考慮顆粒級配影響的滑帶土宏觀力學和微觀結構特性研究

葉火炎，魯 莎

(1.湖北水利水電職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430070；2 中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

滑帶作為滑坡的重要控制性組成部分，其物理力學特性是影響滑坡變形演化和穩(wěn)定的關鍵因素。根據地質調查發(fā)現，滑帶的形成過程可以分為原生軟巖、層間剪切帶和滑帶三個階段[1]。在滑帶形成演化的過程中，滑帶強度隨著位置的不同表現各異，利用數學模型可引用“S”曲線來表述滑帶弱化系數的空間特征，從而揭示滑帶的空間變異性[2]。根據現場調查，滑帶土的顆粒級配在不同部位表現出各向異性，可作為滑帶空間變異性指標直觀顯示滑帶在空間分布上的不均勻性。因此，有必要加強不同顆粒級配下滑帶土的宏觀變形力學和微觀結構特性研究。

利用室內試驗發(fā)現，滑帶土的長期強度受其內部密度、顆粒成分、礦物組成、化學成分和含水率等因素的動態(tài)影響[3-5]。

滑帶土的峰值剪切強度受到其含水率的影響較大，滑帶土的初始含水率越高則其剪切強度越低，其剪切模量隨著法向應力的增大而增大[6-7]?；瑤恋臍堄鄰姸扰c應力歷史和原始結構關聯甚微，卻與含水率、粗粒含量、顆粒級配等密切相關，即使滑帶土的顆粒級配變動細微亦會對其殘余強度產生顯著的影響[8]?；瑤猎诨麦w中的分布有空間變異性，其厚度在滑坡體內的不同部位呈厚薄不一狀，針對滑帶土的厚度和含水率對其強度參數的影響研究發(fā)現，滑帶土厚度因子的影響小于含水率因子的影響[9]?；瑤羶炔课⒂^結構的變化往往會引起其宏觀力學參數的改變，而它的結構特征受物理環(huán)境的影響較大且隨著形成時期的不同而呈現差異[10]，這對揭示滑坡的形成和演化歷史以及穩(wěn)定性評價具有重要的意義?；瑤羶炔康奈⒔Y構多呈凝膠狀，內含土顆粒及孔隙[11]，相對于固結滑帶土樣本而言，高孔隙率滑帶土樣本更加松軟[12]。而滑帶土中植物化石和石英的微觀結構對于判斷滑坡的相對滑動年代具有指示性作用[13-14]。

綜上所述，滑帶土的顆粒級配對于滑帶的空間分布具有直觀指示性作用，并且影響了滑帶的宏觀和微觀特性。因此，利用滑帶土的顆粒級配作為滑帶的空間分布指標，通過采用可行性方法控制滑帶土顆粒級配的變化，并針對不同顆粒級配的滑帶土進行室內試驗研究，將有利于揭示滑帶的空間變異性，揭示滑坡真實的演化過程。目前雖然已有研究利用不同手段針對滑帶土進行了室內試驗以揭示其性質，但鮮有學者開展不同顆粒級配下滑帶土的宏觀和微觀特性分析。為此，本文以三峽庫區(qū)典型滑坡——黃土坡滑坡的滑帶土作為研究對象，在保持土體自相似性的前提下，利用三軸不排水剪切試驗和電鏡掃描試驗，開展了考慮顆粒級配影響下滑帶土的宏觀力學和微觀結構特性研究，以為滑坡的防治提供依據。

1 滑帶土樣本的制備與試驗方法

1. 1 滑帶土樣本的采集

滑帶土形成發(fā)育于滑體內部，故一般多利用深部鉆孔取樣法獲取滑帶土樣本。本文依托三峽庫區(qū)巴東縣黃土坡滑坡野外綜合試驗場，對黃土坡滑坡中的重要次級滑坡——臨江1號滑坡的滑帶土進行了現場取樣。巴東大型野外綜合試驗場位于巴東縣長江南岸黃土坡滑坡的臨江1號滑坡體內，距離三峽工程壩址近70 km，也是長江三峽庫區(qū)內地質條件最復雜的地區(qū)之一。本試驗所用滑帶土樣本均來源于巴東大型野外綜合試驗場5號支洞，具體取樣位置見圖1。

圖1 滑帶土取樣位置圖Fig.1 Sampling location of the slip zone soil

1. 2 滑帶土的基本物理性質

現場取樣發(fā)現滑帶土呈黃色、淺灰色，厚度為50～100 cm不等，局部可見擦痕。通過對滑帶土進行顆粒分析試驗可知，滑帶土為粉質黏土夾碎石，其中2 mm以上的礫石含量在29.7%～39.6%之間，0.075～2 mm間的砂粒含量在13.1%～21.7%之間，而0.075 mm以下的粉粒和黏粒含量在41.2%～48.6%之間，滑帶土的粉粒和黏粒含量較高，具有低透水性?；瑤恋闹饕锢硇再|指標見表1。

表1 滑帶土的物理性質指標Table 1 Physical indexes of the slip zone soil

1. 3 滑帶土樣本的制備

滑帶由于處于滑坡試驗體內部，其取樣往往受條件限制且花費極大，本次試驗盡管可依托巴東野外綜合試驗場對黃土坡臨江1號滑坡滑帶土進行取樣，但在滑帶不同部位進行取樣的可行性仍然不高。因此，本研究在保持自然巖土體內部分維特性的前提下，利用質量分形模型[15]，配制了4組具有不同分形維數顆粒級配的滑帶土樣，并且針對它們開展了滑帶土的宏觀和微觀特性的對比研究。根據滑帶土的顆粒級配信息[16]可知，本區(qū)滑帶土的分形維數約在2.6～2.8之間，可據此進行滑帶土擾動樣本的配制。由于本次研究的滑帶土為粉質黏土夾碎石，黏土含量較高，故增加了分形維數為2.88的樣本組。本次試驗根據不同分形維數配制的滑帶土顆粒級配樣本的粒組含量見表2，試驗涉及的操作均遵循《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)[17]。

表2 不同顆粒級配滑帶土樣本各粒徑的含量Table 2 Grain content of slip zone soil with different particle-size distributions

根據表2滑帶土的組樣信息制作三軸試驗樣本和電鏡掃描樣本，其具體步驟如下：

三軸試驗樣本：①將滑帶土樣經過篩分分組，根據每組各粒徑含量的不同稱取相應土樣放置于大托盤內均勻混合；②利用噴霧器朝已均勻混合的土樣上加水濕混，并用保鮮膜封口靜置24 h，使水與土粒均勻接觸；③利用分層擊實法將步驟②中混合好的土樣制作成三軸試驗樣本。在樣本制作時，控制土樣干密度為1.84 g/cm3，含水率為17%，成品樣本尺寸為高度80 mm、直徑39.1 mm的標準樣本。

(2) 電鏡掃描樣本：①將樣本S1、S2、S3和S4的大土樣用手掰成指甲蓋大小的小土塊，并用放大鏡選取較光滑面的小土塊樣本；②將選取好的小土塊樣本放置于60℃的烘箱內烘干6 h；③將烘干置涼的土樣放置于噴金機內噴金。

1. 4 試驗方法

圖2 靜三軸儀Fig.2 Triaxial compression apparatus

(1)三軸固結不排水剪切試驗：試驗采用國產靜三軸儀(見圖2)，利用固結不排水剪切試驗獲取滑帶土的應力-應變特征和強度參數。試驗過程包括固結和剪切兩個階段，具體操作步驟如下：①先將已制備好的三軸試驗樣本用三瓣模夾好放置于飽和箱內15 h；②再將飽和的土樣放置于三軸儀內固結18 h，固結壓力為400 kPa；③固結好后，設置圍壓分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，加壓軸以0.08 mm/min的速度進行剪切，在豎向變形超過15%時視為破壞，即試驗停止。

圖3 掃描電子顯微鏡Fig.3 Scanning electron microscope

(2) 電鏡掃描試驗：試驗采用荷蘭產環(huán)境掃描電子顯微鏡(Quanta200)(見圖3)，利用電鏡掃描試驗獲取滑帶土的微觀結構特性。試驗具體操作步驟如下：①將制備的土樣放入掃描電鏡的真空樣品室并將光滑平面對準掃描電鏡方向；②將掃描電鏡調整至測試樣品前方；③通過調整掃描電鏡的放大率來觀測樣品的微觀結構。本試驗中分別采用500倍、1 000倍和1 500倍的放大率進行樣本微觀結構的觀測，最終選取1 000倍的放大率獲取土樣的微觀結構信息。

2 結果與分析

2. 1 不同顆粒級配滑帶土的宏觀變形力學特性

根據三軸固結不排水剪切試驗結果，繪制了在不同圍壓下不同顆粒級配滑帶土的主應力差(σ1-σ3)-軸向應變(εy)曲線，見圖4。

圖4 在不同圍壓下不同顆粒級配滑帶土樣本的主應力差(σ1-σ3)-軸向應變(εy)曲線Fig.4 Deviator stress (σ1-σ3) versus horizontal strain (εy) curves of slip zone soil with different particle-size distributions under different confining pressure

由圖4可見，滑帶土樣本的應力-應變曲線呈非線性特征，在初始階段主應力差隨著軸向應變的增加而快速增長，當軸向應變達到一定特征值時，隨著軸向應變進一步的增加，主應力差增長的速度顯著降低；不同顆粒級配下滑帶土樣本軸向應變的特征值大小有明顯的差異，如圖4(d)所示，對于以分形維數為單代表因子的不同顆粒級配樣本S1～S4，軸向應變的特征值分別為2%、2.5%、3%和4%，即說明軸向應變的特征值隨著樣本顆粒分形維數的增加有小幅增長。

雖然存在主應力差增長速度隨著軸向應變的增大而減小的情況，但是整體上滑帶土樣本的應力-應變曲線表現為上升趨勢，說明主應力差隨著軸向應變的增加呈持續(xù)增長趨勢，在試驗過程中沒有出現明顯的峰值點，表現為應變硬化特性。對于給定顆粒級配的滑帶土樣本，圍壓越大則在給定軸向應變情況下主應力差增量亦上升，這與Ortiz等[18]的研究結果一致。

通過觀察不同顆粒級配滑帶土樣本的應力-應變曲線的關系發(fā)現，剔除圍壓和軸向應變差異的影響，不同顆粒級配滑帶土樣本對應的主應力差不盡相同，并且從樣本S1到S4呈逐漸增大的趨勢。根據表1可知，樣本在保證自相似性前提下，顆粒級配中黏粒含量隨著分形維數的增加顯著增加，而砂粒含量相應減少，樣本從S1到S4結構緊密程度逐漸增大，因此對于樣本S1到S4，主應力差隨著樣本分形維數的增加而逐漸變大。

根據三軸固結不排水剪切試驗結果，繪制在不同圍壓下不同顆粒級配滑帶土樣本的孔隙水壓力(u)-軸向應變(εy)曲線(見圖5)，以反映滑帶土試樣內部孔隙水壓力隨著外部軸向應變的變化情況。

圖5 在不同圍壓下不同顆粒級配滑帶土樣本的孔隙水 壓力(u)-軸向應變(εy)曲線Fig.5 Pore water pressure versus horizontal strain curves of slip zone soil with different particle-size distributions under different confining pressure

由圖5可見，對于相同圍壓的滑帶土樣本，在給定軸向應變的情況下，從樣本S1到S4孔隙水壓力逐漸減小，在100 kPa圍壓下其軸向應變?yōu)?%時，樣本S1到S4的對應孔隙水壓力分別為15.5 kPa、15 kPa、11 kPa和7.5kPa[見圖5(a)]；對于相同顆粒級配的滑帶土樣本，在給定軸向應變情況下，滑帶土樣本孔隙水壓力隨著圍壓增大呈升高趨勢。

此外，由圖5(a)可見，在圍壓保持100 kPa時，樣本S1和S2的孔隙水壓力隨著軸向應變的增大呈逐漸增加的趨勢，在剪切過程中滑帶土樣本孔隙的貫通性較差，在整個剪切階段孔隙水壓力均呈緩緩上升趨勢；對于樣本S3和S4，在軸向應變約為8%時，樣本孔隙水壓力開始隨著軸向應變的增大有緩緩減小的趨勢。分析原因認為：在初始剪切階段，滑帶土樣本土顆粒間的孔隙多未貫通，在軸向偏應力作用下，其孔隙水壓力迅速增大并達到峰值；然而隨著剪切作用的進行，土顆粒發(fā)生移動，顆粒之間的孔隙逐漸貫通，則孔隙水壓力會慢慢消散。

試驗中取軸向應變15%為破壞點，根據摩爾-庫侖強度準則，采用下式利用有效最大主應力(σ1)和有效最小主應力(σ3)對試驗數據進行擬合，可得到不同顆粒級配滑帶土樣本的破壞包絡線(見圖6)，并得到不同顆粒級配滑帶土樣本的有效抗剪強度參數分布(見圖7)。

圖6 不同顆粒級配滑帶土樣本的破壞包絡線Fig.6 Failure envelopes corresponding to the slip zone soil samples with different particle-size distributions

圖7 不同顆粒級配滑帶土樣本的有效抗剪強度參數分布Fig.7 Strength parameters of the slip zone soil samples with different particle-size distributions

(1)

式中:σ1為有效最大主應力(kPa)；σ3為有效最小主應力(kPa)；c為有效黏聚力(kPa)；φ為有效內摩擦角(°)。

由圖7可見，對于以分形維數控制的顆粒級配滑帶土樣本，隨著分形維數的增加，其有效黏聚力和有效內摩擦角均呈增大趨勢。這是因為隨著滑帶土樣本分形維數從2.6增加到2.88，樣本中黏粒含量大幅增加，導致顆粒表面積增大，從而增大了顆粒內部的黏結作用[19]，因此產生了黏聚力隨著樣本分形維數增高而明顯增大的現象。此外，不論是有效黏聚力還是有效內摩擦角，其變化均在樣本S2和S3之間表現顯著，具體表現為從樣本S2到S3，有效黏聚力增長量大幅提高而有效內摩擦角增長量大幅降低。結合上述不同顆粒級配滑帶土樣本的孔隙水壓力-軸向應變曲線發(fā)現，在100 kPa圍壓下，樣本S1和S2均呈孔隙水壓力逐漸增大，而樣本S3和S4均出現孔隙水壓力消散的現象，由此可見，從顆粒級配樣本S2到S3，其內部結構和變形力學性質均發(fā)生了顯著變化。

2. 2 不同顆粒級配滑帶土的微觀結構特性

本文利用電鏡掃描試驗，得到了不同顆粒級配滑帶土樣本的微觀結構，見圖8。

圖8 不同顆粒級配滑帶土樣本的電鏡掃描結果Fig.8 Scanning electron microscope results of the slip zone soil samples with different particle-size distributions

由圖8(a)可見，樣本S1的微觀結構較為松散，有較多大顆粒，而樣本S4的微觀結構較為密實。

本文利用MATLAB軟件進行了圖形處理，得到了不同顆粒級配滑帶土樣本的內部微觀結構參數[20]，見圖9。

圖9 不同顆粒級配滑帶土樣本的微觀結構參數Fig.9 Microstructure parameters of the slip zone soilsamples with different particle-size distributions

由圖9可見，從樣本S1到S4，其內部顆粒平均面積逐漸變小，此結果與滑帶土樣本的顆粒級配配比相一致，表明了微觀結構參數的可信度。當滑帶土樣本的分形維數從2.6(S1)增加到2.7(S2)時，樣本的孔隙平均面積減小了16.7%；而當滑帶土樣本的分形維數從2.7(S2)增加到2.8(S3)時，樣本的孔隙平均面積減小了57.3%，表明滑帶土樣本在分形維數超過2.7時其內部微觀結構發(fā)生了較大的變化?；瑤翗颖镜目紫稊盗繌臉颖維1到S4逐漸增加，從分形維數2.6增加到2.88的過程中，樣本的孔隙數量分別增加了3%、109.7%和46.2%。與上述宏觀試驗結果進行對比，滑帶土樣本的孔隙數量較多時，在受到軸向偏應力時，結構緊密性更強，所以主應力差隨著分形維數的增加而逐漸變大。在滑帶土樣本的孔隙水壓力-軸向應變曲線中，由于樣本S4的孔隙數量最多，在軸向應力作用下，其孔隙水壓力迅速增大，且隨著剪切作用的進行，土顆粒發(fā)生移動，使得其孔隙貫通性增強，因此樣本S4在不同圍壓下的剪切均會出現孔隙水壓力消散的現象。

3 結 論

滑帶土的物質組成和物理力學性質與滑坡的形成演化緊密相關。在滑坡形成演化過程中，滑帶土的物質組成在空間上表現為各向異性，不同位置滑帶土的顆粒級配組成各異，本文通過對不同顆粒級配的滑帶土進行三軸固結不排水剪切試驗和電鏡掃描試驗的對比研究，分析了不同顆粒級配對滑帶土的宏觀變形力學特性和微觀結構特性的影響，并得到如下結論：

(1) 滑帶土顆粒級配對其力學性質有重要的影響。不同顆粒級配滑帶土的主應力差-軸向應變曲線增長速率變化點不同，隨著樣本顆粒級配分形維數的增加滑帶土的應力-應變曲線增長速率變化點呈增大趨勢，并且顆粒級配分形維數最大的樣本中均出現孔隙水壓力消散的現象。

(2) 滑帶土的有效抗剪強度參數受顆粒級配的影響較大。根據摩爾-庫侖強度準則計算得到的滑帶土樣本的有效黏聚力和有效內摩擦角的數據表明，隨著樣本顆粒分形維數的增加，滑帶土的有效抗剪強度參數均呈增大趨勢，并且在分形維數從2.7增加到2.8時出現了明顯的強度變化率改變的現象。

(3) 利用電鏡掃描試驗獲取的不同顆粒級配滑帶土樣本的微觀結構參數可知，隨著樣本顆粒級配分形維數的增加，滑帶土的內部孔隙數量逐漸增多，結構緊密性更強，所以在受到軸向偏應力時顆粒級配分形維數更高的樣本的主應力差更大，說明滑帶土的微觀結構與宏觀變形力學性質之間是相輔相成的，且聯系緊密。

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