涇陽(yáng)Q2黃土剪切帶微觀結(jié)構(gòu)研究

高紅靈 李昊 李曉軍 李衛(wèi)珂 唐皓 陳偉

摘?要：黃土地區(qū)滑帶土剪切過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)特性研究是黃土滑坡滑動(dòng)機(jī)制的研究重點(diǎn)。針對(duì)目前研究中滑帶土微觀分析尺度單一且對(duì)剪切過(guò)程中的土體礦物組分分析研究幾乎沒(méi)有的現(xiàn)狀。文中基于自主研發(fā)的分離式環(huán)刀純剪切儀，采用剪切試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)相結(jié)合的方式，開(kāi)展了47.5 μm剪切位移下黃土剪切帶的多尺度（微米級(jí)到毫米級(jí)）結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)與礦物特性表征。結(jié)果表明：在僅施加47.5 μm位移下，剪切縫已完全貫穿，最大縫寬155.95 μm，最小縫寬11.5 μm，形成了良好的導(dǎo)水通道。剪切縫中的礦物在剪切作用下，礦物顆粒脫離原來(lái)的位置并且在剪切縫中被擠壓，揉搓，剪破，變成更小的礦物顆粒;摩擦作用使得剪切縫兩側(cè)剪切面的微小礦物顆粒被揉搓脫落，剪切縫寬變大，在剪切縫兩側(cè)顆粒的礦物屬性無(wú)法對(duì)應(yīng)。剪切縫中有團(tuán)聚體形成骨架支撐的現(xiàn)象，顯示剪切縫在形成過(guò)程中不僅僅存著滑動(dòng)摩擦，還存在著顆粒的滾動(dòng)摩擦。文中所觀察到的顆粒的滾動(dòng)摩擦現(xiàn)象為解釋滑坡，如遠(yuǎn)程高速滑坡的滑動(dòng)機(jī)制提供了新思路。

關(guān)鍵詞：滑帶土;純剪切儀;微觀結(jié)構(gòu);電鏡掃描

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 435

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2020）02-0253-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0209開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on micro-structure of slide-zone of Jingyang Q2 loess

GAO Hong-ling1，LI Hao2，LI Xiao-jun2，LI Wei-ke1，TANG Hao2，CHEN Wei2

（1.Qinghai Bureau of Coal Geology，Xining 810012，China;

2.College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：The microstructure characteristics of slip zone soil during the shearing process is the focus of research on the mechanism of loess landslides.

Due to the facts that the microstructure analysis of slip zone soil only has a single scale and there was nearly no research on the analysis of mineral composition during shearing，

this paper explored the characteristics of

the multi-scale（micron to millimeter）structure and the mineralogical characteristic of loess shear zone under 47.5 μm shear displacement based onthe separated ring knife pure shearing instrument developed by ourselves and scanning electron microscope（SEM），using the shear test and scanning electron microscope tese.

The results show that：by applying only 47.5 μm displacement，the shear crack has been completely penetrated.The maximum and minimum seam width is 155.95um，11.5 μm，forming a good water guiding channel.It was found that under the shearing action，the mineral particles in the middle of the shear joint were removed from the original position and the frictional resistance was increased in the shear joint to change into the mineral particles.It issqueezed，smashed，cut and turned into smaller mineral particles.The mineral particles are separated from the original position in the shear fracture，but the mineral properties of the particles on both sides of the shear fracture can not be matched.The fact that aggregates form skeleton support in the shear joint shows that there exist not only sliding friction but also rolling friction of particles in the process of shear joint formation.The examination of rolling friction of particles provides a new idea for explaining the sliding mechanism of landslides，such as long-distance high-speed landslides.

Key words：slip zone soil;pure shear apparatus;micro-structure;scanning electron microscope

0?引?言

滑帶土剪切過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)特性研究是黃土滑坡滑動(dòng)機(jī)理的研究重點(diǎn)[1]。大量研究表明，滑坡的活動(dòng)狀態(tài)與滑帶土的應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度的變化關(guān)系密切相關(guān)，這些變化又最終取決于滑帶土的類(lèi)型、微觀結(jié)構(gòu)特征、物質(zhì)組分和形成機(jī)理等[2-6]。許多學(xué)者為闡述滑坡滑動(dòng)機(jī)理，從不同狀態(tài)的原狀黃土和破壞后滑帶土的礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)變化方面進(jìn)行了研究。

侯曉坤等采用無(wú)影燈為OLYMPUS顯微鏡提供光源，采集了原狀黃土不同景深的顯微圖像，并觀察了原狀黃土中土體顆粒之間的接觸關(guān)系

[7]。許健等利用掰斷法對(duì)經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)的Q3原狀黃土進(jìn)行了樣品制備，通過(guò)電鏡掃描試驗(yàn)的微觀圖片對(duì)不同凍融后Q3黃土的骨架顆粒形態(tài)、連接方式、孔隙形態(tài)進(jìn)行了觀察[8]。吳凱等利用環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）對(duì)延安的壓實(shí)黃土（Q3和Q2黃土混合）進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試，得到不同干密度黃土微觀結(jié)構(gòu)圖片[9]。

B P Wen et al通過(guò)光學(xué)顯微鏡、背散射電子顯微鏡、掃描電鏡和X射線光譜儀進(jìn)行滑帶土化學(xué)組成的微觀分析和微觀結(jié)構(gòu)的觀察，發(fā)現(xiàn)滑帶土在剪切破壞過(guò)程會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)張變形，內(nèi)部粗顆粒隨機(jī)排列，細(xì)顆粒會(huì)出現(xiàn)局部定向排列現(xiàn)象[10]。

Chen等使用通過(guò)偏振顯微鏡（PM）和掃描電子顯微鏡（SEM）技術(shù)捕獲的圖像來(lái)研究滑動(dòng)區(qū)域黃土的微觀結(jié)構(gòu)[11]。陳劍等利用偏光顯微鏡觀察滑帶土礦物類(lèi)型、含量及顆粒排列特征，利用掃描電鏡觀察其微裂隙和微孔隙發(fā)育情況[12]。

趙能浩等剖析了土質(zhì)滑坡滑帶土的主要粒度組分、礦物組成及其礦物特性，分析了其影響滑帶土強(qiáng)度的原因[15]。劉偉通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)和X射線衍射試驗(yàn)對(duì)天水3處黃土-泥巖接觸面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析

[16]。魯莎針對(duì)三峽的黃土滑坡的滑帶土，利用掰斷法制樣，進(jìn)行了電鏡掃描。通過(guò)不同放大倍數(shù)，觀察到滑帶土表面分布有平行但疏松的擦痕，擦痕的深度較淺[17]。其礦物顆粒排列緊密但仍有孔隙，有絮狀結(jié)構(gòu)形成。諶文武等對(duì)黃土-泥巖接觸面滑坡的滑帶土力學(xué)性質(zhì)和滑帶土微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，分析了滑帶土的力學(xué)變化特征及其變形內(nèi)在機(jī)理[18]。

Erginal A E et al對(duì)滑帶土進(jìn)行X衍射分析其礦物組成，并對(duì)滑動(dòng)面進(jìn)行電鏡掃描，觀察滑動(dòng)面上的微觀結(jié)構(gòu)[19]。Regmi A D選取Sangrumba滑坡的巖石和土壤樣品進(jìn)行X射線分析試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)，分析了其礦物成分和微觀形態(tài)[20]。劉動(dòng)等利用掃描電鏡發(fā)現(xiàn)剪切面土顆粒微觀形態(tài)具有明顯的分形特征[21]。蔣明鏡等對(duì)珠海海積軟土剪切帶內(nèi)外以及帶邊緣微觀結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行定量分

析，發(fā)現(xiàn)剪切帶內(nèi)與其邊緣的顆粒排列差異明顯[22]。

這些研究對(duì)滑帶土微觀特質(zhì)的了解起到了促進(jìn)作用。但目前的研究方法中滑帶土微觀測(cè)試手段較為單一;對(duì)滑帶土微觀分析尺度單一;對(duì)土體在剪切過(guò)程中的礦物組分分析研究幾乎沒(méi)有。故文中選取涇陽(yáng)南塬滑坡多發(fā)區(qū)的Q2黃土為研究對(duì)象，結(jié)合自主發(fā)明的純剪切儀，進(jìn)行剪切測(cè)試的同時(shí)制備了微觀樣品，并利用掃描電鏡觀測(cè)土體剪切帶的微觀結(jié)構(gòu)，分析剪切帶的微觀特性，對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析和滑坡機(jī)理研究有一定參考意義。

1?試驗(yàn)設(shè)備

純剪切儀由加載裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、純剪切裝置組成（圖1）。加載裝置采用杠桿式加載方式。數(shù)據(jù)采集是由數(shù)顯千分表采集豎直位移，并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。

純剪切裝置設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。純剪切裝置由左右兩對(duì)固定夾條和中間一對(duì)加載夾條組成。試驗(yàn)過(guò)程中，左右兩對(duì)固定夾條位置始終固定不變，加載夾條在垂直外荷載作用下相對(duì)固定移動(dòng)。與純剪切裝置相配套的環(huán)刀是由四瓣弧形部分拼接成的高20 mm，內(nèi)徑61.8 mm，壁厚2 mm的圓形環(huán)刀，在制取松軟原狀滑帶土試樣時(shí)，將其四瓣環(huán)刀拼接，并用膠帶紙纏繞環(huán)刀一圈，固定環(huán)刀。試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，將制備松軟土樣，裝入條帶式剪切裝置后，割開(kāi)膠帶紙，取掉兩側(cè)大瓣環(huán)刀（a，a′），保留兩小瓣環(huán)刀（b，b′）（圖2）。該裝置避免了試樣在測(cè)試過(guò)程中被推出環(huán)刀而使樣品受到擾動(dòng)，可用于野外直接制取滑帶土試件。

2?剪切縫SEM試驗(yàn)

2.1?SEM樣品制備

為盡可能模擬滑帶土的形成條件，選擇在高含水率條件下進(jìn)行剪切帶樣品制備（圖3）。選取干密度1.45 g/cm3，含水率為26%的原狀土樣，進(jìn)行純剪試驗(yàn)，開(kāi)展一次加載后剪切面的微觀觀測(cè)。對(duì)樣品施加荷載，環(huán)刀內(nèi)土樣受剪切作用，出現(xiàn)2條剪切帶。將配置好的固化劑溶液滴入剪切縫內(nèi)，1 h滴入1次，直至環(huán)氧樹(shù)脂溶液不再入滲，以使其固化。將試樣靜置24 h后，放入恒溫箱。待其烘干后取出，沿著剪切帶的垂直方向進(jìn)行切割，對(duì)切割后剪切帶所在的剖面進(jìn)行打磨、拋光后，對(duì)剪切縫所在平面進(jìn)行噴金處理。

2.2?電鏡掃描試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡。通過(guò)導(dǎo)電膠帶將噴金樣品固定在呈樣臺(tái)上，將呈樣臺(tái)放入掃描儀中，抽真空后開(kāi)始試驗(yàn)。

對(duì)剪切帶邊緣的礦物形貌特征和礦物成分進(jìn)行放大500倍掃描，獲取高分辨率的SEM微觀結(jié)構(gòu)圖像。

同時(shí)對(duì)滑帶土樣品中的礦物元素Al，Ca，F(xiàn)e，K，Mg，Na，Si進(jìn)行EDS試驗(yàn)，得到能譜掃描圖像。

利用Photoshop軟件對(duì)試驗(yàn)得到的能譜圖像進(jìn)行圖像處理，將不同元素的能譜掃描圖像賦予不同的顏色。然后把經(jīng)過(guò)圖像處理后7種元素的能譜掃描圖像疊加在底圖上，得到彩色的圖像如圖4所示。根據(jù)前期建立的黃土礦物標(biāo)準(zhǔn)色庫(kù)[23]，疊加后的彩色圖像（圖5）上的顆粒的顏色和礦物是對(duì)應(yīng)的。因此，可以直接根據(jù)顏色判斷顆粒的礦物類(lèi)別，并對(duì)不同礦物形態(tài)特征進(jìn)行觀察。

3?剪切帶多尺度結(jié)構(gòu)性分析

利用圖像自帶比例尺標(biāo)定得到1號(hào)剪切縫發(fā)生的剪切位移為47.5 μm（圖6）。

對(duì)掃描得到的黑白圖進(jìn)行拼接后，將填充在顆粒間的固化劑剔除掉，得到微觀結(jié)構(gòu)顆粒分布圖，同時(shí)對(duì)縫寬進(jìn)行測(cè)量（圖7）。

統(tǒng)計(jì)縫寬共25條，最大縫寬為D22，寬度155.95 μm.最小縫寬為D7，寬度11.5 μm.根據(jù)統(tǒng)計(jì)的縫寬求得平均縫寬為50.98 μm.剪切縫整體形態(tài)呈現(xiàn)犬牙交錯(cuò)狀，在縫長(zhǎng)為950 μm處出現(xiàn)分叉，且縫寬長(zhǎng)度不一，發(fā)展無(wú)規(guī)律（表1）。

將疊加后的彩色片子拼接后得到剪切縫多尺度微觀結(jié)構(gòu)礦物組分分布圖。為方便觀察剪切縫微觀結(jié)構(gòu)，將剪切縫多尺度微觀結(jié)構(gòu)礦物組分分布圖的部分部位進(jìn)行放大（圖8）.

剪切縫100～200 μm處長(zhǎng)石1和長(zhǎng)石2都處于剪切縫中間（圖8（a））。受剪切作用的影響，顆粒發(fā)生移動(dòng)。長(zhǎng)石1的長(zhǎng)軸方向與水平方向夾角約30°.長(zhǎng)石2的長(zhǎng)軸方向近乎平行于剪切縫的產(chǎn)生方向，認(rèn)為顆粒是在剪切作用下，發(fā)生移動(dòng)形成。

剪切縫縫長(zhǎng)300 μm處有1，2，4，8，9長(zhǎng)石顆粒，3，6，7石英顆粒，5，8碳酸鹽顆粒分布位置如圖8（b）所示。9個(gè)顆粒呈圓環(huán)狀分布，顆粒之間均沒(méi)有緊密接觸，所有的顆粒長(zhǎng)軸方向近似指向圓環(huán)中心位置。認(rèn)為是剪切作用過(guò)程使顆粒發(fā)生擠壓、滾動(dòng)、揉搓，其長(zhǎng)軸方向發(fā)生變化所致。

剪切縫從縫長(zhǎng)950 μm處發(fā)生了分叉現(xiàn)象，縫的中間有條帶狀礦物分布帶存在且剪切縫中的礦物分布帶不完全脫離兩側(cè)剪切壁存在。為更清楚觀察礦物的接觸關(guān)系，將其進(jìn)行剔膠后觀察（圖8（c））。

圖8（c）中標(biāo)出了7處礦物顆粒分布帶與兩側(cè)剪切壁接觸的位置。1處區(qū)域內(nèi)左側(cè)有團(tuán)聚體，受區(qū)域外兩塊團(tuán)聚體支撐與右側(cè)剪切壁的小石英礦物顆粒接觸?？p長(zhǎng)1 000 μm處相互支撐的三塊團(tuán)聚體整體均未在土樣剪切過(guò)程中被擠壓揉搓破壞。3個(gè)團(tuán)聚體的各自內(nèi)部的小礦物顆粒皆接觸緊密。2，4，5處區(qū)域的礦物顆粒分布帶與右側(cè)剪切內(nèi)壁有一定的接觸，但僅是顆粒邊界的部分接觸，顆粒之間未緊密接觸。6區(qū)域內(nèi)石英和長(zhǎng)石顆粒在剪切過(guò)程中受擠壓、揉搓作用嵌擠在一起。3，7處區(qū)域縫中的礦物顆粒分布帶中的礦物與左側(cè)剪切內(nèi)壁接觸良好。3#區(qū)域中間有石英顆粒長(zhǎng)軸方向近似豎直，

且與剪切壁上的顆粒接觸緊密。7號(hào)區(qū)域內(nèi)有明顯碳酸鹽礦物和石英礦物緊密接觸，嵌擠形成一個(gè)團(tuán)聚體。

故認(rèn)為縫長(zhǎng)1 100～1 400 μm的礦物顆粒分布帶是受剪切過(guò)程中受擠壓、揉搓、摩擦作用從左側(cè)內(nèi)壁上脫落下來(lái)的。900～1 100 μm以上的部分有明顯的幾個(gè)團(tuán)聚體相互為骨架支撐在剪切縫內(nèi)。

4?結(jié)?論

針對(duì)涇陽(yáng)涇陽(yáng)Q2黃土開(kāi)展了土樣剪切帶微觀結(jié)構(gòu)研究，得到以下結(jié)論。

1）在施加47.5 μm的位移下，剪切縫完全貫穿，最大縫寬155.95 μm，最小縫寬11.5 μm，形成了良好的導(dǎo)水通道。

2）剪切縫中礦物顆粒脫離原來(lái)的位置并且增大摩擦阻力，使得其礦物顆粒被擠壓，揉搓，剪破，變成顆粒更小的礦物顆粒。同時(shí)因?yàn)橥令w粒在縫中運(yùn)動(dòng)，摩擦作用使得縫兩側(cè)剪切面的微小礦物顆粒被搓掉，剪切縫寬變大，剪切縫兩側(cè)顆粒的礦物屬性無(wú)法對(duì)應(yīng)。

3）剪切縫中有團(tuán)聚體形成骨架支撐的現(xiàn)象，顯示剪切縫在形成過(guò)程中不僅僅存著滑動(dòng)摩擦，還存在著顆粒的滾動(dòng)摩擦。顆粒的滾動(dòng)摩擦現(xiàn)象為解釋滑坡，如遠(yuǎn)程高速滑坡的滑動(dòng)機(jī)制提供了新思路。

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