昌寧共浴滑坡土體級配特性研究★

蔣忠國，蔣 玉，王 奎，趙興澤，朱加見

(保山學院工程技術(shù)學院，云南 保山 678000)

1 概述

滑坡是指斜坡上的土體或巖體，受河流沖刷、地下水活動、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影響,在重力作用下，沿著一定的軟弱面或者軟弱帶，整體的或者分散的順坡向下滑動的自然現(xiàn)象。土體的顆粒級配作為土體的重要指標，其顆粒組成與分布情況能夠揭示成土環(huán)境，顆粒組成決定了源區(qū)土體的物理性質(zhì)。如顆粒的粗細對土體的孔隙、級配、滲透性和黏性等性質(zhì)的影響。通過分析其土體的顆粒組成特征了解滑坡發(fā)生機理，提高預警預防體系應用，從而降低人員傷亡，減少財產(chǎn)損失。故國內(nèi)外學者對滑坡的土體級配皆有一定研究。2014年，左昌群[1]通過對比滑帶土與表層土顆粒級配情況，得到顆粒粒徑具有較好的分形特征。2017年，徐影[2]總結(jié)了現(xiàn)有的三類適用于連續(xù)級配土的級配方程，即雙曲線型、反S型及混合型的級配曲線，并分析了各類方程的特點及應用。王小軍等[3]基于文獻綜述結(jié)合實際經(jīng)驗和理論分析，總結(jié)了一套確定泥石流固體物質(zhì)顆粒全級配的取樣方法、數(shù)據(jù)分析方法以及數(shù)據(jù)融合方法。2018年，李天話[4]運用三維離散元素法、對比模型試驗以控制粒徑為參數(shù)，探討巖土體不同級配對滑體的堆積形態(tài)、運動速度及沖擊力等動力學特征的影響。次年，以滑坡巖土體顆粒級配作為研究因素，以災害現(xiàn)場滑坡堆積體反粒序分布結(jié)構(gòu)這一地質(zhì)特征為依據(jù)，運用模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，分析不同顆粒級配滑坡巖土體運動及沖擊過程中的運動學及動力學參數(shù)演化特征[5]。2019年，張新民[6]采用顆粒篩分試驗統(tǒng)計干濕循環(huán)作用后土體顆粒粒徑分布，揭示了粒徑(D)隨圍壓及干濕循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律。張志東[7]以滑坡巖土體粒徑分布作為研究因素，運用模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，依照典型滑坡尺寸構(gòu)建滑槽模型，選用HertzMindlin本構(gòu)模型確立模型參數(shù)、建立數(shù)值模擬試驗，分析不同粒徑分布條件下(包括粒序分布條件和級配條件)滑坡巖土體運動參數(shù)及沖擊力力鏈特性的演化特征。

激光粒度分析法操作簡便、試驗結(jié)果重復性好、可靠性更強，是一種理想的粒徑分析方法。本文以篩分法(以水篩為主)(d>0.5 mm)和激光粒度分析儀(d<0.5 mm)相結(jié)合，分析土體橫向與縱向級配特性的異同點。

2 試驗

2.1 實驗儀器、土體物理特性與樣品

2.1.1 試驗儀器

新標準土壤篩：執(zhí)行標準JGJ 52—2006，測試范圍大于0.5 mm。

美國貝克曼庫爾特有限公司生產(chǎn)的高精度LS13320激光衍射粒度分析儀，測試范圍為0.04 μm～2 000.00 μm。

電子秤精度：0.001 kg。

102A-2型電熱恒溫鼓風干燥箱：將溫度控制在65 ℃～90 ℃的恒溫下烘干6 h。

2.1.2 土體物理特性

對昌寧共浴滑坡土體試樣，依據(jù)《土工試驗方法標準》進行物理特性試驗。由表1可知天然含水率SY4-下最高為29.58%，SY1-上最低為9.12%，整體含水率偏低(黏土最優(yōu)含水率：25%～28%)。天然濕密度范圍在1.31 g/cm3～1.94 g/cm3之間，取樣點1密度較為均勻，其余取樣點密度都不均勻。根據(jù)塑性指數(shù)規(guī)定，10

表1 共浴滑坡土體物理特性

2.1.3 樣品

本次項目研究以昌寧縣共浴村滑坡土體作為試驗的試樣(E：99°40′41.96″，N：24°54′2.78″)。利用篩分試驗(水篩)測定滑坡顆粒級配并分析其組成成分。本次分別在4條滑坡(S1-S4)的上中下3個位置取樣，共取12個土樣，分別編號為SY(1-4)上、SY(1-4)中、SY(1-4)下。

2.2 試驗方法

2.2.1 水篩法

1)取樣品約500 g，放置于干燥容器內(nèi)，加入適量清水，浸泡24 h。

2)按孔徑大小為:20 mm，10 mm，5 mm，2 mm，1 mm，0.5 mm的篩網(wǎng)，將浸泡好的土體試樣，依次過篩。

3)過下一篩網(wǎng)時應將上一放入少量水的盆中試樣也過篩網(wǎng)(需洗凈該盆殘留物)。

4)將0.5 mm以下試樣需兩次放置澄清:0.5 mm以下試樣澄清后將上層凈水抽去(選擇吸管進行處理)，0.5 mm以下試樣盆中凈水抽完后，將試樣倒入試樣盤中(洗凈試樣盆)進行第二次澄清；將第二次澄清后的試樣盤中上層凈水抽去(選擇洗耳球進行處理)。

5)洗凈各粒徑試樣盤，先將其放入干燥箱烘干，將烘干后的各粒徑試樣盤進行稱量。

6)把篩分好和澄清好的樣品倒扣試樣盤中，放入干燥箱烘干，稱量各粒徑試樣留篩質(zhì)量。

7)用四分法取d<0.5 mm的干燥土樣3 g，用于激光粒度儀分析。

8)計算出各級配區(qū)段的累積留篩土樣質(zhì)量與小于該孔徑質(zhì)量(數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后三位)。

9)結(jié)合水篩和激光粒度分析儀的數(shù)據(jù)，繪制顆粒級配曲線圖。得出小于該孔徑所占百分比與限制粒徑d60(顆粒級配曲線上的粒徑，小于該粒徑的土體試樣含量占總質(zhì)量的60%)、d30(顆粒級配曲線上的粒徑，小于該粒徑的土體試樣占總質(zhì)量的30%)、有效粒徑d10(顆粒級配曲線上的粒徑，小于該粒徑的土體試樣占總質(zhì)量的10%)。

10)計算不均勻系數(shù)Cu：

曲率系數(shù)Cc：

通過不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cc，對昌寧共浴滑坡土體級配特性進行橫向分析(4個洼地級配平行對比)與縱向分析(上中下段級配對比)，分析橫向與縱向土體級配特性的異同點。

2.2.2 激光粒度分析法

1)四分法取d<0.5 mm的干燥土樣3 g樣品置入150 mL的三角瓶中，并加入10 mL濃度為10%的H2O2(H2O2和水比例為1∶4)。

2)在電熱板上加熱，去掉樣品中的有機質(zhì)。加熱過程中需用洗瓶不斷沖洗燒杯壁，使有機質(zhì)充分反應并防止樣品隨泡沫溢出燒杯，若有機質(zhì)較多可適當加入10%的H2O2或純的H2O2，直到泡沫消失，達到較好的有機質(zhì)去除效果為止。

3)再加入10 mL濃度為10%的HCl去除碳酸鹽，加熱到50 ℃左右，液體沸騰到趨于靜止為反應完全(5 mL濃度為20%)。

4)加入蒸餾水將樣品洗至中性，靜置24 h，用虹吸法除去燒杯上部澄清液。

5)在燒杯中加入1 mol/L的六偏磷酸鈉(分散劑)溶液10 mL，將燒杯放入超聲波清洗儀震蕩10 min，即可供儀器測量。利用粒度分析儀測量樣品時，需觀測樣品中是否有較大顆粒，以防止損壞儀器。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 粒度組成

對于共浴村滑坡土體樣品，不同粒徑區(qū)段所占的百分比含量不同，即便是同一粒徑區(qū)段，樣品所取地點不同，其粒徑相同的區(qū)段所占百分比含量也不相同。實驗方法不同其產(chǎn)生的結(jié)果也不盡相同。水篩和干篩相對比，水篩對粒徑級配的表達更加準確。但由于水篩的粒徑限制，本試驗對其共浴滑坡土體試樣粒徑區(qū)段d<0.5 mm 的土體使用激光粒度分析儀進行試驗，得出滑坡試樣各粒徑所占百分比含量。

由圖1可以得知，不同粒徑段所占百分比含量差異趨勢比較明顯，根據(jù)實驗結(jié)果可知：12個試樣中粒徑區(qū)段d>20 mm的試樣，因篩孔孔徑稍大，致使一些測點無比例數(shù)據(jù)且除SY1-上(17.98%)以外其余均在7%以下；粒徑區(qū)段10 mm20 mm至2 mm20 mmSY1-上占比較大)；區(qū)段2 mm

在級配曲線(如圖2所示)中，平滑程度總體較好，粒徑段0.25 mm

表2 共浴滑坡土體粒度分析

3.2 級配特性

顆粒級配曲線是根據(jù)篩分試驗成果繪制的曲線，它反映了土中各粒組的相對含量，是直觀反映泥沙樣品顆粒級配組成的幾何圖形，根據(jù)顆粒級配曲線的坡度可以大致判斷土的均勻程度或級配是否良好。曲線陡，表示粒徑大小相差不多，土顆粒比較均勻；曲線緩，表示粒徑大小相差懸殊，土顆粒不均勻，級配良好。從圖2中可知，粒徑區(qū)段0.25 mm

此外，在滑坡上部土體級配曲線中，由于SY1-上有粒徑d>20 mm的顆粒存在，所以粒徑累計百分比不等于100%，此樣品不計入分析中。其余3組級配曲線圖像呈平緩下降至粒徑d=0.25 mm處，粒徑區(qū)段0.025 mm

SY2-上：80.69%,SY3-上：74.81%,SY4-上：78.21%，均大于50%。在滑坡中部土體級配曲線中，4條 曲線錯綜復雜交織在一起，其中SY4-中圖像呈平緩至急速下降型，SY1-中,SY3-中圖像呈平緩下降型，SY2-中圖像呈雙凹下降型。粒徑區(qū)段d<2 mm重量所占比例分別為：SY1-中71.04%,SY2-中63.93%,SY3-中71.33%,SY4-中82.72%，均大于50%。在滑坡下部土體級配曲線中，4條曲線呈平緩下降型，粒徑區(qū)段d<2 mm重量所占比例分別為：SY1-下64.68%,SY2-下79.06%,SY3-下72.33%,SY4-下82.26%，均大于50%，從級配曲線來看，試樣重量比例占比粒徑區(qū)段0.025 mm

綜上所述，所有土體試樣都以細顆粒為主，Cu均大于5，但有部分試樣Cu偏大，存在粒徑缺失，Cc<1，級配不良。

4 結(jié)論

1)昌寧共浴滑坡土體試樣具有土體密度較小，土間空隙較大，且天然含水率偏低，級配不良的特征；不同粒徑區(qū)段所占的百分比含量不同，即便是同一粒徑區(qū)段，樣品所取地點不同，其粒徑相同的區(qū)段所占百分比含量也不相同。2)昌寧共浴滑坡土體試樣以細顆粒為主，粒徑區(qū)段0.025 mm