黃土基巖接觸面滑坡滑帶土物理力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)

王雷 +趙法鎖 +程曉輝 +齊笛 +王瑞

摘要：滑帶土抗剪強(qiáng)度取值及微觀結(jié)構(gòu)特性對(duì)于邊坡穩(wěn)定及防治具有重要意義。以陜西延安地區(qū)二莊科滑坡為研究對(duì)象，通過剪切試驗(yàn)、掃描電鏡及X射線衍射儀等，對(duì)典型黃土基巖接觸面滑坡滑帶土物理力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究；通過剪切試驗(yàn)得到不同含水率、不同干密度條件下滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)及其與含水率、干密度之間的相關(guān)性函數(shù)；通過研究其微觀結(jié)構(gòu)及礦物成分，分析了不同干密度、不同垂直壓力條件下的土樣微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：隨著含水率的減小和干密度的增加，土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)均有所提高；黏聚力與含水率呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，內(nèi)摩擦角與含水率呈負(fù)線性關(guān)系，黏聚力、內(nèi)摩擦角分別與干密度呈正線性關(guān)系；隨著垂直壓力的增大，孔隙離散指數(shù)增大，顆粒離散指數(shù)、孔隙（顆粒）平均形態(tài)系數(shù)、孔隙（顆粒）定向概率熵及孔隙（顆粒）定向分維數(shù)均減??；隨著干密度的增大，顆粒定向概率熵及顆粒定向分維數(shù)均增大。

關(guān)鍵詞：黃土；滑坡；滑帶土；重塑土；剪切試驗(yàn)；X射線衍射；物理力學(xué)；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：P642.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Shear strength and microstructure characteristics of slip soil are important for the slope stability. Taking Erzhuangke landslide in Yanan area of Shaanxi as an example， the physical and mechanical properties and microstructures of slip soil of loess bedrock contact landslide were discussed based on the shear test， scanning electron microscope （SEM） and Xray diffractometer. The shear strength parameters of slip soil under the condition of different moistures and dry densities were obtained through the shear test， and the correlation between the shear strength parameters， moisture and dry density were discussed. According to the mineral composition， the microstructure characteristics of slip soil under the condition of different dry densities and vertical pressures were analyzed. The results show that the shear strength parameters of soil samples increase with the decrease of moisture and the increase of dry density； the relationships of cohesion， internal friction angle with moisture are negative exponent and negative linear， respectively； the relationships of cohesion， internal friction angle with dry density are positive linear； with the increase of vertical pressure， all of the dispersion indexes of particle， and the average shape coefficients， quantitative probabilistic entropy and orientation fractal dimension of porosity （particle） decease； with the increase of dry density， both of quantitative probabilistic entropy and orientation fractal dimension of particle increase.

Key words： loess； landslide； slip soil； remolded soil； shearing test； Xray diffraction； physical mechanics； microstructure

0引言

滑坡是中國(guó)常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，一旦誘發(fā)，往往危害嚴(yán)重[1]?；瑤潦腔碌闹匾M成部分，其變形破壞機(jī)理與滑坡的發(fā)展變形、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等息息相關(guān)；在有些情況下，雖然其內(nèi)摩擦角僅差1°～2°，但滑坡推力卻會(huì)成倍增加[23]。長(zhǎng)期以來，前人針對(duì)具體的工程實(shí)際，從滑帶土的物理力學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、粒度組成等方面對(duì)滑帶土展開了較為詳盡的研究，也取得了大量的研究成果[46]。謝放等通過對(duì)滑坡滑帶土進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)，獲得其抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并分析了不同含水率、不同粒徑下滑帶土剪切特性變化規(guī)律[7]；宋丙輝等利用室內(nèi)大型直剪儀對(duì)不同含水率下鎖兒頭大型斷層破碎帶滑坡滑帶土的剪切特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究[8]；鄭苗苗等通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)關(guān)中西部大型黃土滑坡滑帶土的粒度成分、結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了研究[9]；湯文等通過X射線衍射和壓汞試驗(yàn)研究了四川屏山地區(qū)某一古滑坡滑帶土的成分及其在不用水化學(xué)條件下的力學(xué)特性和滲透性變化規(guī)律[10]；李瑞娥等以甘肅天水地區(qū)椒樹灣滑坡為例，從滑帶土的分類、物理力學(xué)性質(zhì)、宏觀與微觀特征等方面分析了黃土滑坡滑帶土的特點(diǎn)[11]；周春梅等通過分析滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)和礦物組成，對(duì)不同含水率條件下的滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)滑坡穩(wěn)定性系數(shù)受土體含水率的影響顯著，含水率為最優(yōu)含水率時(shí)邊坡最穩(wěn)定[12]。上述研究表明，滑帶土的物理力學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)和粒度組成對(duì)滑坡體穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。

滑坡的形成機(jī)制較為復(fù)雜，不同地質(zhì)條件和誘發(fā)因素下發(fā)生的滑坡往往其滑動(dòng)機(jī)理也有所不同。中國(guó)西北地區(qū)發(fā)生的滑坡多為黃土滑坡，根據(jù)其滑面的發(fā)育位置和滑體的物質(zhì)組成可以分為：黃土層內(nèi)滑坡、基巖順層滑坡、基巖切層滑坡和基巖接觸面滑坡4種基本類型，其中尤以沿基巖面發(fā)生的滑坡最為常見。黃土垂直節(jié)理發(fā)育，降水時(shí)雨水會(huì)順著垂直裂隙直達(dá)基巖面并形成滯水層，雨水入滲導(dǎo)致與基巖接觸面上黃土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，是基巖接觸面滑坡發(fā)生的重要原因之一[13]。已有研究中針對(duì)黃土基巖接觸面滑坡滑帶土的研究還較為缺乏。

本文以陜西延安地區(qū)二莊科滑坡為研究對(duì)象，分析了該滑坡滑帶土的物理力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)特征，得到了不同干密度、不同含水率下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，討論了參數(shù)之間的相關(guān)性；并借助激光粒度儀、X射線衍射儀、掃描電鏡等觀測(cè)手段及各種分析方法，研究了該滑坡滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)特征，為進(jìn)一步分析區(qū)域滑坡的形成和變形機(jī)制提供依據(jù)，并為滑坡穩(wěn)定性評(píng)估、工程設(shè)計(jì)提供參考。

1滑坡概況及滑帶土基本特性

1.1地形地貌

陜西延安地區(qū)二莊科滑坡區(qū)地貌類型為黃土峁、黃土斜坡及黃土沖溝。斜坡上部陡，中下部緩，地形變化較大。該滑坡體位于黃土峁與黃土沖溝（二莊科溝）之間的斜坡地帶上，整體呈“簸箕”形，主滑方向約54°，整體坡度為13°～19°；滑坡體長(zhǎng)270～310 m，寬約400 m，厚為15～293 m，平均厚度約15.7 m，體積約為132×104 m3，屬大型黃土滑坡（圖1）。坡體后緣為圈椅狀的高陡后壁，清晰可見，高度為3～18 m，坡度為35°～55°；坡體前緣為二莊科溝底，以基巖面為界，滑面較緩。

1.2地層巖性

二莊科滑坡滑床及附近地層主要為侏羅系及第四系，由老至新分別為：①中侏羅統(tǒng)延安組（J2y），灰白、灰黃色薄層砂巖與泥巖互層，巖層傾向NW，傾角3°～5°；②第四系中更新統(tǒng)離石組（Qeol2），淺黃、淺棕黃或淺棕紅色粉質(zhì)黏土、黏土夾數(shù)層棕紅色古土壤；③第四系上更新統(tǒng)馬蘭組（Qeol3），巖性以淺黃色或淡黃色粉土及粉質(zhì)黏土為主，結(jié)構(gòu)疏松，質(zhì)地均一，具濕陷性，中等壓縮，厚度為1～10 m；④堆積土（Qdel4），主要分布于區(qū)內(nèi)滑坡地段，主要為滑坡體堆積物，結(jié)構(gòu)松散，厚度隨滑坡規(guī)模變化。

1.3滑帶土基本特征

鑒于滑帶土的厚度較薄，難以取得滑帶土的原狀土，本文所取的滑帶土樣均為擾動(dòng)樣，滑坡體土樣均為原狀土樣，取樣點(diǎn)分布見圖1。通過試驗(yàn)測(cè)得其原狀土天然含水率（質(zhì)量比）為18.70%～2340%，干密度（ρd）為162～1.72 g·cm-3，孔隙比為0.58～0.67，飽和度為86.00%～100.00%，液限為2590%～3040%，塑限為15.90%～17.90%。通過顆粒分析試驗(yàn)獲得其粒徑級(jí)配曲線（圖2），粒徑大于0.075 mm的顆粒含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）小于50%，且塑性指數(shù)介于10～17之間，滑坡體、滑帶土均為粉質(zhì)黏土。利用X射線衍射儀來探究土樣的礦物成分，并采用Jade6.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析（圖3）。參照常見黏土礦物成分特征，可知二莊科滑坡滑帶土主要含有石英、長(zhǎng)石、綠泥石、方解石和白云母等礦物，滑帶土的主要物質(zhì)來源為黃土。

2滑帶土物理力學(xué)特性

2.1滑帶土的剪切特性

首先通過對(duì)滑帶土的重塑樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)來研究滑帶土的剪切特性，試驗(yàn)儀器采用應(yīng)變控制式直剪儀。在不同含水率（15%、17%、19%、21%）、不同干密度（1.55、1.65、1.75 g·cm-3）及不同法向應(yīng)力（100、200、300、400 kPa）下進(jìn)行剪切，得到不同條件下的剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線。由于曲線變化規(guī)律無明顯差別，限于篇幅，本文只列出干密度為155 g·cm-3時(shí)的剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線（圖4）。

通過對(duì)比分析不同條件下的剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)滑帶土的剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線大部分呈硬化型（少量為穩(wěn)定型）特征，未出現(xiàn)應(yīng)變軟化的情況，說明其再生強(qiáng)度比較穩(wěn)定[14]。同一干密度條件下，不同法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加而降低。

在各級(jí)垂直壓力下，找出滑帶土破壞時(shí)的剪應(yīng)力值，繪制不同含水率條件下應(yīng)力（τ）應(yīng)變（σ）曲線，經(jīng)線性擬合并結(jié)合庫倫強(qiáng)度公式τ=c+σtan φ即可求出黏聚力（c）、內(nèi)摩擦角（φ）。各試樣在不同干密度、不同含水率條件下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見表1。

從表1可以看出：在同一干密度條件下，滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c、φ）隨含水率的增大而減??；在同一含水率條件下，滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨干密度的增大而增大。

θ為衍射角

參數(shù)隨含水率變化的關(guān)系曲線。將黏聚力含水率曲線

變化規(guī)律近似地?cái)M合為負(fù)指數(shù)關(guān)系；將內(nèi)摩擦角含水率變化規(guī)律擬合為線性關(guān)系；黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大而減小。由圖5、6可以看出，含水率對(duì)土樣黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響不盡相同，隨著含水率的增加，黏聚力減小的速率逐漸變緩，而內(nèi)摩擦角減小的速率始終保持恒定。產(chǎn)生這種變化的原因可能有：①隨著土體中含水率增加，土體孔隙中水分子增多，附著在土顆粒周圍的結(jié)合水向自由水轉(zhuǎn)化，逐漸降低了土的抗剪強(qiáng)度；②水形成的吸附膜對(duì)固體顆粒產(chǎn)生了很強(qiáng)的潤(rùn)滑作用，大大降低了土體的內(nèi)摩擦角；③當(dāng)含水率增大時(shí)，擴(kuò)大了土顆粒間的雙電層，使粒間的斥力增大，易形成分散結(jié)構(gòu)，土的黏聚力因此下降；④水溶解土中相關(guān)化學(xué)物質(zhì)，降低顆粒間膠結(jié)作用力和范德華力，從而導(dǎo)致黏聚力的降低。

2.2.2強(qiáng)度參數(shù)與干密度之間的關(guān)系

圖7、8分別為不同含水率條件下滑帶土強(qiáng)度參數(shù)隨干密度變化的關(guān)系曲線。

經(jīng)線性擬合后可知，黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨干密度的增大而增大，且線性相關(guān)性較好；由曲線斜率可以看出，黏聚力、內(nèi)摩擦角隨干密度的線性變化率均隨含水率的增大而增大。產(chǎn)生這種變化的原因可能有：①干密度越大，土的孔隙比越小，土顆粒間接觸越密實(shí)，距離減小，從而使分子間的靜電力、范德華力、膠結(jié)力增大，在強(qiáng)度指標(biāo)上表現(xiàn)為土體有較大的黏聚力；②隨著干密度的增大，土顆粒之間交錯(cuò)排列，甚至產(chǎn)生顆粒破碎，使土變得更加密實(shí)，而顆粒破碎、重排列等均需要外力對(duì)其做功，進(jìn)而提高了土的內(nèi)摩擦角。

3滑帶土微觀結(jié)構(gòu)

為了研究滑帶土在不同干密度和不同垂直壓力下的微觀表現(xiàn)，采用Quanta650型環(huán)境掃描電鏡（圖2）對(duì)土樣微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

3.1試驗(yàn)步驟

（1）制備觀察土樣。將滑帶土重塑制樣，控制干密度分別為1.55、1.65、1.75 g·cm-3；將土樣于烘箱中烘干，并在觀察前將樣品用手輕輕掰開，得到新鮮的掃描斷面；為節(jié)約時(shí)間（用掃描電鏡觀測(cè)土樣時(shí)土樣體積越大，抽真空所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)），用小刀從原樣中削取長(zhǎng)條形樣品（長(zhǎng)、寬都約10 mm，高3～5 mm），保留掰開的新鮮面；在樣品表面鍍金；將樣品固定在真空倉底板上，并移入觀察室。

（2）使用掃描電鏡觀察。通過對(duì)不同放大倍數(shù)下滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行對(duì)比（圖9），發(fā)現(xiàn)100倍和500倍圖像中的微觀顆粒及孔隙過小，不便于數(shù)據(jù)提取和分析，而3 000倍、5 000倍和10 000倍顯示的范圍較小，難以反映微觀結(jié)構(gòu)的整體布局，因此，本文選取放大倍數(shù)為1 000倍的滑帶土微結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖像進(jìn)行后續(xù)分析。

（3）應(yīng)用IPP6.0軟件對(duì)拍攝的掃描電鏡圖像進(jìn)行分析。

3.2微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取及定量分析

土的微觀結(jié)構(gòu)是一個(gè)非獨(dú)立、多層次、多維度且非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其研究范圍包括顆粒形態(tài)、顆粒排列特征、孔隙形態(tài)、孔隙排列特征、顆粒接觸關(guān)系等。本文在定量研究土體微觀結(jié)構(gòu)時(shí)取土顆粒和孔隙的大小、形態(tài)及排列分布等特征進(jìn)行分析。

3.2.1離散指數(shù)、平均形態(tài)系數(shù)

為了定量描述土顆粒和孔隙的形態(tài)，引入離散指數(shù)（e）和平均形態(tài)系數(shù)（F）[78]。離散指數(shù)可以描述目標(biāo)外形的復(fù)雜程度，表達(dá)式為e=s2/A。其中，s為目標(biāo)的實(shí)際周長(zhǎng)，A 為目標(biāo)的實(shí)際面積。目標(biāo)的周長(zhǎng)越大，離散指數(shù)越大，形狀越復(fù)雜；離散指數(shù)越小，目標(biāo)越趨于圓形。平均形態(tài)系數(shù)可以反映多個(gè)目標(biāo)單元體形狀的均值，表達(dá)式為F=（∑ni=1Fi）/n。其中，F(xiàn)i為第i個(gè)目標(biāo)的形態(tài)系數(shù)，F(xiàn)i=Pi/Si，Si為第i個(gè)目標(biāo)的實(shí)際周長(zhǎng)，Pi為一個(gè)和第i個(gè)目標(biāo)等面積圓的周長(zhǎng)。F值越接近1，目標(biāo)越趨于圓形，F(xiàn)值越接近0，目標(biāo)形狀越復(fù)雜。

孔隙（顆粒）的離散指數(shù)和平均形態(tài)系數(shù)隨干密度和垂直壓力的變化規(guī)律見表2。

從表2可以看出：孔隙離散指數(shù)基本在1326～1618之間，顆粒離散指數(shù)基本在1628～1732之間；在同一干密度條件下，孔隙離散指數(shù)基本上隨著垂直壓力的增大而增大，而顆粒離散指數(shù)隨著垂直壓力的增大有少量減??；在同一垂直壓力條件下，隨著干密度的增加，孔隙（顆粒）離散指數(shù)無明顯變化規(guī)律?？紫镀骄螒B(tài)系數(shù)基本在0752～0804之間，顆粒平均形態(tài)系數(shù)基本在0945～0975之間；在同一干密度條件下，孔隙（顆粒）平均形態(tài)系數(shù)基本上隨著垂直壓力的增大而減小；在同一垂直壓力下，孔隙（顆粒）平均形態(tài)系數(shù)隨著干密度的增加均無明顯變化。由此可見，垂直壓力的作用可以適當(dāng)改變孔隙和顆粒的形狀和離散性，微觀表現(xiàn)為顆粒的重新排列。隨著垂直壓力的增加，土體顆粒和孔隙的形狀越復(fù)雜。

3.2.2豐度

豐度（C）是指目標(biāo)等效短軸與等效長(zhǎng)軸的比值，表達(dá)式為C=B/L。其中，B和L分別表示目標(biāo)的短軸和長(zhǎng)軸長(zhǎng)度。C值越接近1，目標(biāo)形狀越趨于圓形；C值越接近0，目標(biāo)形狀越趨于長(zhǎng)條形。

不同垂直壓力、不同干密度條件下的孔隙（顆粒）豐度變化見圖10。

從圖10可以看出：孔隙（顆粒）的豐度變化基本呈正態(tài)分布，其中孔隙豐度在0.3～0.5之間的分布最為密集，這個(gè)區(qū)間的含量為18.54%～22.76%；顆粒豐度在0.3～0.6之間的分布最為密集，這個(gè)區(qū)間的含量為14.71%～2017%。這說明滑帶土的孔隙（顆粒）更趨向于次長(zhǎng)條形，而長(zhǎng)條形與圓形較少。

3.2.3定向概率熵及定向分維數(shù)

當(dāng)土顆粒及孔隙較多的表現(xiàn)為長(zhǎng)條形時(shí)，其微觀的排列特征對(duì)土體的物理力學(xué)性質(zhì)影響較大。為了分析土顆粒和孔隙排列特征對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響，引入概率熵（Hm）和分形維數(shù)（Df）對(duì)其進(jìn)行定量分析。定向概率熵用來描述結(jié)構(gòu)單元體的有序性，表達(dá)式為Hm=-∑ni=1Fi（α）logn Fi（α），Hm值越接近0，目標(biāo)單元體越有序，反之則越混亂。分形維數(shù)是指ln α與∑ni=1Fi（α）logn Fi（α）之間線性關(guān)系的斜率，表達(dá)式為Df=（∑ni=1Fi（α）logn Fi（α））/ln α。Df值越高，其定向程度越差，反之則定向程度高。其中，F(xiàn)i（α）為在0°～180°內(nèi)第i個(gè)α為中顆?；蚩紫兜亩ㄏ蚋怕?，α表示在0°～180°內(nèi)劃分成n個(gè)等份區(qū)位后，每個(gè)區(qū)位的角度，即α=180°/n。

表3為不同干密度、不同垂直壓力條件下的重塑土樣微觀孔隙（顆粒）定向概率熵及定向分維數(shù)數(shù)量。從表3可以看出，在同一垂直壓力條件下，隨著干密度的增大，孔隙定向概率熵及定向分維數(shù)均無明顯規(guī)律，而顆粒定向概率熵及定向分維數(shù)均增大，這表明顆粒的排列隨著干密度的增加變得更加隨機(jī)，在宏觀上表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度的提高。由于垂直壓力和土顆粒的排列特征均對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度有影響，并且在同一干密度條件下，孔隙（顆粒）定向概率熵及定向分維數(shù)均隨垂直壓力的增大而減小，這說明孔隙（顆粒）的排列隨著垂直壓力的增大逐漸整齊有序，定向性逐漸變好。另外，相比于孔隙（顆粒）的排列特征，垂直壓力的變化對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響更為顯著。

4結(jié)語

（1）陜西延安地區(qū)二莊科滑坡滑帶土在不同含水率（15%～21%）、不同干密度（1.55 ～1.75 g·cm-3）條件下，黏聚力為261～639 kPa，內(nèi)摩擦角為1454°～2676°。在同一干密度條件下，隨著含水率的增大，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐漸減??；在同一含水率條件下，隨著干密度的增大，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐漸增大；抗剪強(qiáng)度參數(shù)與含水率、干密度均表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，其中黏聚力與含水率呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，內(nèi)摩擦角與含水率呈負(fù)線性關(guān)系；黏聚力、內(nèi)摩擦角分別與干密度呈正線性關(guān)系。

（2）為進(jìn)一步分析基巖接觸面滑坡滑帶土特性，結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，對(duì)滑帶土各參數(shù)進(jìn)行定性和定量分析，發(fā)現(xiàn)孔隙（顆粒）更趨向于次長(zhǎng)條形。在同一干密度條件下，隨著垂直壓力的增大，孔隙離散指數(shù)增大，而顆粒離散指數(shù)、孔隙（顆粒）平均形態(tài)系數(shù)、孔隙（顆粒）定向概率熵及孔隙（顆粒）定向分維數(shù)均減小；在同一垂直壓力條件下，隨著干密度的增大，顆粒定向概率熵及顆粒定向分維數(shù)均增大，顆粒的排列更加隨機(jī)，定向性逐漸變差。

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