四川茂縣周場坪深層滑坡滑帶土環剪試驗強度研究*

張怡穎 郭長寶 楊志華 沈亞麒 吳瑞安 任三紹

(①中國地質科學院地質力學研究所， 北京 100081， 中國)(②中國地質大學(北京)， 北京 100083， 中國)(③新構造運動與地質災害重點實驗室， 北京 100081， 中國)

0 引 言

位于青藏高原東部的四川省茂縣地處龍門山斷裂帶和西南地形陡變帶結合部位，在地震、強降雨和人類工程活動等內外動力耦合作用下，該區崩塌、滑坡和泥石流等突發性地質災害具有分布廣、發育密度大、危害嚴重等特點，如2008年汶川地震誘發的大光包滑坡、2016年四川茂縣發生的新磨村滑坡等(黃潤秋等， 2008; 殷躍平， 2008; 張永雙等， 2016; 許強等， 2017; 趙志明等， 2021)。滑坡的穩定性往往受滑帶的應力狀態和力學強度等條件控制，滑帶土的工程地質特性較滑坡體中其他部位的巖土體存在較大的差別(Skempton， 1964; Anson et al.，1999; 劉小麗等， 2004; 李瑞娥， 2005)，因此研究長距離剪切條件下滑帶土力學強度的演化規律，對于滑坡穩定性評價和揭示滑坡啟滑機制具有重要意義(張昆等， 2007; 李曉等， 2010; 王順等， 2012)。國內外學者通常采用直接剪切、反復剪切、三軸壓縮等常規的土力學試驗來確定滑帶土的力學強度特性，研究在滑坡剪切變形過程中的宏觀、微觀特征和力學強度演變規律。但常規土力學試驗的測試分析結果與滑帶土在經歷長距離剪切后的真實變形破壞規律存在較大差異(洪勇等， 2009; 孫濤等， 2009)。環剪試驗過程中通常保持剪切面積恒定，并通過無限界面剪切來研究大變形條件下土體的剪切強度(丁樹云等， 2013; 郭長寶等， 2013)，目前已在滑帶土力學強度測試和滑坡穩定性分析與啟滑機制研究中發揮了重要作用(洪勇等， 2009; 丁樹云等， 2013; 劉動等， 2013; Zhang et al.，2015)。

目前關于土體力學強度特征的研究取得了很多成果，研究成果表明黏粒含量、礦物成分、含水率、剪切速率、測試方法等因素對滑帶土的力學強度具有影響。 Moore(1991)通過試驗研究發現純高嶺石黏土和純蒙脫石黏土的殘余強度摩擦角可相差5.3°，蒙脫石黏土具有最低的殘余強度。戴福初等(1998)采用環剪儀對香港大嶼山凝灰巖及流紋質火山巖風化后形成的殘坡積土進行殘余強度試驗研究，發現與單剪測試結果相比，多級剪測試結果明顯偏高。曹世超等(2019)開展了不同黏粒含量下金坪子滑坡滑帶土的反復剪切試驗，研究發現滑帶土殘余強度、峰值強度隨著黏粒含量的增加，呈現非線性降低規律，但降低幅度隨正壓力的增大而增大。陳鴻賓等(2019)利用三軸試驗研究飽和及未飽和重塑紅黏土含水率對土體抗剪強度的影響，發現未飽和重塑紅黏土的含水率對抗剪強度參數影響顯著。李威等(2018)利用非飽和土應力-應變控制式三軸儀對馬蘭黃土重塑土樣進行飽和試驗和CU試驗，研究發現相同的條件下，飽和重塑黃土的總黏聚力及有效黏聚力隨著剪切速率的增大先減小后增大，總內摩擦角及有效內摩擦角隨著剪切速率的增大先增大后減小。從上述研究成果可以看出，影響滑帶土強度的因素多，其中含水率、剪切速率等對土體抗剪強度及參數的影響較大。因此，本文以四川茂縣周場坪滑坡為研究對象，在野外地質調查基礎上，開展了不同含水率和剪切速率條件下的滑帶土環剪試驗，獲取峰值強度、殘余強度和剪切位移等試驗數據，分析含水率、剪切速率對滑帶土抗剪強度的影響，為判斷滑帶土的力學特性、分析周場坪滑坡的復活機制以及研究滑坡的工程地質力學效應提供參考。

1 周場坪滑坡概況

周場坪滑坡位于四川茂縣南新鎮周場坪村南側、岷江左岸(圖1)，南距汶川縣城15km，北距茂縣縣城23km，滑坡區屬高原季風氣候區，年降雨量約486.3mm。周場坪滑坡是一大型深層蠕滑型古滑坡，該滑坡曾于1982年發生大規模快速復活(柴賀軍等， 2002)，目前滑坡體前緣半堰塞岷江。滑坡坡腳高程約1445m，后緣陡壁高程約1784m，滑體前后緣高度差約340m。滑坡前緣已伸入岷江，岷江由于受到滑坡擠壓，河道寬度由155m變為55m。滑坡的軸向長度約為850m，鉆探表明滑坡的厚度約為60m，計算得滑坡體積約為3.3×107m3。

圖1 周場坪滑坡地理位置及平面分布圖

野外調查表明周場坪滑坡堆積體主要由碎石土組成，碎石的巖性以灰巖為主，粒徑分布范圍為0.1～0.5m，同時在滑坡體表面發育粒徑為3～4m的灰巖碎塊石。基巖為志留系茂縣群第4組(Smx4)，巖性為灰巖夾絹云母千枚巖。周場坪滑坡為在地質歷史上多次發生滑動的古滑坡，在現場調查可見局部地表出露滑帶土，呈灰黑色，在粒度成分上以粗顆粒碎石夾粉質黏土為主，局部可見光滑剪切面。

2 滑帶土環剪試驗

2.1 試驗土樣

本次試驗樣品取自周場坪滑坡出露的滑帶，樣品表面呈黃褐-灰黑色，灰巖夾絹云母千枚巖是組成滑帶碎石的主要物質成分(圖2)。室內試驗測試表明，周場坪滑坡滑帶土的天然密度為 1.95 g·cm-3，天然含水率為12.9%，土體干密度1.73g·cm-3，液限(wL)為25.1%，塑限(wP)為13.7%，塑性指數(IP)為11.4(表1)。滑帶土以細粒為主，試驗粒徑大小主要集中在小于5mm的范圍，粒徑大小在<5mm范圍的顆粒占65.56%，其中小于0.075mm的顆粒占44.63%(圖3，表1)。為使試樣能夠較為真實地代表周場坪滑坡滑帶土，同時滿足環剪試樣盒尺寸對試樣粒度的要求，本次試驗剔除了大于5mm粒徑的礫石。

表1 周場坪滑坡滑帶土基本物理力學性質

圖2 周場坪滑坡地表出露古滑帶土特征

圖3 周場坪滑坡滑帶土顆粒分析曲線圖

2.2 試驗設備與原理

2.2.1 試驗設備

此次環剪試驗所采用的設備為美國GCTS公司(Geotechnical Consulting & Testing Systems)生產的SRS-150型動態環剪儀，該環剪儀由環剪室、控制柜、加壓系統、傳感器和數據采集系統等5部分組成(圖4)。SRS-150型環剪儀在剪切過程中因具有剪切面恒定、剪切位移連續等特點，能夠實現長時間、無間隔的連續剪切，完成滑帶土在長期蠕滑、長距離剪切等條件下的強度測試。

圖4 SRS-150 環剪儀

SRS-150型環剪儀的主要參數為：扭矩由電機伺服施加，剪切角為±360°，剪切速率為0.001～360(°·min-1)，軸向荷載由氣壓伺服控制； 最大法向應力1000kPa，最大剪切應力1300kPa； 試樣外徑152mm，內徑97mm，試樣的剪切面積是107.56cm2； 試樣高度可達25mm。

2.2.2 試驗原理

環剪儀可以實現大剪切變形條件下土體的力學強度特性研究，在試驗過程中試樣所受到的軸向荷載和底部扭矩作用，會在試樣內部產生一個剪切面(圖5; 丁樹云等， 2013)，認為剪切過程中法向應力和剪應力均布于剪切面上(Sassa et al.，2004; 吳迪等， 2011; 郭長寶等， 2013)。

圖5 環剪試驗原理圖

數據采集系統采集的數據主要有法向荷載W(kN)、旋轉力偶矩M(kN·m)和角位移θ(°)，抗剪強度和剪切位移等參數可以通過W和θ進行計算。

2.2.2.1 剪切強度

計算公式由力偶矩

(1)

可得出旋轉面上的平均剪應力：

(2)

旋轉面上的法向應力為：

(3)

旋轉面上的平均剪位移

(4)

式中：R1為試樣的內半徑(mm);R2為試樣的外半徑(mm);v為轉速(轉·min-1);t為時間(min);Dm為試樣的平均直徑(mm);Rm為試樣的平均半徑(mm)。

(5)

2.2.2.2 剪切速率的控制

已有相關研究表明，滑帶土抗剪強度對剪切速率具有響應特征(戴福初等， 1998; 孫濤等， 2009; 張榮等， 2015)，主要表現為： ①峰值強度受剪切速率影響顯著，具體表現為隨剪切速率的增大而增大(Skempton， 1985; 孫濤等， 2009)， 殘余強度受剪切速率影響較小；

②在較低的剪切速率范圍內，剪切強度所受的影響很小或者幾乎不受影響(戴福初等， 1998)； ③力學強度對剪切速率的響應與土體類型也具有相關性，如黏土、砂土等抗剪強度具有較大差異。目前，國內外學者對滑坡蠕滑和高速剪切過程中的滑帶土力學強度特性都開展了研究，在環剪試驗中采用的剪切速率最低一般為0.036mm·min-1(戴福初等， 1998)，最大可達3000mm·min-1(胡明鑒等， 2009)(表2)。為獲得周場坪滑坡滑帶土在不同剪切速率下的力學強度特性，本文開展了0.1mm·min-1、5mm·min-1和100mm·min-13種剪切速率進行環剪試驗，為研究滑帶土峰值強度與殘余強度特征及滑坡穩定性提供數據支撐。

表2 國內外學者環剪試驗剪切速率統計表

2.3 試驗方案

在對滑帶土樣品進行基本物性測試的基礎上(表1)，對周場坪滑坡滑帶土進行重塑。首先將周場坪滑坡滑帶土試樣置于105℃環境下干燥24h以上，將干燥過的試樣過5mm篩，并將含水率調配成分別為8%(低于wP)、15%(在wP和wL之間)和25%(大于wL)的重塑滑帶土樣，為使水分在試樣中均勻分布，把重塑土試樣進行密封并靜置24h。本次試驗共測試了27個試樣，并將試樣編號為S1～S27，分別設計了3級不同的法向應力(σ)、3組不同含水率(w)和3組不同剪切速率(v)的試驗方案(表3)。此次試驗主要測試過程如下：

表3 周場坪滑坡滑帶土試樣分組表

(1)試樣制備：將滑帶土試樣分3層裝入剪切盒，每層裝入后進行壓實并刨毛，然后依次裝入下一層土。

(2)試樣固結排水：在100kPa、200kPa和400kPa等三級不同的法向應力下對周場坪滑坡滑帶土進行排水固結，待固結完成后關閉進水和排水閥門。

(3)環剪試驗：針對每一組具有相同含水率(w)和法向應力(σ)的試樣分別進行0.1mm·min-1、5mm·min-1和100mm·min-1恒定速率的剪切試驗，達到穩定殘余強度后停止試驗。

(4)數據采集：數據采集軟件以2次·s-1的頻率采集剪切位移角、剪應力和剪切位移等相關試驗數據。

(5)試樣剪切破壞特征觀察：剪切完成后，取出試樣，觀察剪切過程中試樣的顆粒分布、破碎情況，是否產生剪切帶以及剪切帶的形態特征。

處理分析數據采集軟件采集到的相關試驗數據，繪制滑帶土試樣在剪切過程中的剪應力-剪切位移曲線。通過對比分析不同試驗條件下的測試結果，分析了法向應力、含水率和剪切速率等條件如何影響滑帶土試樣的力學性質。

3 周場坪滑坡滑帶土力學強度分析

3.1 剪切帶破壞形態特征

環剪試驗結果表明，在長距離剪切過程中，滑帶土試樣會形成一個剪切面，并在剪切面附近分為上、下兩部分。圖6為滑帶土試樣在剪切試驗后的剪切帶形態，可見剪切帶表面凹凸不平，這說明剪切帶不僅僅只是一個“面”，而是具有一定的厚度。從圖6中可以看出試樣在剪切過后高度發生了變化，其產生的原因主要有兩方面：一是試樣在固結過程中高度降低； 另一個則是在剪切過程中，試樣由于剪切擠壓的作用而沿著試樣盒與剪切盤之間的縫隙溢出，且此現象在高速剪切時更為顯著。對比S3、S6、S9等3個試樣的試樣高度發現，法向壓力越大，試樣降低的高度越大。S3、S6、S9、S18等4個試樣的剪切速率為100mm·min-1，觀察其剪切帶形態可發現在高速剪切條件下，剪切帶上的擦痕更為明顯。

圖6 環剪試樣剪切帶形態

3.2 結果分析

土體的力學強度特性受多種因素的影響，如：土體結構、土的顆粒組成、測試方法、應力-應變以及采用的試驗設備與方法等，本文考慮了不同含水率和剪切速率對土體強度特性的影響，對周場坪滑坡滑帶土開展環剪試驗研究。

3.2.1 剪切應力-應變特征

在此次試驗中，周場坪滑坡滑帶土的剪切位移較長，遠超普通直剪試驗的剪切位移(4～6cm)，尤其是在100mm·min-1這一剪切速率下達到了約10m的剪切位移，可以較好地模擬滑坡在長距離剪切條件下的力學強度特性。

根據滑帶土不同條件下剪應力-剪切位移關系曲線(圖7)，當剪切位移達到一定值后，曲線上出現明顯的峰值(P)，隨著剪切位移的增大，曲線值逐漸降低，最終趨于一個相對穩定的值，此時認為試樣已達到殘余強度(r)。峰值強度與殘余強度的大小存在一定的差距，所經歷的剪切位移也存在較大差異，但都發生了應變軟化現象，且應變軟化現象隨法向應力的增加而更加明顯(圖7)。如在S8(v=5mm·min-1，w=8%)的應力-應變曲線中，土樣在位移值達到13mm左右即可達到試樣峰值強度292.8kPa附近，在剪切了一定位移后達到相對穩定值235.6kPa，可認為該試樣已達到該殘余強度。在同一剪切速率和含水率條件下，土體峰值強度和殘余強度均隨著法向應力的增大而增大(表4)，如當v=0.1mm·min-1，w=8%時，試樣S1(σ=100kPa)、S4(σ=200kPa)、S7(σ=400kPa)的殘余強度分別為64.5kPa、122.7kPa、213.8kPa，呈現隨法向應力增大而增大的趨勢。

圖7 周場坪滑坡滑帶土剪應力-剪切位移曲線

表4 滑帶土試樣峰值強度(P)和殘余強度(r)

根據滑帶土抗剪強度與法向應力擬合所得到曲線(圖8)，周場坪滑帶土的峰值強度和殘余強度與法向應力之間呈現出明顯的線性關系，根據擬合曲線求得的c、φ值見表5。

圖8 不同剪切速率、含水率下試樣抗剪強度與法向應力的關系

表5 周場坪滑坡滑帶土環剪試驗抗剪強度值

3.2.2 含水率對滑帶土抗剪強度的影響

在法向應力和剪切速率一致時，除因試驗誤差導致的個別異常值外，峰值強度和殘余強度隨著含水率的增大總體上呈減小趨勢，且高含水率條件降低幅度更大(圖9，表4)，如當v=5mm·min-1，σ=100kPa時，S2(w=8%)、S11(w=15%)、S20(w=25%)的峰值強度分別為82.7kPa、76.9kPa、67.3kPa，殘余強度分別為67.8kPa、69.7kPa、43.1kPa。含水率較低時，土樣的飽和度較小，能夠產生的壓縮變形有限，內摩擦角較大，土樣此時的抗剪強度也較大； 增大土樣的含水率后，因顆粒間的強聯結被破壞而導致土體強度減弱，內摩擦角減小，抗剪強度隨之減小。

圖9 不同法向應力、剪切速率條件抗剪強度與含水率的關系

含水率對滑帶土力學強度的影響不僅體現在抗剪強度減少上，在降低抗剪強度值的同時，滑帶土試樣達到峰值強度時所需的最小剪切位移值隨著含水率的增加總體呈下降趨勢(圖10，表6)，如當v=5mm·min-1，σ=200kPa時，S5、S14、S23等3個試樣所對應的最小剪切位移值分別為14.5mm、13.5mm、12.7mm，依次減小(表6)。

表6 滑帶土達到峰值強度所需的最小剪切位移值

圖10 不同法向應力、剪切速率條件最小剪切位移值與含水率的關系

3.2.3 剪切速率對滑帶土抗剪強度的影響

試驗分析表明，當剪切速率增加時，除個別因試驗誤差出現的異常值外，滑帶土的峰值強度和殘余強度基本上呈先增大后減小趨勢，其中存在一個臨界剪切速率值，使強度變化規律由增大變為減小(圖11，表4)。這是因為在低剪切速率條件下，土體本身結構被破壞的程度較低，剪切過程中強度的損失能夠控制在一定程度，當超過這一臨界剪切速率值時，土體結構完全破壞，恢復能力基本消失，強度降低程度較高。故在剪切速率小于臨界剪切速率值的范圍內，剪切強度隨剪切速率增大而增大，而在剪切速率大于臨界值時抗剪強度隨剪切速率增大而減小的現象。快剪條件與慢剪條件下土體力學強度存在差異性，這還可能與土顆粒定向排列速度、黏滯性質及彈性性質等因素相關。對比分析周場坪滑坡滑帶土的抗剪強度值，可以發現由峰值強度和殘余強度線性擬合的強度參數內摩擦角φ和φ′隨著剪切速率的增加先增大后減小； 而黏聚力c和c′既有整體下降趨勢又有先增大后減小趨勢，規律不明顯(圖12，表5)。

圖11 不同法向應力、含水率條件下抗剪強度與剪切速率的關系

圖12 不同含水率條件下強度參數與剪切速率關系圖

綜合本次試驗結果和前人研究成果，剪切速率的加快會先導致土體結構的無序化，增加顆粒之間的咬合力，此時內摩擦角增大； 但土體結構會隨著剪切速率的增加而被破壞，顆粒間的咬合力隨之消失，內摩擦角此時則表現為減小。這之前存在某一臨界的剪切速率，臨界速率隨著土可塑性和有效正應力的增加而增加(Kimura et al.，2014； Bhat et al.，2015)。

4 結 論

本文通過對周場坪滑坡滑帶土開展不同法向壓力(100kPa、200kPa、400kPa)、不同含水率(8%、15%、25%)和不同剪切速率(0.1mm·min-1、5mm·min-1、100mm·min-1)的環剪試驗，得到以下結論和認識：

(1)滑帶土試樣在環剪過程中形成的剪切帶是有一定厚度的。試樣由于固結和受到剪切擠壓作用使得試樣沿著試樣盒與上剪切盤之間的縫隙擠出，試樣的高度降低。在高速剪切條件下，試樣降低的高度更大，剪切帶上的擦痕也更為明顯。

(2)試樣的峰值強度和殘余強度總體上隨含水率的增大而減小，且高含水率條件下降低幅度更大。含水率對抗剪強度的影響在試樣達到峰值強度時所需的最小剪切位移值上的表現為隨著含水率的增大，其相應的最小剪切位移值隨之減小。

(3)在高剪切速率條件下，滑帶土的應變軟化現象更為明顯。滑帶土的峰值強度和殘余強度隨剪切速率的增加呈先增大后減小的趨勢，由峰值強度和殘余強度線性擬合的強度參數黏聚力c、c′隨剪切速率的增加規律不明顯，而內摩擦角φ、φ′則先增大后減小。

(4)在滑坡形成與發育過程中，降雨情況下含水率的增加會加速其滑動，在這種高含水率、高剪切速率的條件下，滑坡更易發生剪切破壞。