古滑坡黃土-基巖界面的黏滑特征研究

吳曉華

（山西省文水公路管理段，山西 文水 032100）

0 引言

我國北方黃土高原分布有巨厚的黃土層，由于黃土的水敏性使得其在降雨作用下極容易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災害。在黃土地區(qū)，黃土-基巖接觸面為滑動面的滑坡所占比重極大[1]，并且由于黃土厚度大，相應的自重大，所以黃土-基巖型滑坡一般體積較大，滑動距離較遠，危害較大。

實際中，土-巖界面發(fā)生的滑坡常常體現(xiàn)出3種不同的滑移形式：滑動、蠕滑和黏滑[2]?？焖倩乱曰瑒有问竭\動，在干旱半干旱地區(qū)，常伴隨著大暴雨發(fā)生。該運動形式的特點就是變形速度快，難以預測，破壞性大。此外，在氣候變化和地層產(chǎn)狀平緩地區(qū)，土體會在自重作用下沿界面發(fā)生緩慢滑移變形，稱之為蠕滑[3]。特點是變形持續(xù)時間長，變形量較小。黏滑是一種較為特殊的運動形式，多見于古滑坡中，其特點是變形具有一定的脈動性，在多種因素影響下，發(fā)生滑移，隨后穩(wěn)定，繼而又發(fā)生滑動[4]。

一些學者針對國內(nèi)的古滑坡復活進行了研究，姜春林等人[5]針對山西省祁縣-臨汾高速上的古滑坡進行了分析，提出了利用微抗滑樁進行支護的手段；徐則民等人[6]以金沙江寨子村古滑坡為對象，研究了其工程地質(zhì)特征及成因，研究發(fā)現(xiàn)地震是產(chǎn)生古滑坡的關鍵因素；郭健等人[7]研究了黑水河水庫古滑坡的形成原因和變形機制，研究發(fā)現(xiàn)在古滑坡復活過程中，滑面特征和水分起到了至關重要的作用；陳春利等人[8]研究了延安市王窯村古滑坡在坡腳開挖情況下的變形特征；崔玉龍等人[9]以四川省雷波縣馬湖古滑坡群為研究對象，從地貌學特征進行了古滑坡成因分析，研究發(fā)現(xiàn)古滑坡產(chǎn)生于地震誘發(fā)的高速遠程滑坡；張玉成等人[10]以樂昌峽水庫古滑坡為對象，進行了一系列剪切試驗，得到了滑坡土體性質(zhì)，并研究了水位變化對滑坡的影響規(guī)律，相應提出了古滑坡體加固方法；馬磊等人[11]對古滑坡滑帶土進行了剪切試驗，得到了滑帶土控制古滑坡變形的規(guī)律。

然而目前關于古滑坡復活的研究大部分集中在成因分析、機制分析上，往往忽略了古滑坡復活其實是一種長期的黏滑運動，在漫長的地質(zhì)歷史時期，古滑坡發(fā)生了多次復活—靜止的循環(huán)，在土-巖界面，這種現(xiàn)象尤為顯著，因此本文針對土-巖界面的黏滑進行了室內(nèi)試驗模擬，通過控制直剪試驗中的加載方式進行啟動（滑動）—停止（滑帶土固結）—再啟動（滑動）—再停止（滑帶土固結）的剪切循環(huán)，以此探究古滑坡的變形規(guī)律和特征。

1 試驗方法及材料

1.1 試驗前期準備

土體性質(zhì)與土體應力歷史和初始含水率有一定關系，因此在進行試驗前，需要考慮土體的固結性質(zhì)與含水率特征。基于此，開展了試驗前期的固結試驗。

控制土體干密度為1.7 g/cm3，選擇不同含水率（5%、10%、15%）試樣在200 kPa的法向荷載下進行固結試驗，每隔一段時間測定其法向變形，直至兩次測量結果相差不超過0.01 mm為止。試驗結果如圖1所示，可以看出含水率越大，其變形越大，變形速率越快；在30 min后，固結速率大大降低。因此以30 min作為該次試驗的固結時間節(jié)點。

圖1 不同含水率土樣固結變形

1.2 試驗方法

制備了若干組具有潛在滑動面的試樣，試樣制備方法參照文獻[12]，試樣參數(shù)如表1所示。

表1 基本物理參數(shù)

按照相關規(guī)范規(guī)定的直剪試驗方法進行試驗[13]。試驗流程如圖2所示，共分為兩個階段：剪切階段和靜止階段，其中剪切階段模擬滑坡復活及變形過程，在該階段土體受到剪切作用，發(fā)生位移；靜止階段模擬滑坡運動停止狀態(tài)，該階段土體受到上覆荷載作用，又可成為固結階段。

圖2 試驗方法

2 試驗結果

試驗結束后，按照修正后的公式計算得到了剪應力-剪切位移曲線。試驗過程中，考慮了不同含水率、不同固結時間和不同前期固結時間的影響。共設置了3組含水率試樣，分別為5%、10%和15%，選擇10%含水率試驗進行不同固結時間分析。

2.1 不同初始含水率條件下的剪切變形特征

土體天然含水狀態(tài)對其抗剪強度具有重要影響，分別以初始含水率為5%、10%、15%的試樣，進行了剪切試驗。

圖3分別列出了3種不同含水率下的剪應力-位移曲線。剪切速率為0.02 mm/min，總剪切位移為20 mm，分為7階段，平均每階段變形量為3 mm。固結時間為30 min。

圖3 不同含水率的剪切-位移曲線

從圖3可知，含水率越高，抗剪強度越低，說明含水量的提高對于古滑坡的穩(wěn)定性不利，在滑坡治理措施中，降低滑帶土的含水量可有效提高滑坡穩(wěn)定性。固結后的剪切初始階段，剪應力值急劇增大，形成峰值，之后產(chǎn)生一定的“應力降”，剪應力-位移關系曲線在峰值后趨于平緩，進入殘余階段。解釋其原因，土體內(nèi)產(chǎn)生剪應力的本質(zhì)在于土體顆粒之間的摩擦力和咬合力，經(jīng)歷多次循環(huán)剪切，固結階段原本有序排列的滑帶土顆粒重新相互咬合，剪切初始階段其剪應力能夠得以加強，隨著顆粒在剪切過程中逐漸再一次有序排列，其表現(xiàn)出的剪應力逐漸減小，顆粒排列完成后剪應力趨于定值，此時進入剪切殘余階段。

從整體上，每組試樣在試驗過程中，每次固結后殘余剪應力逐步提高，原因在于試驗過程中，剪切面積實際上是逐漸變少的，剪應力提高主要是由作用在剪切面積上的正應力提高造成的。

2.2 不同前期固結時間條件下的剪切變形特征

土體固結程度對其剪切性能有重要影響，因此開展了考慮不同固結時間的剪切試驗，結果如圖4所示。

圖4 不同前期固結時間的剪切-位移曲線

由圖4可以看出，含水率相同條件下，當前期固結時間為48 h時，在第5剪切階段其強度已經(jīng)與固結24 h的第7階段強度相同了，說明前期固結時間對土-巖界面的抗剪強度具有正向影響，并且固結時間48 h的試樣抗剪強度在第2階段就已趨于穩(wěn)定。

由此表明，如果古滑坡上覆土體為超固結土，則邊坡較為穩(wěn)定，并且在后續(xù)變形中，所需的力更大。而土體為正常固結或欠固結土，使其發(fā)生變形的力較低，但是隨著時間增加，其抵抗變形能力逐漸增加，土體趨于穩(wěn)定。

2.3 不同分段固結時間條件下的剪切變形特征

以前期固結48 h、10%含水率的試樣為對象，分別賦予不同的分段固結時間：10 min和30 min，對比二者的強度差異。如圖5所示。

由圖5可知，分段固結時間為10 min時，試樣的強度與持續(xù)剪切強度差異較小，由此說明，土-巖界面的黏滑強度與固結階段的時間呈正比例關系。即固結時間越長，強度越高。

圖5 不同分段固結時間的剪切-位移曲線

說明在對古滑坡穩(wěn)定性進行分析評價時，不可忽略古滑坡的運動時間和靜止時間，要考慮古滑坡的發(fā)育歷史，這對其穩(wěn)定性至關重要。

2.4 剪切面含水率分布特征

在剪切結束后，分別在試樣的前、中、后部位取得小塊試樣測量其含水率，測量結果如圖6所示。由圖可知，試樣前端含水率保持不變，中部含水率明顯降低，后端含水率明顯增高，并且這種變化隨著含水率越高越明顯。剪切行為使得水分向剪切方向運動，由此造成中部水分含量降低，該現(xiàn)象可能解釋了在分段剪切試驗中，隨著時間增加，強度變大的剪切行為。

圖6 剪切結束后含水率分布特征

在滑坡體中，表現(xiàn)為滑坡剪出口水分聚集，容易形成掏蝕、坍塌，使得滑坡產(chǎn)生溯源侵蝕；在中部含水量較低，也就增加了抗滑力，使得古滑坡相對穩(wěn)定。由此說明，在考慮開挖狀態(tài)下古滑坡穩(wěn)定時，需要著重對古滑坡的前緣進行保護。

3 討論

黏滑最初出現(xiàn)于巖體的結構面摩擦運動中，同樣在黃土-基巖接觸面上也存在類似于巖體黏滑的運動形式，區(qū)別在于巖體的黏滑發(fā)生時間短，能量瞬間釋放，破壞力強，最常見于地震中。而黃土-基巖界面的黏滑發(fā)生時間周期長，能量在長時間的運動下緩慢發(fā)散，是一種累積效應。

通過建立簡單的模型可以表明黏滑運動特征，如圖7所示。

圖7 黏彈性運動模型

模型由重量為m的滑塊和剛度為K的彈簧組成。滑塊最初處于靜止狀態(tài)，隨著彈簧拉力逐漸增加，達到靜摩擦力Fs時，滑塊開始滑動，但是由于彈簧的彈性性質(zhì)，力隨著位移的減小呈線性減小，當力減小為F0時，滑塊停止運動，此時位移為s，以上便為一次完整的啟動—停止過程。由此可以計算這一周期的運動距離[14]：

式中：μs為靜摩擦系數(shù)；μd為動摩擦系數(shù)，并且動摩擦系數(shù)恒定小于等于靜摩擦系數(shù)。在古滑坡體中，這二者的取值以及剛度系數(shù)K均取決于巖土性質(zhì)。

該試驗中，黃土-基巖界面的峰值抗剪強度可表示為：

殘余抗剪強度為：

根據(jù)莫爾-庫倫強度準則，在土-巖界面中，峰值抗剪強度和殘余抗剪強度可以表示為：

式中：φs為內(nèi)摩擦角，并且 μs=tanφs；φ0為自然摩擦角，μd=tanφ0，指在自然條件下，巖土體在自重作用下沿著既有層面發(fā)生滑動時的角度，可通過傾斜試驗獲得；cs為內(nèi)聚力，在較為平坦的交界面上，內(nèi)聚力可認為是0。

通過式（1）～式（4）可以得到基于莫爾-庫倫強度準則的黏滑模型：

將應力降表示為 Δτ=τs-τ0，則式（5）可簡化為：

由此可以看出，位移與應力降呈線性相關，對于同一個研究體系不同的兩次黏滑，可以表示為：

通過試驗發(fā)現(xiàn)，第一次的最大剪應力與第二次的最小剪應力近似，即 τs1=τ02，則式（7）可化為：

在經(jīng)歷了n次黏滑周期后的位移-應力關系可以表示為：

剛度系數(shù)受多種因素控制，假定在剪切過程中黃土-基巖接觸面性質(zhì)與初始狀態(tài)相同，則K為常量。該次試驗的黃土-基巖界面較為平坦，因此內(nèi)聚力為0，則式（9）可簡化為：

則總位移s可以表示為：

在實際工程中評價古滑坡穩(wěn)定性時，剛度系數(shù)K可以通過室內(nèi)直剪試驗獲得，滑帶土的抗剪強度為τsn，古滑坡附近未擾動土體的抗剪強度為τ01，上覆土體自重m可以通過勘察工作得到，也可以相應得到上覆荷載σn，由此可以計算古滑坡歷史滑動距離。根據(jù)古滑坡位移與時間的關系，可以預測未來發(fā)生進一步活動的可能性。

4 結語

通過對不同含水率、不同固結程度的試樣進行分段剪切試驗，模擬了古滑坡的復活—停止變形特征，得到了以下認識：

a）古滑坡上覆土體為超固結土，則邊坡較為穩(wěn)定，并且在后續(xù)變形中所需的力更大。而土體為正常固結或欠固結土，使其發(fā)生變形的力較小，但是隨著時間增加，其抵抗變形能力逐漸增加，土體趨于穩(wěn)定。

b）在對古滑坡穩(wěn)定性進行分析評價時，不可忽略古滑坡的運動時間和靜止時間，要考慮古滑坡的發(fā)育歷史，這對其穩(wěn)定性至關重要。

c）在古滑坡滑體中，前緣會發(fā)生水分聚集，容易形成掏蝕、坍塌，使得滑坡產(chǎn)生溯源侵蝕；在中部含水量較低，增加了抗滑力，使得古滑坡相對穩(wěn)定。由此說明，在考慮開挖狀態(tài)下古滑坡穩(wěn)定時，需要著重對古滑坡的前緣進行保護。

d）結合室內(nèi)直剪試驗以及現(xiàn)場勘察結果，可以計算古滑坡自滑動以來的總位移，并根據(jù)位移-時間關系，可以預測未來發(fā)生變形的可能性。