涇陽南塬黃土滑坡刮鏟推覆構(gòu)造與滑帶土微觀結(jié)構(gòu)

薛喜成 張玲玉 段釗

摘?要：涇陽南塬黃土滑坡刮鏟推覆構(gòu)造反應(yīng)了一種典型的表生地質(zhì)動力作用現(xiàn)象。通過野外調(diào)查，開挖探槽及SEM樣品處理，綜合分析涇陽南塬黃土滑坡原狀土及滑帶土的物理性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)，包括礦物成分、顆粒級配、孔隙度、方向頻率、豐度和分形維數(shù)等特征，結(jié)合黃土滑坡前緣沖擊階地并對階地刮鏟推覆作用及逆沖剪斷、液化、豎向滲流通道等細(xì)觀現(xiàn)象，反演滑坡運(yùn)動過程，并對滑坡運(yùn)動過程中的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行解釋。結(jié)果表明：土體微觀結(jié)構(gòu)特征與滑坡細(xì)觀現(xiàn)象和刮鏟推覆構(gòu)造的產(chǎn)生有必然的聯(lián)系。原狀土體顆粒定向顯著，孔隙度較大，孔隙連通性較好，在外力作用下易形成裂隙貫通和發(fā)生液化，進(jìn)而形成豎向滲流通道和地表涌沙現(xiàn)象;滑帶土粒徑不均勻系數(shù)增大，孔隙度減小，孔隙形狀改變，定向性減弱，單元體分形維數(shù)增大，這是滑坡運(yùn)動過程中受擠壓剪切作用，顆粒發(fā)生碰撞，孔隙水溢出的結(jié)果;而滑帶土前緣較中部孔隙更為密實(shí)，孔隙度差異較小，顆粒分形維數(shù)較小，這是由于滑坡前緣為滑坡刮鏟階地推覆作用形成，主要受擠壓作用，受力集中且均勻。關(guān)鍵詞：

刮鏟推覆構(gòu)造;微觀結(jié)構(gòu);滑帶土;黃土滑坡;涇陽南塬中圖分類號：P 694

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）01-0102-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0114開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Scraping-nappe structure and microstructure of the loess

landslide in south Jingyang Plateau

XUE Xi-cheng，ZHANG Ling-yu，DUAN Zhao

（College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：The scraping-nappe structure of loess landslide in south Jingyang Plateau reflects a typical epiphytic geologic dynamic phenomenon.Through field investigation，excavation and SEM sample processing，physical properties and the microstructure of the loess landslide undisturbed soil and slipping zone soil in south Jingyang Plateau are analyzed，including mineral composition，particle size distribution，porosity，direction frequency，abundance and the fractal dimension and so on.In view of the the front of landslide impact terrace，cause scraping-nappe structure and subtle-phenomenon such as cut and thrust nappe action and liquefaction，mechanical state in the process of landslide movement is explained.The results show that the characteristics of soil microstructure are inexorably linked with the scraping-nappe structure and subtle-phenomenon of the landslide.The undisturbed soil particles have obvious orientations，large porosity and good pore connectivity，which are easy to break through and liquefy under the action of external forces.

The non-uniform coefficient of

slipping zone soil particle increases，porosity decreases，pore shape changes，directional sex is abate，and granular fractal dimension increase.

All these areaffected by extrusion shearing actionin the process of the landslide movement.Front slipping zone than is denser the central，pore is more close-grained，porosity difference is small，and granular fractal dimension is small.All these are due to the front of landslide scaling terraces formed by the nappe，which is mainly formed mainly by extrusion process，with the stress centralized and uniform.Key words：scraping-nappe structure;microstructure;slipping zone soil;loess landslides;south Jingyang Plateau

0?引?言

土體在受力變形過程中結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，因此可通過研究土體的微觀結(jié)構(gòu)反演其變形過程和受力狀態(tài)。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者研究了土體在受力和變形狀態(tài)下微觀結(jié)構(gòu)的變化。

趙濤研究了凍融循環(huán)后砂巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征[1];張先偉研究了軟土蠕變過程中微結(jié)構(gòu)變化和黏土壓縮過程中微觀孔隙的變化規(guī)律，以此揭示軟土蠕變變形機(jī)制[2-3];谷天峰對原狀及循環(huán)荷載作用下馬蘭黃土的微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對比，總結(jié)循環(huán)荷載作用前后孔隙面積、孔徑、圓度、形態(tài)比等參數(shù)的變化規(guī)律[4];宋丙輝研究了鎖兒頭滑坡滑帶土分形特征與抗剪強(qiáng)度和孔隙比的關(guān)系[5];任權(quán)，劉動，周建，王雷等分析了不同物理力學(xué)條件下土體微觀結(jié)構(gòu)的變化，并將微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為建立了聯(lián)系[6-9];WANG利用數(shù)字化處理掃描電鏡圖像分析了未擾動區(qū)及破裂帶紅土微觀孔隙的變化[10];吳凱分析了最優(yōu)含水量下不同干密度黃土微觀結(jié)構(gòu)變化[11];

葉萬軍對比雨水溶蝕前后試樣在粒度組成、礦物成分、離子含量、微結(jié)構(gòu)單元及物理力學(xué)性質(zhì)方面的差異，探究雨水溶蝕作用對黃土工程性質(zhì)的影響[12];

祁昊對天然及飽和狀態(tài)下土體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行分析，探討了降雨作用下歡喜坡冰水堆積體角礫土強(qiáng)度變化的微觀機(jī)制[13];周暉定量分析了軟土固結(jié)過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化，建立了孔隙結(jié)構(gòu)影響因子與固結(jié)荷載、滲透系數(shù)及壓縮系數(shù)的關(guān)系[14]。

目前，微觀結(jié)構(gòu)的研究方法已趨于成熟，多數(shù)研究以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，然而由于取樣、制樣環(huán)節(jié)對土體結(jié)構(gòu)的擾動和破壞，在真實(shí)反演地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過程中土體復(fù)雜的受力狀態(tài)的應(yīng)用中還存在一些缺陷。因此，還有學(xué)者直接針對工程原狀土體進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，利用其解釋地質(zhì)災(zāi)害機(jī)制。李華斌，趙洲，嚴(yán)春杰等通過研究滑坡滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)，提出了利用微觀結(jié)構(gòu)分析滑坡的活動年代、活動規(guī)模、發(fā)生頻次等信息[15-18];譚羅榮研究了膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)特征，對微觀結(jié)構(gòu)單元和微觀結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了劃分，討論了微結(jié)構(gòu)特征與膨脹勢的關(guān)系，并將定向特征與力學(xué)強(qiáng)度建立了關(guān)系[19];王寶軍研究了黏性土微觀結(jié)構(gòu)的分形特征，得出了分形維數(shù)與土體微觀結(jié)構(gòu)類型間的關(guān)系，即土樣的團(tuán)粒化越高，分形維數(shù)越小[20];HE分析滑帶土微觀形態(tài)特征，提出有利于滑坡形成的微觀特征[21];鄧茂林觀察了干燥和飽和2種狀況下滑帶軟巖顯微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其特征與滑坡滑動跡象吻合[22];陳劍對滑帶土的物理性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并利用微觀結(jié)構(gòu)特征解釋了滑帶土的力學(xué)行為[23]。

研究區(qū)涇陽南塬地處涇河下游右岸，是陜西關(guān)中地區(qū)滑坡災(zāi)害發(fā)生頻率高、災(zāi)害后果較為嚴(yán)重的地區(qū)。通過前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，涇陽南塬黃土滑坡在運(yùn)動過程中對階地易侵蝕基層（階地飽和粉砂—粉土層）造成沖擊，在前緣形成顯著的刮鏟、推覆和液化現(xiàn)象，導(dǎo)致滑坡致災(zāi)范圍放大。為此，文中通過探槽記錄了滑坡刮鏟、推覆和液化等細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，并制取了滑坡滑帶土粉砂試樣，在此基礎(chǔ)上，利用SEM處理，分析對比滑坡運(yùn)動前后微觀結(jié)構(gòu)變化，以此揭示滑坡滑帶土微觀結(jié)構(gòu)與細(xì)觀特征的聯(lián)系。

1?滑坡推覆構(gòu)造

受農(nóng)業(yè)灌溉影響，涇陽南塬自1982年至今共發(fā)生了62起以上的黃土滑坡[23]。這些黃土滑坡中有31起在運(yùn)動過程中對階地易侵蝕基層造成過沖擊，西廟店滑坡便是典型代表（圖1）。該滑坡位于東經(jīng)108°46′02.16″，北緯34°30′04.76″，是涇陽南塬新近發(fā)生的一起運(yùn)動特征保存較為完整的滑坡。該滑坡自2013年11月至2016年3月共發(fā)生過4次滑動。其中第1起滑坡發(fā)生范圍最大，體積約35×10?4 m?3，滑動距離約305 m.現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，西廟店滑坡第1起滑坡在運(yùn)動過程中沖擊了階地易侵蝕層，將階地地層鏟起，并與黃土滑體一起向階地臨空方向運(yùn)動，堆積體前緣地表出現(xiàn)了明顯的隆起，堆積體中部植被形成醉漢林。

為了進(jìn)一步查明堆積體內(nèi)部構(gòu)造特征，前緣位置開挖探槽。由探槽剖面（圖2）可見，原階地原狀地層由下至上依次為產(chǎn)狀近水平的粉質(zhì)粘土、粉砂和砂質(zhì)粉土互層、粗砂、粉質(zhì)粘土;而在其上覆堆積體中發(fā)現(xiàn)，粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土、粉砂產(chǎn)狀傾斜，粉質(zhì)粘土沿一條粉砂剪出，剪出面上和砂質(zhì)粉土接觸處還夾有植物層（原階地上的棗樹），其余粉砂形成多條次級滑動面，每一條次級滑動面之上覆有砂質(zhì)粉土。整體上粉砂傾角沿滑坡運(yùn)動方向逐漸增大，且整體趨勢與砂質(zhì)粉土剪出面一致。粉砂和粗砂逆沖剪斷與揉皺現(xiàn)象也較為普遍。

與之相對應(yīng)地在前緣位置可以看到顯著的逆沖剪斷、涌沙和豎向滲流通道等細(xì)觀現(xiàn)象（圖3）。

2?樣品制備

2.1?前處理

為揭示西廟店黃土滑坡刮鏟推覆的形成過程和受力狀態(tài)，在刮鏟推覆構(gòu)造較為顯著的滑坡前緣和中部各制取滑帶土粉砂試樣3組，同時在階地制取原狀粉砂試樣2組進(jìn)行樣品處理。

使用丙酮溶液浸泡取樣器中試樣，待溶液完全滲透，試樣中顆粒形成膠結(jié)。將硬化后的試樣底面用輪式磨片機(jī)研磨成近平面，再放進(jìn)自動磨片機(jī)細(xì)磨，細(xì)磨后檢查試樣表面是否有空洞、裂紋和擦痕;之后在毛玻璃板上精磨，精磨后在斜光下檢查表面是否有擦痕。最后在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，拋光結(jié)束后，清洗試樣，去掉殘留的拋光液和污物，并用柔軟的綢布擦拭干凈。

2.2?制作掃描電鏡圖像

采用掃描電鏡（SEM）對土樣進(jìn)行掃描，放大倍數(shù)分別為100倍、200倍、500倍，每組樣品掃描獲得10張圖片，然后選取滑帶土前緣、中部及原狀土SEM圖像各6張進(jìn)行分析，分別編號Q1-Q6，Z1-Z6，Y1-Y6，其中1～3號圖像放大倍數(shù)為200倍，4～6號圖像放大倍數(shù)為100倍。

利用能譜儀對能譜元素掃描，并疊加在放大倍數(shù)為500倍的SEM圖像上，以備分析礦物成分。

2.3?SEM圖像二值化

結(jié)合Matlab，使用Image J，調(diào)節(jié)閾值，將原始灰度圖像進(jìn)行二值化處理，顆粒和孔隙二值化時選用相同閾值（圖4）。

3?物理性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)

利用Matlab和Image J提取二值化圖像中單元體（孔隙和顆粒）參數(shù)，主要需要面積、周長、長軸、短軸、方向以及孔隙度。通過土體礦物成分、顆粒級配、孔隙度、方向頻率、豐度和分形維數(shù)6個指標(biāo)體現(xiàn)土體的礦物組分、粒徑、孔隙比例、單元體定向性、形狀以及復(fù)雜程度。

3.1?礦物成分

由滑帶土礦物成分分析圖（圖5），利用礦物標(biāo)準(zhǔn)色[24]計算得出：滑帶土物質(zhì)成分主要是石英、硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物，分別占25.2%，15.1%和7.8%.

3.2?顆粒級配

采用顆粒等效粒徑進(jìn)行分析，即通過顆粒面積計算顆粒的等效直徑。

計算18個樣品顆粒二值化圖像中的顆粒等效直徑，分別作粒徑分布圖（圖6），并計算土體顆粒不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)，然后取Q1-Q6，Z1-Z6，Y1-Y6參數(shù)的平均值代表各部位顆粒級配值，分析滑帶土粒徑。

滑帶土樣品粒徑分布在0.008～0.32 mm之間，均由粉粒和砂粒組成。其中，各部位的參數(shù)值見表1.

從表1可以看出，3組土體均屬勻粒土，曲率系數(shù)相差不大。其中2組滑帶土樣品較原狀土樣品粉粒含量減少，砂粒含量增多，不均勻系數(shù)增大;而滑帶土前緣樣品又比中部樣品粉粒含量少，砂粒含量多。

3.3?孔隙度

孔隙度是反映土體密實(shí)程度的指標(biāo)，可通過研究土體孔隙度的變化判別其受力狀態(tài)。

通過計算，滑帶土前緣Q1-Q6孔隙度平均值為37.1%，滑帶土中部Z1-Z6孔隙度平均值38.9%，而原狀土樣品Y1-Y6孔隙度平均值為44.3%.另外，分析孔隙二值化圖像時發(fā)現(xiàn)（圖7），統(tǒng)計的原狀試樣Y1-Y6的孔隙數(shù)量明顯較滑帶土樣品同一比例尺下的少，土體相對密實(shí)，且孔隙面積分布極不均勻，孔隙連通性明顯較滑帶土孔隙連通性好。

滑帶土整體孔隙度較原狀土孔隙度小，而滑帶土前緣孔隙度又較滑帶土中部小，且Q1-Q6孔隙度變化較Z1-Z6小。

3.4?方向頻率

土體在受力作用下，顆粒移動，單元體形態(tài)會發(fā)生改變，而單元體方向是反映單元體形態(tài)的一項(xiàng)指標(biāo)。分析單元體的方向頻率可以了解單元體總體的定向特征，比較不同部位的定向特征又可以解釋不同部位土體的受力狀態(tài)。在分析方向頻率時，采用的是統(tǒng)計單元體方向在一定區(qū)間內(nèi)的面積，而沒有使用傳統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)量，避免了利用數(shù)量統(tǒng)計時由于各個單元體面積大小差異而造成的誤差。

圖8中，滑坡原狀土和滑帶土前緣樣品孔隙方向頻率在一個方向存在極大值，有明顯的定向性，原狀土體孔隙方向頻率最大值為0.74，前緣土體孔隙方向頻率最大值為0.13，而滑帶土中部樣品孔隙在多個方向頻率較大，定向性較差。

另外，滑坡原狀土、滑帶土前緣樣品和滑帶土中部樣品顆粒方向均有較好的定向性。其顆粒方向頻率最大值分別為0.23，0.11，0.13.

3.5?豐度

通過計算，滑帶土Q1-Q6孔隙平均豐度為0.57，顆粒平均豐度為0.60，滑帶土中部Z1-Z6孔隙平均豐度為0.57，顆粒平均豐度為0.59，而測得的滑坡原狀土體樣品孔隙平均豐度為0.55，顆粒平均豐度為0.60.

滑帶土前緣和中部樣品的孔隙豐度值較原狀土樣大，顆粒豐度與原狀土樣基本一致，而前緣樣品顆粒豐度值較中部略大。

3.6?分形維數(shù)

分形維數(shù)是描述具有自相似結(jié)構(gòu)的幾何現(xiàn)象的特征量，分形維數(shù)越大，土體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

對各個部位樣品提取的單元體面積和周長進(jìn)

行統(tǒng)計，作面積-周長的對數(shù)散點(diǎn)圖，并利用點(diǎn)密度分布圖分析點(diǎn)分布的整體趨勢，若可以用線性方程擬合，則說明其具有分形特征。

可以對單元體周長和面積的對數(shù)進(jìn)行線性分析，從而求得分形維數(shù)。

通過繪制樣品單元體的面積周長對數(shù)散點(diǎn)圖和點(diǎn)密度分布圖（圖9），發(fā)現(xiàn)所有的圖上散點(diǎn)密度最大值均為線性分布，散點(diǎn)整體形態(tài)可以用線性擬合，即具有分形特征。通過線性擬合方程可以求得單元體分形維數(shù)（表2）。

滑帶土樣品單元體分形維數(shù)均較原狀土樣品大，而滑帶土中部單元體分形維數(shù)又較滑帶土前緣大。

4?討?論

綜合分析滑帶土與原狀土微觀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出3方面特點(diǎn)：①原狀土礦物成分以石英、長石居多，定向排列良好，孔隙度較大，孔隙連通性較好，孔隙定向性顯著;②滑帶土微觀結(jié)構(gòu)較原狀土，粒徑不均勻系數(shù)增大;孔隙度減小，孔隙連通性降低;孔隙定向性減弱;孔隙豐度減小;顆粒分形維數(shù)增大;③滑帶土前緣微觀結(jié)構(gòu)較中部，土體更為密實(shí)，且不同位置孔隙度差異較小;孔隙定向性較好;單元體分形維數(shù)較小。

結(jié)合滑坡前緣探槽剖面及現(xiàn)場調(diào)研細(xì)觀現(xiàn)象，對滑坡運(yùn)動過程及受力狀態(tài)反演如下。

原狀粉砂層中礦物組合及礦物的定向排列為裂隙的產(chǎn)生提供了良好的條件，當(dāng)滑坡在高速運(yùn)動過程中迅速楔入階地，階地易侵蝕層在強(qiáng)烈擠壓條件下沿內(nèi)部脆弱面剪切破壞，并形成貫通的緩傾斜面，成為滑體撞擊階地后的階地滑動面。另一方面，原狀粉砂土體孔隙度較大，孔隙連通性較好，孔隙定向性顯著，當(dāng)滑體沖擊、推擠階地地層時，粉砂中孔隙水來不及釋放，孔隙水壓力快速增大，有效應(yīng)力降低，發(fā)生液化[25-27]。由于超孔隙水壓力的存在，液化了的粉砂沿著上覆土體的裂隙快速向上逃逸，形成顯著的豎向滲流通道和地表涌沙現(xiàn)象。

黃土滑坡繼續(xù)擠壓階地地層，并與階地地層一起沿階地滑動面向前滑動。土體顆粒產(chǎn)生相應(yīng)滑移，受剪切、擠壓等多種作用，顆粒接觸頻率增大，碰撞增強(qiáng)，部分顆粒破碎，整體上粒徑不均勻系數(shù)增大，同時碰撞過程使得顆粒表面變得不光滑，碰撞越強(qiáng)，顆粒邊界越粗糙，分形維數(shù)越大。另一方面，滑動過程中擠壓作用逐漸增強(qiáng)，孔隙擠密，孔隙度減小，粉砂剪切破壞和液化現(xiàn)象不斷發(fā)生，形成多條粉砂涌出地表通道，并伴有揉皺現(xiàn)象發(fā)生。

由于粉砂液化后與上下接觸地層之間摩擦力存在較大差異，粉砂上覆地層帶動粉砂沿阻力最小的方向向前運(yùn)動，而階地地層中恰好存在緩傾斜的裂隙貫通帶，于是黃土滑坡與階地地層以逆掩的形式沿貫通帶剪出，并形成多條次級滑動面。

滑坡前緣是黃土滑坡下滑擠入階地而對階地刮鏟推覆形成，主要受擠壓作用的影響，受力相對集中且均勻;而滑坡中部受滑坡后緣段推力以及滑動過程中的擠壓剪切作用等多種影響，受力相對不均勻。

5?結(jié)?論

1）涇陽南塬黃土滑坡刮鏟推覆構(gòu)造對滑帶土微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，對比分析滑帶土及原狀土微觀結(jié)構(gòu)、滑帶土不同部位微觀結(jié)構(gòu)特征可以較好地反演滑坡運(yùn)動過程。

2）滑帶土微觀結(jié)構(gòu)較原狀土粒徑不均勻系數(shù)增大，孔隙度減小，孔隙連通性降低，孔隙定向性減弱，孔隙豐度減小，顆粒分形維數(shù)增大。這是滑帶土滑動過程中，受剪切擠壓等多種作用，顆粒接觸、碰撞、擠壓造成的。

3）由于滑坡前緣產(chǎn)生特殊的刮鏟推覆構(gòu)造，滑帶土前緣微觀結(jié)構(gòu)較中部比，孔隙密實(shí)，孔隙度差異小，孔隙定向性好，分形維數(shù)小。

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