庫區(qū)順層滑坡滑帶土殘余強度變化機制分析

胡世英

(廣東城華工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510660)

隨著我國西部大開發(fā)的深入，新疆的社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，為滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求，水庫庫區(qū)管理日趨精細化。雖然新疆氣候較為干燥，出現(xiàn)較長降水期概率較小，流域來水以融雪為主，降雨短促集中，庫區(qū)順層滑坡復(fù)活可能性較低，但隨著氣候變暖，極端天氣現(xiàn)象頻發(fā)且由于庫區(qū)蓄水與綠化使得庫區(qū)小氣候發(fā)生改變，庫區(qū)降水較未蓄水前呈現(xiàn)增多趨勢，庫區(qū)在高水位蓄水時，區(qū)內(nèi)滑坡復(fù)活現(xiàn)象越來越不可忽視。

國內(nèi)外對于庫區(qū)順層滑坡滑帶土殘余強度變化機制分析較多，基于土體分類、失穩(wěn)模式、殘余強度與土體細粒含量等研究較為深入[1]，普遍認(rèn)為黏土的剪切強度主要由土體孔隙水含量與黏土礦物定向排列有較大關(guān)系[2-5]。對于剪切模式，研究者認(rèn)為順層滑坡滑帶處的土體剪切主要為“滑動剪切”“湍動剪切”“過渡剪切”等三類破壞方式[6-9]，破壞后殘余強度由黏土礦物的含量與顆粒度大小共同決定[10]。針對庫區(qū)順層滑坡滑帶土殘余強度的室內(nèi)試驗主要集中在剪切速度與礦物顆粒上[11-12]。對于滑坡殘積土，王恭先通過環(huán)剪試驗分析了剪切速度對滑坡殘積土殘余強度的影響機制[13]。陸玉瓏[14]、Ferri等[15]認(rèn)為高速剪切速率下，滑帶土的剪切弱化十分明顯。微觀層面上的滑帶土的剪切弱化影響研究主要是對滑坡土體顆粒的定向排列的粒組的研究，研究集中在微觀顆粒滑動速率上[16-17]。對于滑坡殘積土，通過SEM分析微觀顆?；瑒铀俾蕦埛e土強度的影響[18]，認(rèn)為高速滑動速率下，滑帶土的宏觀剪切弱化現(xiàn)象十分明顯。

本文基于土體環(huán)剪試驗，通過試驗中滑帶土所表現(xiàn)的力學(xué)特性與試驗現(xiàn)象，給出細粒含量與滑帶土殘余強度之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機制分析。

1 試驗方案

對庫區(qū)順層滑帶土重塑樣進行環(huán)剪試驗，試驗采用單級環(huán)剪方式進行。通過試驗中滑帶土所表現(xiàn)的力學(xué)特性與試驗現(xiàn)象，給出細粒含量與滑帶土殘余強度之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機制分析。試驗土樣礦物構(gòu)成如表1所示。

表1 試驗土樣礦物構(gòu)成 %

試驗土體物理指標(biāo)如表2所示，庫區(qū)滑帶土因滑坡后顆粒破碎，試樣基本物理指標(biāo)較為離散，但整體看來，試樣土體的物理性質(zhì)基本穩(wěn)定，其與礦物顆粒相關(guān)性較好。

表2 試驗土體物理指標(biāo)

試驗采用畢肖普環(huán)剪儀進行單級剪切試驗，參考前期研究成果，試驗土體環(huán)剪方案如表3所示。

表3 試驗土體環(huán)剪方案

2 試驗成果分析

試驗所取土體為西北干旱區(qū)域具有代表性的黏土試樣，其中黏土礦物含量較濕潤、半濕潤地區(qū)少，石英、斜長石、方解石與赤鐵礦等礦物含量較多，影響了黏土的本體的黏聚力，且表層含水量極少，在水位浸潤線下的黏土中疏松孔位鹽類成分較多成硬質(zhì)松散狀，特定區(qū)域內(nèi)浸潤線下滲流鹽含量多形成滲透壓，滲流網(wǎng)成形復(fù)雜。為保證試驗所得結(jié)果具有一般性，保證規(guī)律的科學(xué)性，試驗在進行重塑樣制樣時利用蒸餾水進行了洗土，保證了試驗結(jié)果不受土體鹽類影響。

針對庫區(qū)順層滑坡滑帶土在滑坡剪切面上已經(jīng)破壞過的特性，本文所研究的庫區(qū)順層滑坡滑帶土的土體殘余強度與前期剪切強度相關(guān)性較大，為進行科學(xué)性研究，試驗所取土體為同一滑坡不同部位的土體，即本試驗的順層滑坡滑帶土的土體殘余強度主要影響因素為滑帶土細粒含量所間接反映的順層滑坡過程、土體顆粒破碎情況與顆粒排列情況。

試驗單級環(huán)剪采用同一速率(0.002 mm/s)進行土體殘余強度分析，土體殘余強度速率效應(yīng)影響分析可以忽略，僅需進行細粒含量分析，如圖1。由于試驗土中礦物含量較多，試驗重塑樣采用同樣含水率的土體進行試驗，因此試驗可反映出滑帶土所表現(xiàn)的力學(xué)特性，給出細粒含量與滑帶土殘余強度之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機制分析。

圖1 滑帶土殘余強度與細粒含量關(guān)系

試驗結(jié)果表明，滑帶土殘余強度與土體細粒含量呈現(xiàn)函數(shù)相關(guān)關(guān)系，整體呈現(xiàn)單峰變化趨勢，即當(dāng)滑帶土細粒含量在界限內(nèi)時其殘余強度與細粒含量正相關(guān)，細粒含量在界限值時土體殘余強度最大，超過界限值時殘余強度與細粒含量負(fù)相關(guān)。圖1中，庫區(qū)順層滑坡滑帶土細粒含量小于55.0%時，滑帶土殘余強度與細粒含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，細粒含量超過60.0%時，殘余強度逐漸減小。

試驗土樣所取土體為滑帶土，由于在單級環(huán)剪試驗采用0.002 mm/s速率進行，速率效應(yīng)影響分析可以忽略不計，其表現(xiàn)的試驗現(xiàn)象僅需考慮滑帶土土體細粒含量與環(huán)剪試驗下的法向應(yīng)力兩種因素，試驗中的滑帶土雖然為重塑土體，其土體礦物含量與原狀土體的礦物含量無較大差異，可以反映原狀土體剪切破壞形態(tài)。試驗所用重塑土體均采用同樣含水率的土樣進行試驗，各個土體受含水率的影響一致，即可認(rèn)為本試驗反映試驗現(xiàn)象與滑帶土殘余強度性質(zhì)僅由土體顆粒、試驗圍壓等影響因素決定。

環(huán)剪試驗的破壞特征在一定程度上可以反映滑坡復(fù)活概率，基于滑坡復(fù)活概率的滑面分類主要為兩種：(1)滑面較為光滑且劃痕順直(較少)。(2)滑面較為不光滑。

對于滑面較為光滑且劃痕順直(較少)的試樣，其在工程環(huán)境中發(fā)生滑坡概率較不光滑滑面大，環(huán)剪試驗結(jié)束后，可以由試樣的破壞形態(tài)(圖2～圖3)看出，試樣細粒含量超過60.0%時，滑帶土試樣不僅殘余強度逐漸減小、與細粒含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，其試樣最終剪切破壞形態(tài)為剪切面光滑。當(dāng)細粒含量超過64.7%，且法向應(yīng)力大于600 kPa時，試樣雖然與法向應(yīng)力75～300 kPa時的試樣表現(xiàn)一致，細粒含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，但其試樣最終剪切破壞形態(tài)為剪切面不僅光滑且順直。

圖2 細粒含量超過60.0%時的破壞形態(tài)(75～300 kPa)

圖3 細粒含量超過64.7%時的破壞形態(tài)(600 kPa)

環(huán)剪試驗破壞面雖為固定形制與土體本身自由形成的破壞面有較大差異，滑坡滑帶土破壞時所形成破壞面形態(tài)差異仍較大，其破壞后的形態(tài)與細粒含量相關(guān)性較大，由試驗結(jié)果來看，在土體所受應(yīng)力相同的情況下，土體殘余強度亦可從最終剪切破壞形態(tài)來定性判斷。該特征對于庫區(qū)滑坡日常巡視有較大的工程意義，新疆典型庫區(qū)滑坡體在水位浸潤線下的黏土中疏松孔位鹽類成分較多，特定區(qū)域內(nèi)浸潤線下滲流鹽含量多形成滲透壓，滲流網(wǎng)成形復(fù)雜，在日常巡查中通過探坑或探方的工程微損性方式進行探測，利用滑面形態(tài)對庫區(qū)滑坡體進行分級分類，有利于水庫日常維護。

基于土體環(huán)剪試驗，通過試驗中滑帶土所表現(xiàn)的力學(xué)特性與試驗現(xiàn)象，細粒含量與滑帶土殘余強度之間存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)機制。在適宜的法向應(yīng)力下，滑帶土中細粒含量與殘余強度可通過試驗最終剪切破壞形態(tài)進行聯(lián)系，土體剪切面光滑時，細粒含量與殘余強度負(fù)相關(guān)?；瑤良毩：克g接反映的順層滑坡過程、土體顆粒破碎情況與顆粒排列情況，不論是原狀樣還是重塑樣，黏土礦物含量較為豐富時，滑面細粒含量均高于滑帶其他區(qū)域,滑坡易于復(fù)活。

3 結(jié) 論

本文基于新疆某庫區(qū)順層滑坡滑帶土重塑樣進行環(huán)剪試驗，通過試驗中所表現(xiàn)的現(xiàn)象對滑帶土受剪后的特征、滑帶土粒度與滑帶土殘余強度等指標(biāo)，給出細粒含量與滑帶土殘余強度之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機制分析。 通過試驗研究表明：

(1)庫區(qū)順層滑坡滑帶土細粒含量小于55%時，滑帶土殘余強度與細粒含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

(2)在75～300 kPa的法向應(yīng)力下，滑帶土中細粒含量大于60.0%時，試樣不僅殘余強度逐漸減小且與細粒含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，其試樣最終剪切破壞形態(tài)為剪切面光滑。

(3)當(dāng)細粒含量超過64.7%且法向應(yīng)力大于600 kPa時，試樣雖然與法向應(yīng)力75～300 kPa時的試樣表現(xiàn)一致，細粒含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，但其試樣最終剪切破壞形態(tài)為剪切面不僅光滑且順直。