黑方臺(tái)臺(tái)緣剖面土體的物理力學(xué)性質(zhì)分析

楊永強(qiáng)，梁收運(yùn)，徐 超，張帆宇

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院地質(zhì)工程系，甘肅蘭州 730000;2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092)

0 引言

黑方臺(tái)隸屬甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)，1963年以來，為安置黃河三峽庫區(qū)移民，大規(guī)模開墾土地，提水灌溉農(nóng)業(yè)，導(dǎo)致臺(tái)緣滑坡頻發(fā)，形成沿臺(tái)緣的密集滑坡群［1］，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，作為庫區(qū)移民農(nóng)業(yè)引水灌溉而誘發(fā)地質(zhì)環(huán)境破壞問題備受多方關(guān)注。

黑方臺(tái)黃土滑坡的早期研究［2-5］，多是宏觀上，對(duì)臺(tái)緣滑坡的基本要素、分布特征、規(guī)模、危害和淺部土體土性的研究，在系統(tǒng)分析滑坡形成機(jī)制方面尚不成熟。此后王家鼎、許領(lǐng)等［6-10］基于野外調(diào)查，采用室內(nèi)試驗(yàn)分析及數(shù)值模擬等方法，研究了灌溉作用下黑方臺(tái)黃土滑坡群特征、土性特征、滑坡形成機(jī)理、運(yùn)動(dòng)特征及斜坡穩(wěn)定性，提出了飽和黃土具有靜態(tài)液化特征。許領(lǐng)等［11］研究了地下水位上升誘發(fā)高速遠(yuǎn)程滑坡機(jī)制、緣邊地裂縫成因、滑坡高陡后壁成因及其穩(wěn)定性、黃土滑坡演化機(jī)制等，提出了考慮階地土層差異特征的黃土滑坡雙液化層滑動(dòng)機(jī)制，并認(rèn)為土體內(nèi)部微觀變形的積累是滑坡發(fā)生的內(nèi)在機(jī)制，地下水作用是主要誘因。IKONOS影像及DEM等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，為黑方臺(tái)滑坡周界、分布特征、期次、變形速率等特征參數(shù)確定提供了新方法［12-13］。武彩霞等［14］將斜坡土體分為五層，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，模擬了臺(tái)緣頂裂縫水文地質(zhì)條件對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，由于土體性質(zhì)的差異及臺(tái)緣裂縫的發(fā)育，短期灌溉僅引起淺部土體含水量增加，強(qiáng)度降低，發(fā)生局部的滑塌，并未引起地下水位顯著上升;長期灌溉會(huì)加速地下水位上升，易引起深部大范圍的高速遠(yuǎn)程滑坡。綜上可見，黃土斜坡變形破壞特征主要受土體性質(zhì)及其各土層相互作用等因素控制。

然而從已有研究成果來看，黑方臺(tái)黃土滑坡研究，尚缺乏對(duì)斜坡剖面土質(zhì)結(jié)構(gòu)，特別是下部土體性質(zhì)的垂向不均勻性及其物理力學(xué)性質(zhì)差異對(duì)滑坡形成發(fā)育影響的研究;而已有斜坡土體性質(zhì)的試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬也存在多方面的局限，包括研究對(duì)象的精細(xì)性、試驗(yàn)樣品的代表性、試驗(yàn)內(nèi)容、計(jì)算模型及參數(shù)的選取等。因此，為系統(tǒng)分析臺(tái)緣斜坡變形破壞特征，需對(duì)斜坡剖面各土層物理力學(xué)及水理性質(zhì)進(jìn)行精細(xì)的研究，深入認(rèn)識(shí)斜坡剖面土層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律?；诖耍x擇典型邊坡剖面，進(jìn)行精細(xì)分層取樣和室內(nèi)試驗(yàn)，通過對(duì)不同深度土體物理力學(xué)性質(zhì)差異性的深入研究，認(rèn)識(shí)臺(tái)緣斜坡失穩(wěn)和黃土滑坡剪出口位置問題，探究土體不均勻性對(duì)滑坡形成發(fā)育的影響。

1 地質(zhì)背景

黑方臺(tái)為黃河T4級(jí)基座階地，臺(tái)緣T4級(jí)階地坡腳與T2級(jí)階差100～133m。以虎狼溝為界，東側(cè)為黑臺(tái)，西側(cè)為方臺(tái)。黑臺(tái)東西長約5.5km，南北寬0.55～3km，面積約12km2。臺(tái)緣斜坡整體呈上陡下緩，平均坡度約35°，臺(tái)緣滑坡分布廣泛(圖1)。天然條件下，大氣降水很難補(bǔ)給地下水，長期的大水漫灌破壞了黑方臺(tái)地下水均衡，改變了天然狀態(tài)下的水文地質(zhì)條件。

圖1 黑方臺(tái)臺(tái)緣滑坡分布圖Fig.1 Distribution of loess landslides in Heifang platform margin

黑方臺(tái)臺(tái)緣滑坡類型以黃土滑坡和黃土—基巖滑坡為主。黑臺(tái)以臺(tái)地東南角偏北側(cè)的野狐溝為界，以東(臺(tái)地東側(cè)與北側(cè))主要為黃土滑坡，以西(臺(tái)地南側(cè))為黃土—基巖滑坡(圖1)。黃土滑坡形態(tài)特征明顯，后緣裂縫發(fā)育，剪出口、周界清晰，剪出口多位于沖積層()與風(fēng)成黃土()接觸面附近，新滑坡置于老滑坡之上，構(gòu)成多級(jí)旋轉(zhuǎn)滑坡，緣邊地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，多泉水出露。黑方臺(tái)臺(tái)緣地層露頭清晰。據(jù)野外調(diào)查及文獻(xiàn)［15］，由新到老出露的地層為:①上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土)，質(zhì)地均一，疏松多孔，垂直節(jié)理發(fā)育，具有強(qiáng)濕陷性，厚度在22～55m之間;②上更新統(tǒng)沖積層()，上部為黏土層，下部為卵石層(4～4.7m);③下白堊統(tǒng)河口群(K1hk)紫紅色～暗紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖，為T4級(jí)階地基座(圖2)。

2 樣品采集與試驗(yàn)

采樣點(diǎn)為黑臺(tái)東北角焦家村附近由于修路而新開挖的一個(gè)高邊坡，該剖面從上到下揭露出風(fēng)成黃土層、漫灘相粉砂土和黏土層、T4級(jí)階地沖積礫石層及下部的白堊紀(jì)紅層基巖基座，為研究臺(tái)地下部土體的工程性質(zhì)提供了有利條件。

圖2 黑方臺(tái)臺(tái)緣地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 Geological sketch cross-section in Heifang platform margin

根據(jù)肉眼可辨的斜坡土體表觀特征差異對(duì)其分層，并按照0.2～1.5m間距，進(jìn)行樣品采集;除去表面20cm厚土層，由下往上對(duì)各分層取樣，小心切出30cm×30cm×30cm土樣，粗加工成直徑12cm，高度15cm圓柱體，裝入鐵皮圓筒，密封，送回室內(nèi)再精加工成試驗(yàn)所需尺寸，共計(jì)取樣14個(gè)。鑒于上部風(fēng)成黃土已有一些試驗(yàn)資料，以較大取樣間距，僅取2個(gè)樣品;漫灘相沉積的黃土狀土、紅色黏土夾灰白色粉砂土及灰白色粉砂土夾紅色黏土層，具有清晰的水平層理，為重點(diǎn)研究對(duì)象，取樣間距為0.2～0.3m，以期全面分析其土性特征;灰白色細(xì)砂土，土層薄，松散狀，僅滿足垂向取一個(gè)樣品(圖3，表1)。圖3左側(cè)為同一地點(diǎn)分為上、下部取樣邊坡剖面照片，右側(cè)為與左側(cè)相應(yīng)的綜合柱狀地質(zhì)剖面示意圖。

表1 邊坡土體物理性質(zhì)測(cè)試樣品采集匯總Table 1 Test sample collection summary of slope soil

為認(rèn)識(shí)不同深度土體物理力學(xué)性質(zhì)及其差異性，確定試驗(yàn)內(nèi)容包括:顆分試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、比重試驗(yàn)、天然密度及天然含水量測(cè)定、直剪試驗(yàn)(快剪)、固結(jié)實(shí)驗(yàn)(快速法)及滲透試驗(yàn)。

圖3 焦家村附近取樣邊坡剖面圖Fig.3 Photo and columnar section of sampling slope near Jiaojia village

3 結(jié)果與分析

3.1 粒度組成與成分

顆分試驗(yàn)(篩析法和比重瓶法)表明，臺(tái)緣土體總體上以粉粒為主，粒徑＜0.075mm的顆粒含量達(dá)83.22%，小于＜0.005mm的黏粒含量達(dá)13.5%。

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［16］，黃土的礦物成分以石英、長石和云母等碎屑礦物為主(占碎屑礦物的95%以上)，含少量云母類礦物和易溶鹽，重礦物(比重＞2.9)含量3%～5%;黃土化學(xué)成分以 SiO2(50% ～60%)、Al2O3(8% ～15%)和 CaO(4% ～12%)為主，F(xiàn)e2O3、MgO等＜6%。

3.2 物理性質(zhì)

采用常規(guī)土工試驗(yàn)方法對(duì)土體比重、天然密度、天然含水量、孔隙比、液塑限等值進(jìn)行了測(cè)定，各指標(biāo)大小隨深度變化特征見圖4。

結(jié)果表明，取樣深度范圍內(nèi)，土體比重隨深度變化范圍為2.69～2.78，均值為2.735;土體天然密度隨取樣深度的增加，整體呈增大趨勢(shì)，局部而言，深部土體天然密度變異性大，這與土樣砂質(zhì)成分及黏土成分的含量變化有關(guān);土樣天然含水量曲線，隨取樣深度變化出現(xiàn)大小兩個(gè)峰值，小峰值對(duì)應(yīng)土層為黃土狀土，大峰值對(duì)應(yīng)土層為黏土夾粉砂土層，這與土層黏粒含量有關(guān)，黏粒中所含黏土礦物具有強(qiáng)烈吸水性，因此，土體黏粒含量越高，土體含水率便相應(yīng)提高;土樣孔隙比隨取樣深度增加，呈逐漸變小的趨勢(shì)，符合土體沉積固結(jié)的一般規(guī)律，局部而言，下部土層孔隙比出現(xiàn)明顯波動(dòng)，這是由于下部土層均含砂，砂土孔隙比大于黏土，黏土中砂質(zhì)成分的含量變化必然直接影響整個(gè)土層孔隙比大小變化;土層液塑限的變化表現(xiàn)為，隨著取樣深度的增加，土體黏粒含量的增加，可塑性得到明顯提高。

前人研究表明［16-19］，黑方臺(tái)黃土的顆粒比重為2.69～2.71，天然密度 1.34 ～1.86g/cm3，含水率3.6% ～17.1%，孔隙比0.98～1.11，塑限16.1% ～18.7%，液限24.9% ～28%。對(duì)比采集樣品的試驗(yàn)結(jié)果，上部風(fēng)成黃土物理參數(shù)的測(cè)試結(jié)果與已有研究一致，但下部的沖積粉質(zhì)黏土(或粉砂土)的性質(zhì)顯著區(qū)別于上部土體。

邊坡土體物理性質(zhì)垂向變化引起的上下不均勻及其耦合作用影響著邊坡的穩(wěn)定性與變形破壞特征。風(fēng)成黃土巨厚的包氣帶及下部土層弱透水性，使得短期灌溉僅造成淺部土體含水量升高，強(qiáng)度降低，出現(xiàn)輕微滑塌，而在長期灌溉作用下，下部土層良好的可塑性性能便得到發(fā)揮，使得邊坡整體上可出現(xiàn)較大的蠕動(dòng)滑移變形，形成緣邊一定范圍內(nèi)裂縫的發(fā)育，且該類裂縫往往活動(dòng)性明顯［20］;同時(shí)，黃土狀土、紅色黏土夾灰白色粉砂土及灰白色粉砂土夾紅色黏土，由于夾層的交替出現(xiàn)，土體物理性質(zhì)波動(dòng)變化明顯，極大地增加了斜坡土體的不均性，這種不均性及其與地下水等耦合作用，使斜坡變形失穩(wěn)特征有別于均質(zhì)土坡。

圖4 土體物理性質(zhì)隨距卵石層頂面距離變化曲線Fig.4 Physical properties of slope soil with distance from the top surface of gravel layer

3.3 滲透性質(zhì)

采用變水頭法進(jìn)行代表性樣品的垂直滲透系數(shù)測(cè)定，結(jié)果見表2。

表2 土層垂直滲透系數(shù)Table 2 Vertical permeability coefficient of the soil

測(cè)試結(jié)果表明，斜坡剖面土體的滲透性隨深度增大逐漸降低，上部風(fēng)成黃土的滲透性能遠(yuǎn)大于除卵石層頂面的灰白色細(xì)砂土層(SJ-01)外的下部黏土層，說明水分透過滲透性相對(duì)良好的風(fēng)成黃土后，滲透阻力增大，導(dǎo)致滲透路徑隨之發(fā)生變化，由垂向下滲為主轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)向滲流排出為主，僅有通過低滲透性土層的構(gòu)造裂隙下滲的水，通過滲透性良好的細(xì)砂土及卵石層，并從紅層泥巖頂面排出。

3.4 強(qiáng)度性質(zhì)

直剪(快剪)試驗(yàn)對(duì)土層強(qiáng)度指標(biāo)及剪切特征測(cè)定結(jié)果見表3及圖5。

已有研究［16-18］表明，黃土粘聚力 2.1～54kPa，內(nèi)摩擦角16.2°～32°，與所取樣品風(fēng)成黃土的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果較為一致，但與下部沖積土層差別較大。

圖5 土體剪切位移及抗剪強(qiáng)度曲線Fig.5 The shear displacement and shear strength curve of the soil

剪切位移特征曲線，有助于了解土體的變形特性，并根據(jù)各土層抗剪強(qiáng)度特征曲線，推斷邊坡土體的剪出特征。

圖5表明，灰白色細(xì)砂土夾紅色薄層黏土(SJ-02～SJ-05)與黃土狀土(SJ-11)，在各級(jí)壓力作用下，剪切位移曲線經(jīng)過短暫的直線階段即進(jìn)入彈塑性階段，然后隨剪位移的增加，剪應(yīng)力幾乎不變(圖5，a、c)，說明兩類土屬硬化型土;而紅色黏土夾灰白色砂土(SJ-08)則具有明顯的峰值(圖5，b)，為應(yīng)變軟化型土，這與紅色黏土夾灰白色砂土的微觀結(jié)構(gòu)性有關(guān)。圖5(d)表明，同等壓力下，風(fēng)成黃土的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于下部的沖積土層(注:細(xì)砂土室內(nèi)難以制樣，未予測(cè)定)。

經(jīng)快速固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定，黃土狀土壓縮系數(shù)為0.22MPa-1左右，灰白色細(xì)砂土夾紅色薄層黏土的壓縮系數(shù)為0.09MPa-1左右，紅色黏土夾灰白色粉砂土的壓縮系數(shù)為0.14MPa-1，另據(jù)文獻(xiàn)［15］，黑方臺(tái)風(fēng)成黃土壓縮系數(shù)在0.43～0.47MPa-1，表明風(fēng)成黃土壓縮性明顯大于下部沖積土層，較為疏松，成為斜坡淺部土體在短期灌溉水作用下，易發(fā)生滑塌現(xiàn)象的原因之一。

3.5 土性差異對(duì)滑坡形成的影響

由野外調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，垂向上土體物理力學(xué)及滲透性質(zhì)的差異及其與地下水等耦合作用，影響著臺(tái)緣斜坡的變形破壞過程。

風(fēng)成黃土具有良好的滲透性，而沖積黏土層對(duì)水有阻隔作用，致使泉水多沿黃土狀土中紅黏土夾層附近出露，僅有通過下臥土層構(gòu)造裂隙滲漏的水，從紅層泥巖頂面出露成泉，長期的引水灌溉，不僅會(huì)造成臺(tái)地土體含水量急劇增加，地下水位顯著升高，使得風(fēng)成黃土與下部沖積土層接觸面附近的土層實(shí)際上長期處于飽和狀態(tài)，而且會(huì)補(bǔ)給泉水，造成土體結(jié)構(gòu)不斷被侵蝕破壞，強(qiáng)度降低;此外，長期灌溉水作用下，黏粒含量較高的黏土層，含水量增加，可塑性得到提高，形成緣邊一定范圍內(nèi)裂縫發(fā)育分布，切割緣邊坡體，為地表水入滲提供了良好通道。上述斜坡土體的不均性及其與地下水耦合作用，一定程度上降低了斜坡的穩(wěn)定性，影響著斜坡的失穩(wěn)與破壞方式。

此外，處于飽和狀態(tài)的土體，由于土中水分季節(jié)性變化，使得近地表土體中鹽分含量隨之發(fā)生周期性變化，進(jìn)而改變并破壞土體的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度不斷降低，有利于斜坡淺表層的變形破壞。楊具瑞等［19］研究認(rèn)為，黃土的粘聚力與內(nèi)摩擦角隨含水量增加而明顯降低，實(shí)際上，當(dāng)剪切力達(dá)到抗剪強(qiáng)度的60%時(shí)，即開始出現(xiàn)剪切破壞，對(duì)受灌溉水影響的黃土，其比例會(huì)更低。

而直剪試驗(yàn)表明，風(fēng)成黃土的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于下部的沖積土層。因此，下部飽和的風(fēng)成黃土，受泉水侵蝕及水分季節(jié)變化影響，天然結(jié)構(gòu)不斷遭到破壞，土性惡化，強(qiáng)度顯著降低，在自身壓力及裂縫切割和下部可塑性較大的漫灘相粉質(zhì)黏土層蠕動(dòng)變形帶動(dòng)下，極易失去穩(wěn)定，沿風(fēng)成黃土與下部沖積土層界面附近剪出。

實(shí)際上，剪切面附近處于飽和狀態(tài)的風(fēng)成黃土，在隨下部可塑性較大的漫灘相粉質(zhì)黏土層蠕動(dòng)變形過程中，受剪切作用，孔隙水壓力上升，導(dǎo)致土體發(fā)生輕微液化，使得土體強(qiáng)度顯著降低，若這種液化趨勢(shì)持續(xù)，將導(dǎo)致更大范圍的剪切變形，液化區(qū)域擴(kuò)大，土體強(qiáng)度進(jìn)一步降低，并最終導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)論

(1)黑方臺(tái)臺(tái)緣斜坡土層的物理力學(xué)性質(zhì)在垂向上具有一定的波動(dòng)變化規(guī)律，這種不均勻性及其耦合作用影響著邊坡穩(wěn)定與變形破壞特征。

(2)上部風(fēng)成黃土良好的滲透性及下部粉質(zhì)黏土的阻水作用，使泉水多沿黃土狀土中紅黏土夾層附近出露，并使一定厚度的黃土處于飽和狀態(tài)。

(3)風(fēng)成黃土較高的壓縮性、較低的強(qiáng)度、泉水侵蝕及水分季節(jié)變化等因素及其耦合作用，使得黃土滑坡常從黃土狀土層部位剪出。

(4)受垂向上各土層性質(zhì)差異及其耦合作用影響，斜坡呈蠕動(dòng)—輕微液化—剪切變形—重度液化—剪切破壞的漸進(jìn)性破壞的過程。

致謝:本文在野外調(diào)查、取樣、試驗(yàn)分析過程中，得到了吳萬炯、周建基、魏麗娟和樊成意等同學(xué)的幫助!

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