粒含量的原狀土進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究，得出峰值強(qiáng)度后的抗剪強(qiáng)度降低幅度隨黏粒含量的增加而明顯增大的結(jié)論;曹世超等以金坪子滑坡滑帶為研究對(duì)象，分了物質(zhì)成分以及力學(xué)性質(zhì)演化規(guī)律，闡述了隨著黏粒含量的增加，滑帶土應(yīng)變軟化現(xiàn)象更加明顯; 而滑帶土殘余強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度隨著黏粒含量的增加，呈現(xiàn)非線性降低規(guī)律;劉虎虎等對(duì)三峽庫(kù)區(qū)順層滑坡的滑帶進(jìn)行了物質(zhì)組成分析，利用重塑土樣進(jìn)行了滑帶土的蠕變?cè)囼?yàn)，討論了帶土埋深及含水率對(duì)其蠕變特性的影響機(jī)制。

綜上所述，滑帶土的物質(zhì)組成以及力學(xué)性質(zhì)是研究滑坡的基礎(chǔ)，并且力學(xué)性質(zhì)的弱化是目前研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，直接關(guān)乎滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)以及后期的治理等。本文以黔西巖溶區(qū)巖質(zhì)滑坡的滑帶土為研究對(duì)象，分析物質(zhì)組成，通過室內(nèi)的直剪試驗(yàn)獲取了不同含水率條件下的峰、殘余強(qiáng)度參數(shù)，并分析弱化特征，為巖溶區(qū)內(nèi)的滑坡研究提供了可靠的基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究對(duì)象及試驗(yàn)方案

1.1 研究對(duì)象

研究區(qū)位于位于滇東高原向黔中山區(qū)丘陵過渡的傾斜地帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，低中高山以及侵蝕地貌，地表巖體風(fēng)化嚴(yán)重且溶蝕作用明顯，地表水和地下水都較豐富，地層巖性以白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主以及部分泥質(zhì)灰?guī)r為主，屬于三疊系中-下統(tǒng)關(guān)嶺組（T2g）、夜郎組（T1y）。畢節(jié)市大方縣郭家組滑坡于2020年8月12日發(fā)生蠕變失穩(wěn)破壞，滑帶深度為5.5～6.0 m，現(xiàn)場(chǎng)以開挖探槽取樣。滑帶土厚度50～10.0 cm，雜色或紫紅色為主，成軟塑狀，夾雜不規(guī)則角粒，表層劃痕明顯，且存在積水現(xiàn)象。取樣過程嚴(yán)格按照相應(yīng)規(guī)范要求，并及時(shí)運(yùn)送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)研究的目的及內(nèi)容，試驗(yàn)分為兩步驟：物質(zhì)組成和力學(xué)性質(zhì)。

物質(zhì)組成：按照GB-T 50123-1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)程將部分試樣風(fēng)干并碾散，過篩（>2 mm），將小于2 mm的試樣利用MS2000激光粒度分析儀對(duì)天然滑帶土進(jìn)行了粒度級(jí)配分析。MS2000激光粒度分析儀能精確測(cè)量粒徑小于2 mm顆粒物質(zhì)，最后將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到滑帶土顆粒級(jí)配曲線;同時(shí)按照規(guī)范取部分試樣進(jìn)行X射線粉晶衍射試驗(yàn)，得到滑帶土礦物成分。

剪切試驗(yàn)：其余試樣同樣按照規(guī)范要求進(jìn)行，將制取試樣土風(fēng)干、碾碎、過篩、分組，并均勻給試樣噴灑水，攪拌均勻，靜置24 h以上，制作6組不同含水量試樣：其含水量分別為10 %、14 %、18 %、22 %、26 %和30 %。試驗(yàn)儀器采用試驗(yàn)儀器采用DJY-4L型四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀。根據(jù)滑帶深度確定前期固結(jié)壓力為350 kPa，因此試驗(yàn)的豎向法向壓力依次設(shè)置為150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa。峰值強(qiáng)度試驗(yàn)試驗(yàn)剪切速率為 0.03 mm/min，剪切位移為6 mm;殘余強(qiáng)度試驗(yàn)剪切速率為0.02 mm/min，反復(fù)剪切3～4次，位移量達(dá)到32 mm結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)成果

2.1 滑帶土物質(zhì)組成

通過上述試驗(yàn)方案，對(duì)滑帶土進(jìn)行物質(zhì)組成分析：大于2 mm的顆粒約占總重量的18.5 %，小于2 mm約占81.5 %，又分為黏粒、粉粒和砂粒，具體見表1。礦物成分組成見表2。

2.2 力學(xué)性質(zhì)

按照上述試驗(yàn)方案進(jìn)行滑帶土抗剪切試驗(yàn)，獲取在6種不同含水量在4種法向應(yīng)力作用下以含水量w=18 %的試樣為典型案例，繪制應(yīng)力-位移圖，見圖1～圖4;并獲取全部試樣的峰值、殘余強(qiáng)度參數(shù)值，見表3。

2.3 試驗(yàn)成果分析

（1）滑帶土中含有角粒以及小于2 mm的粉質(zhì)黏土，其中，粉粒和黏粒質(zhì)量比最大，共計(jì)約占81.5 %，因此，在滑坡實(shí)際失穩(wěn)破壞中，滑帶透水性差，具有較好的滯水性。同時(shí)，根據(jù)礦物成分試驗(yàn)，滑帶土中黏土總量中（伊利石、高嶺石、伊蒙混層）約占60 %，具有吸水性、保水性較好的特征，使得滑帶土含水量增加，為滑帶長(zhǎng)時(shí)間保持高含水率提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。例如，在開挖坑槽取樣過程中，滑帶土表層積水現(xiàn)象。

（2）滑帶土室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)中，剪應(yīng)力隨著法向應(yīng)力的增大而增大，達(dá)到一定應(yīng)力時(shí)，呈現(xiàn)應(yīng)力不變而變形持續(xù)增大，且應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，整體呈現(xiàn)蠕變特征，這與該滑坡的實(shí)際失穩(wěn)破壞過程中呈現(xiàn)的蠕滑現(xiàn)象是一致的。

（3）滑帶土剪切試驗(yàn)獲取的峰值強(qiáng)度具有隨含水率增大而逐漸減小的特征。其中，內(nèi)摩擦角峰值φp值在含水率w=（10 %～20 %）區(qū)間呈近似直線式快速下降趨勢(shì)，而在w=（20 %～30 %）呈直線式緩慢下降趨勢(shì)，以含水率w=20 %為拐點(diǎn)。內(nèi)摩擦角殘余值φr在試驗(yàn)含水率區(qū)間呈現(xiàn)近似直線緩慢下降，見圖3。

（4）滑帶土的殘余強(qiáng)度同樣隨著含水率的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。粘聚力峰值cf隨著含水率的增加呈直線式快速下降;粘聚力殘余值cr隨含水率增加而呈直線式緩慢下降，見圖4。

（5）滑帶土含有大比重的黏土顆粒，低含水率條件下黏土顆粒之間水膜較薄或者面積較小，剪切作用時(shí)顆粒之間相對(duì)位移主要是顆粒間的擠壓、摩擦、咬合以及顆粒重新組排，形成較大的剪切阻力，即強(qiáng)度參數(shù)較大;隨著含水率增加，吸水礦物質(zhì)顆粒周圍形成較厚水膜等，剪切作用時(shí)顆粒之間通過水膜相對(duì)滑移，降低了剪切阻力，即強(qiáng)度參數(shù)較小。

（6）在獲取滑帶土剪切強(qiáng)度峰值過程中，滑面顆粒自然排列，剪切過程中形成定向排列，擠壓、摩擦以及咬合等阻力大幅度降低，殘余強(qiáng)度參數(shù)比峰值參數(shù)小。同時(shí)，當(dāng)含水率較大時(shí)，滑帶土在經(jīng)過剪切后，剪切面存在滲水現(xiàn)象，含水率越高滲水越明顯，因此隨著含水率的增大，強(qiáng)度參數(shù)逐漸降低。

（7）滑帶土內(nèi)摩擦角強(qiáng)度峰值、殘余值的比值隨著含水率的增加而逐漸降低。隨著含水率的增加，摩擦角峰值φp與摩擦角殘余值φr比值以此為：1.86、1.82、1.80、1.72、1.53、1.51，平均值為1.714;而粘聚力峰值、殘余值的比值隨著含水率的增加而變化幅度較小，隨著含水率的增加，粘聚力峰值cp與粘聚力殘余值cr比值以此為：3.80、3.76、3.83、3.71、3.70、3.76，平均值為3.762。

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)黔西地區(qū)薄層滑帶土取樣物質(zhì)組成試驗(yàn)，成果顯示滑帶土主要礦物質(zhì)成為伊利石、高嶺石、伊蒙混層等，具有吸水性質(zhì)較好，同時(shí)黏粒含量較大。滑帶土的物質(zhì)組成決定了其具有透水性差，力學(xué)性質(zhì)隨含水率的增加而呈現(xiàn)弱化特征。

（2）摩擦角、粘聚力峰值都具有隨含水率的增大而降低的特征。其中，摩擦角峰值φp值在含水率w=20 %為拐點(diǎn)，含水率w=（10 %～20 %）區(qū)間呈近似直線式快速下降趨勢(shì)，w=（20 %～30 %）呈直線式緩慢下降趨勢(shì)。

（3）摩擦角、粘聚力殘余值都具有隨含水率的增大而降低的特征，但基本都呈直線式。摩擦角強(qiáng)度峰值、殘余值的比值隨著含水率的增加而逐漸降低，平均值為1.714;而粘聚力峰值、殘余值的比值隨著含水率的增加而變化幅度較小，平均值3.762。

（4）滑帶土強(qiáng)度的軟化特征是目前滑坡研究的重點(diǎn)，此次通過室內(nèi)試驗(yàn)通過剪切強(qiáng)度的峰值、殘余值的演化規(guī)律進(jìn)行了初步研究。下一步將根據(jù)不同含水率條件下強(qiáng)度弱化時(shí)的滑帶土微觀結(jié)構(gòu)（孔隙、水、顆粒骨架）演變深入揭示內(nèi)在形成機(jī)理。

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