三峽庫區(qū)某滑坡滑帶土剪切變形特性及控滑機(jī)理

摘要：

滑帶土的力學(xué)特性對滑坡的穩(wěn)定性具有控制作用，為了研究其控制機(jī)理，對三峽庫區(qū)秭歸縣某滑坡滑帶土取樣，通過進(jìn)行多組固結(jié)快剪和固結(jié)排水反復(fù)剪等直接剪切試驗(yàn)，研究了其應(yīng)變硬化的特性，揭示了應(yīng)變硬化型滑帶土在滑坡變形過程中的作用機(jī)理。研究結(jié)果表明，該滑帶土從塑性變形到剪切破壞過程中，所需的剪應(yīng)力不斷增大。經(jīng)過反復(fù)剪切之后，其抗剪強(qiáng)度有所增加，內(nèi)摩擦角對其抗剪強(qiáng)度的影響占主導(dǎo)作用，且正應(yīng)力越大增加得越明顯。通過滑坡實(shí)地勘測及數(shù)值模擬計(jì)算，研究了應(yīng)變硬化型滑帶土對滑坡穩(wěn)定性的影響。分析認(rèn)為，在滑坡滑動過程中，由于應(yīng)變硬化型滑帶土經(jīng)剪切之后摩擦強(qiáng)度增大，消耗了滑坡的動能，對滑坡的作用在宏觀上表現(xiàn)為，滑坡經(jīng)短距離滑動之后出現(xiàn)暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：

滑帶土；應(yīng)變硬化；抗剪強(qiáng)度；滑坡；穩(wěn)定性

中圖分類號：

TU432

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-4764（2014）05-0125-06

Shear Deformation Properties of Sliding Zone Soil and Its Effect on Sliding Mechanism of a Landslide in the Three Gorges Reservoir Area

Yi Qinglin1，2， Zhao Nenghao1，2， Meng Zhaoping2， Hu Daru2， Guan Ni2

（1. Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area，Yichang 443002， Hubei， P.R.China；

2.National Field Observation and Research Station of Landslides in Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River， China Three Gorges University， Yichang 443002， Hubei，P.R.China）

Abstract：

The mechanical properties of slip soil play a key role in landslide stability. In order to study this control mechanism， multigroup experiments on the slip soil of a landslide were conducted in the Three Gorges reservoir in Zigui county involving consolidated quick direct shear test and consolidated drained direct shear test， through which the strain hardening property of this slip soil has been studiedas well as mechanism of landslide deformation resulting from the strain hardening slip soil. The results show that from plastic deformation to shear failure， the shear stress applied to this slip soil increases all the way. After repeated shearing， its shear strength increases， and the greater the normal stress， the more the shear strength increases， in which process the angle of internal friction contributes the most to its shear strength variation. Through the field investigation and numerical modeling， how the strain hardening slip soil affects the landslide stability was studied. In the process of sliding， the frictional strength of the strain hardening slip soil increases after being shearing， leading to the consumption of the landslide’s kinetic energy， following the phenomenon that a temporary steady state occurs after a short distance sliding.

Key words：

slip soil； strain hardening； shear strength； landslide； stability

根據(jù)巖土的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征，可將其分為應(yīng)變硬化型和應(yīng)變軟化型。研究結(jié)果表明，對于正常固結(jié)土，塑性應(yīng)變增加了土對繼續(xù)變形的阻力，當(dāng)土體受到剪切進(jìn)入屈服階段后，不是應(yīng)力保持不變，而是能夠承受更大的應(yīng)力，屈服點(diǎn)的位置不斷提高，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化^[1]。對于應(yīng)變硬化型的巖土，許多學(xué)者相繼提出了能夠描述其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。Duncan等^[2]在1970年根據(jù)Kondner^[3]等的研究，建立了以廣義胡克定律為基礎(chǔ)的非線性彈性模型，稱之為鄧肯張雙曲線模型，它可以反映土體變形的非線性特征，通過彈性參數(shù)近似的考慮了土體的塑性變形，但該模型不能反映土體的剪脹特性。Schanz等^[4]在1999年提出了Hardening Soil（HS）模型，該模型與鄧肯張模型較為相似，也是假設(shè)剪應(yīng)力τ與軸向應(yīng)變ε成雙曲線關(guān)系，但HS模型采用的是彈塑性理論，可以同時(shí)考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。徐明等^[5]在Mohr-Coulomb模型的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)針對粗粒土剪切特征的應(yīng)變硬化模型。該模型考慮了土體強(qiáng)度、剛度和體積變化特征均隨應(yīng)力水平而變化的特性。何利軍等^[6]等提出了一種能同時(shí)描述應(yīng)變硬化型曲線和應(yīng)變軟化型曲線的模型，并討論了該模型擬合應(yīng)變硬化型曲線時(shí)的簡化形式，通過調(diào)整其中一個(gè)參數(shù)可以表達(dá)出不同的曲線形式，體現(xiàn)了土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的多樣性。孟召平等[7-8]研究了不同側(cè)壓條件下砂巖的破壞機(jī)制，提出了成巖作用程度較弱的巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線隨著圍壓的增高由應(yīng)變軟化性態(tài)向近似應(yīng)變硬化性態(tài)過渡的觀點(diǎn)。Andrés等^[9]提出了一種形狀硬化函數(shù)，它可以提高粘性土邊界曲面的預(yù)測能力，特別是對于超固結(jié)粘性土。

盡管學(xué)者們對巖土應(yīng)變硬化進(jìn)行了大量理論研究，由于滑坡滑帶土取樣困難和資料相對較少，使人們對滑帶土力學(xué)特性研究受到一定限制。前人多是運(yùn)用土體的應(yīng)變軟化理論來解釋滑動規(guī)模較大、滑動程度較劇烈的滑坡的運(yùn)動機(jī)理[10-15]，而對于漸趨穩(wěn)定型滑坡的作用機(jī)制尚缺乏較為系統(tǒng)的解釋。本文以三峽庫區(qū)某滑坡為例，通過直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了滑坡滑帶土應(yīng)變硬化的規(guī)律，并將其用于滑坡變形預(yù)測，揭示了該類型滑坡變形破壞機(jī)理。

1 滑帶土顆粒組分特征

滑帶土來自三峽庫區(qū)秭歸縣某滑坡。為了研究該滑坡的變形機(jī)理及滑帶土對該滑坡的控制機(jī)制，利用滑坡出現(xiàn)大變形后，后緣滑帶出露的機(jī)會，地質(zhì)人員及時(shí)在滑坡后緣出露的新鮮滑帶土中進(jìn)行了取樣，該土樣為粉質(zhì)粘土，夾有少量碎石土，呈紅褐色，表面有較為明顯的滑痕（圖1）。密封保存后，并于當(dāng)天帶回室內(nèi)，對其進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。

土的顆粒組分對其物理力學(xué)性質(zhì)具有重要影響[16-18]，因此通過顆粒分析試驗(yàn)研究了該滑帶土顆粒組分特征。試驗(yàn)依據(jù)為《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237—006—1999），采用篩析法和密度計(jì)法聯(lián)合測定。對于粒徑大于0.075 mm的土樣采用篩析法測定，粒徑小于0.075 mm的土樣采用甲種密度計(jì)法測定，繪制粒徑大小分布曲線。土的粒組按《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237—001—1999）中規(guī)定的土顆粒粒徑范圍劃分。儀器設(shè)備：PB602-N電子精密天平、TM85型土壤密度計(jì)。

結(jié)果表明（表1），土樣中礫石含量為17.9%，砂粒含量為30.4%，粉粒含量為29.7%，粘粒含量為22.0%。不均勻系數(shù)Cu=100，曲率系數(shù)Cc=0.3，為不連續(xù)級配土，屬級配不良，級配曲線見圖2。房營光等[19-20]提出了土體介質(zhì)強(qiáng)度尺度效應(yīng)理論，將粒徑小于粉粒部分稱為基體顆粒，粒徑大于粉粒部分稱為加強(qiáng)顆粒，其研究結(jié)果表明，土體的屈服應(yīng)力隨加強(qiáng)顆粒粒徑的減小而增加且與加強(qiáng)顆粒含量之間呈線性關(guān)系。本文所研究的滑帶土中基體顆粒含量僅22.0%，而加強(qiáng)顆粒含量達(dá)48.3%，由此可知，該滑帶土的屈服應(yīng)力較大。

2 滑帶土剪切變形特性

2.1 不同正應(yīng)力下的剪切變形特性

為了研究該滑帶土的剪切破壞規(guī)律，對土樣進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)依據(jù)為《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-021-1999），試樣為擾動土，采用擊樣法制備土樣。試驗(yàn)設(shè)備SD-2型電動四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀。采用固結(jié)不排水快剪和固結(jié)排水反復(fù)剪兩種試驗(yàn)方法，分別以0.8、0.02 mm/min的速率剪切。每組試驗(yàn)取4個(gè)試樣，分別在100、200、300、400 kPa等4級垂直壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明（圖3（a）～（g）），土樣在固結(jié)快剪和固結(jié)排水剪兩種破壞方式的作用下，其剪應(yīng)力變形曲線均呈增長趨勢，直至土樣最終發(fā)生剪切破壞。此過程中并無出現(xiàn)峰值點(diǎn)，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特性。由于土樣中粗顆粒含量較多，孔隙率較大，在受剪切力發(fā)生變形的過程中，剪切面上的顆粒重新排列，使得顆粒間的空隙減小，顆粒之間咬合得更為緊密，故在破壞過程中其剪應(yīng)力是不斷增大的。對于固結(jié)不排水快剪試驗(yàn)（圖3（a）），其土樣的剪應(yīng)力變形曲線的增長速率變化得比較均勻，沒有出現(xiàn)較明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。而對于固結(jié)排水剪試驗(yàn)（圖3（b）～（g）），其剪應(yīng)力變形曲線的增長速率的變化出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，整體表現(xiàn)為，在彈塑性變形階段曲線增長速率較大，在變形破壞階段曲線增長速率較小。且正應(yīng)力越大，剪應(yīng)力變形曲線在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的曲率也越大。這是由于在較大的正應(yīng)力作用下，土體的剛性較強(qiáng)，當(dāng)塑性變形累積到一定程度時(shí)，突然發(fā)生剪切破壞；而當(dāng)作用于土體上的正應(yīng)力較小時(shí)，土體表現(xiàn)為較強(qiáng)的塑性，即在整個(gè)剪切過程中，剪應(yīng)力是不斷增加的，直至土體發(fā)生剪切破壞。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該土樣抗剪強(qiáng)度隨剪切次數(shù)的變化規(guī)律與施加的正應(yīng)力大小有關(guān)。當(dāng)正應(yīng)力為100 kPa時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度隨剪切次數(shù)的增加而逐漸減小。當(dāng)正應(yīng)力為200、300 kPa時(shí)，土樣抗剪強(qiáng)度隨剪切次數(shù)的變化曲線基本呈水平狀，在正應(yīng)力為200 kPa時(shí)，第1次剪切和第6次剪切的抗剪強(qiáng)度分別為83.89、87.79 kPa，第6次比第1次增加3.9 kPa，在正應(yīng)力為300 kPa時(shí)，第1次剪切和第6次剪切的抗剪強(qiáng)度分別為116.47、114.49 kPa，第6次比第1次減小1.98 kPa，前后均變化不大。當(dāng)正應(yīng)力為400 kPa時(shí)，第2～6次剪切的抗剪強(qiáng)度整體高于第1次剪切，第1次剪切和第6次剪切的抗剪強(qiáng)度分別為115.35、127.08 kPa，后者較前者增加了11.73 kPa。

為了進(jìn)一步探明土樣抗剪強(qiáng)度隨剪切次數(shù)的變化規(guī)律，分別計(jì)算出了抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角隨剪切次數(shù)的變化情況（圖5（a）～（b））。結(jié)果表明，隨著剪切次數(shù)的增加，內(nèi)聚力整體呈減小趨勢，內(nèi)摩擦角整體呈增大趨勢。土體在剪切的過程中，粗顆粒運(yùn)動的幅度要比細(xì)顆粒大，因此原本填充于粗顆粒之間的細(xì)顆粒在相鄰粗顆粒的擠壓作用下向四周移動，反復(fù)剪切之后，導(dǎo)致剪切面上粗顆粒之間的細(xì)顆粒填充量不斷減少（圖6），致使土體在剪切過程中起主要作用的是礫石和砂粒等粗顆粒，其間的粘聚力較小，而咬合摩擦強(qiáng)度較大，故土體在反復(fù)剪切之后表現(xiàn)為粘聚力降低而內(nèi)摩擦角增大。

其次，對比圖4和圖5（b），不難發(fā)現(xiàn)，該土樣內(nèi)摩擦角隨剪切次數(shù)的變化趨勢與在正壓力為200、300、400 kPa時(shí)抗剪強(qiáng)度隨剪切次數(shù)的變化趨勢較為吻合，即第2次在第1次的基礎(chǔ)上有較大幅度的增大，第3、4、5次均有小幅度減小，第6次又有所增大。即在剪切過程中土顆粒間的摩擦力占主導(dǎo)作用，內(nèi)摩擦角對該土樣抗剪強(qiáng)度的敏感性較強(qiáng)。

3 滑帶土的剪切變形特性對滑坡穩(wěn)定性的影響

前文已通過一系列試驗(yàn)研究了該滑坡滑帶土的力學(xué)強(qiáng)度特性，為了進(jìn)一步探究該滑帶土的剪切變形特性對滑坡穩(wěn)定性及其發(fā)展過程的影響，本文對該滑坡滑動之前和滑動之后的穩(wěn)定性狀況進(jìn)行了計(jì)算分析。

該滑坡最近一次滑動的主變形區(qū)是其中北部區(qū)域，后緣寬25～30 m，前緣寬100 m，滑坡前緣高程150 m，后緣高程300 m，縱長300 m，體積約50萬m3，該區(qū)為主滑區(qū)，南側(cè)為滑坡牽引區(qū)（圖7）。取滑坡主剖面A-A′剖面（圖8）為研究對象，運(yùn)用Geoslope軟件建立滑坡滑動前后的地質(zhì)模型。模型由滑體、滑帶、滑床3部分組成（圖9（a）～（b）），其中滑帶的力學(xué)參數(shù)在滑動前后的取值，分別依據(jù)固結(jié)反復(fù)剪試驗(yàn)中第1次和第6次的強(qiáng)度參數(shù)，即分別取值為：c=35.5，Φ=12.7和c= 21.8，Φ=15.8。邊界條件按照該滑坡當(dāng)時(shí)滑動時(shí)的外界條件，即庫水位為172 m。計(jì)算結(jié)果為：滑坡滑動前的穩(wěn)定性系數(shù)Fs=0.923，滑動后的穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.024。計(jì)算結(jié)果表明，該滑坡滑動之前處于不穩(wěn)定狀態(tài)，滑動之后處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；滑動之后，其穩(wěn)定性有所提高。

滑坡滑動之后，其穩(wěn)定性增加，一方面是滑坡體及滑床的地形地貌的作用結(jié)果，另一方面則是由于滑帶土的物理力學(xué)強(qiáng)度發(fā)生了變化。為了探究該滑坡滑動前后滑面處滑帶土的力學(xué)性能的變化情況，利用前文的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，將滑動前后滑帶土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了對比（圖10），結(jié)果表明，在距離滑坡模型左端點(diǎn)100～200 m范圍內(nèi)的滑面上，滑帶土在滑動之后的抗剪強(qiáng)度較滑動之前有明顯的增大，且在該范圍內(nèi)滑帶土所受的正應(yīng)力在整個(gè)滑面上是最大的。這正好驗(yàn)證了前文剪切試驗(yàn)的結(jié)果，即作用于土樣上的正應(yīng)力越大，經(jīng)過反復(fù)剪切之后其抗剪強(qiáng)度反而有所增大。由此可見，滑帶中正應(yīng)力較大的部位，在滑坡變形過程中表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特性，從而使得滑坡在經(jīng)過小規(guī)模變形后，其整體穩(wěn)定性有所提高。

4 結(jié) 論

通過對三峽庫區(qū)某滑坡滑帶土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，研究了其應(yīng)變硬化的力學(xué)特性，并分析了其對滑坡穩(wěn)定性的影響。

1）該滑坡滑帶土在剪切變形的過程中表現(xiàn)為應(yīng)變硬化的特點(diǎn)，即土樣從彈塑性變形到剪切破壞的整個(gè)過程中，所需的剪應(yīng)力不斷增加。其主要原因是在剪切過程中，土樣顆粒間的空隙率不斷減小，顆粒間的咬合摩擦強(qiáng)度增加，致使其抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)。

2）對于粗顆粒含量較多的粉質(zhì)粘土，經(jīng)過多次剪切之后，其抗剪強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)有所增加，且內(nèi)摩擦角對其抗剪強(qiáng)度的影響占主導(dǎo)作用。正應(yīng)力越大，反復(fù)剪后抗剪強(qiáng)度增加得越明顯。

3）滑帶土的剪切變形特性對滑坡的穩(wěn)定性具有重要影響，相較于應(yīng)變軟化型滑帶土，應(yīng)變硬化型滑帶土的抗滑能力在同等正應(yīng)力作用下更強(qiáng)，且經(jīng)過滑動之后，滑帶土的抗滑能力會有一定程度的增加。在宏觀上表現(xiàn)為，滑坡經(jīng)過短距離滑動后出現(xiàn)暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，在外界條件改變后又發(fā)生滑動。受該類型滑帶土的影響，這種暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)往往多次重復(fù)出現(xiàn)。且此類型滑坡產(chǎn)生大規(guī)模高速滑動的幾率較小。

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