片麻巖類堆積層滑坡滑帶土特性研究
——以黃岡地區(qū)為例

王志剛,朱文慧,石 威,陳 兵,王 超

(湖北省地質(zhì)局 第三地質(zhì)大隊(duì),湖北 黃岡 438000)

滑帶土是指滑坡發(fā)生和發(fā)展過程中,在特定的物理化學(xué)條件下形成的一種結(jié)構(gòu)破碎、厚度不等的巖土體,它由各種黏土礦物和非晶體物質(zhì)組成,是滑坡的重要組成部分,是影響滑坡變形演化和穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者基于不同視角和方法,針對滑帶土開展了大量細(xì)致而深入的研究。在滑帶土力學(xué)特征方面,葉火炎等[4]利用三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)滑帶土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線增長速率變化點(diǎn)隨著顆粒級配分形維數(shù)的增加而呈增長趨勢;蔣秀姿等[5]通過直剪蠕變試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)滑帶進(jìn)入加速蠕變的臨界剪應(yīng)力和剪切速率均與正應(yīng)力線性正相關(guān);易慶林等[6]通過直剪試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)應(yīng)變硬化型滑帶土在滑坡變形過程中,經(jīng)剪切后摩擦強(qiáng)度增大,減少了滑坡的動能,滑坡經(jīng)過短距離滑動后可能出現(xiàn)暫時性止滑的現(xiàn)象;辛鵬等[7]利用地質(zhì)剖面計(jì)算和動態(tài)數(shù)值模擬等,揭示了黏土巖質(zhì)滑帶塑性流動擠出的控滑機(jī)理。在滑帶土殘余強(qiáng)度方面,王順等[8]指出在已存在剪切帶的滑帶土中,環(huán)剪時能快速達(dá)到殘余強(qiáng)度狀態(tài),而且其強(qiáng)度隨有效法向應(yīng)力的增加而增大;Bhat et al.[9]通過區(qū)別土樣來研究滑坡土在殘余剪切狀態(tài)下的強(qiáng)度恢復(fù)情況;陳曉平等[10]通過室內(nèi)環(huán)剪試驗(yàn),總結(jié)了含砂黏土與一般黏性土在應(yīng)變軟化特征方面的不同,指出粗顆粒的含量對殘余強(qiáng)度值呈分段式影響,隨著粗砂含量增加,等效殘余內(nèi)摩擦角增高趨勢顯著。在滑帶土微觀結(jié)構(gòu)方面,張先偉等[11]基于對軟土蠕變過程中微觀結(jié)構(gòu)變化的研究,揭示了軟土蠕變特征和變形機(jī)制;王洪興等[12]通過滑帶土黏土礦物定向性分析,認(rèn)為滑帶土主要發(fā)育中等定向性的黏土礦物顆粒,并具一定的脹縮性及脹縮的不均勻性;Chen et al.[13]研究滑帶土微觀結(jié)構(gòu)時,發(fā)現(xiàn)滑帶土具有軟弱結(jié)構(gòu)和孔隙度高的特點(diǎn),其細(xì)粉顆粒和黏土顆粒組成表明滑帶土經(jīng)歷了膨脹和顆粒重排的變形過程。

綜上所述,關(guān)于滑帶土力學(xué)特征、殘余強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)等方面的研究已取得了諸多成果,而針對某一特殊地層滑坡的滑帶土特性研究較少。本文以黃岡地區(qū)典型的片麻巖類堆積層滑坡為研究對象,運(yùn)用不同的試驗(yàn)方法,針對滑帶土的結(jié)構(gòu)特征、物理性質(zhì)和礦物組成等,進(jìn)行詳細(xì)地闡述和分析,希望通過此研究為黃岡地區(qū)片麻巖類堆積層滑坡的防治提供一些理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃岡市地處大別山南麓,屬秦嶺復(fù)合造山帶的東延部分和根帶。該地區(qū)廣泛分布片麻巖地層和巖漿巖,其中片麻巖地層覆蓋黃岡市全域面積約49%。滑坡是黃岡地區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一[14],截至2021年12月,各類地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)登記在冊共1 029處,其中滑坡617處,占比為60.0%;而片麻巖類堆積層滑坡共計(jì)534處,占全部滑坡的86.5%,在黃岡市十個縣(市、區(qū))廣泛分布[15](圖1)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 樣本

為探討黃岡地區(qū)片麻巖類堆積層滑坡滑帶土的特性,本次共選取8個典型滑坡作為研究對象(表1)。根據(jù)物質(zhì)組成的不同,將這些滑坡分為塊狀較堅(jiān)硬的Ⅰ類滑坡——花崗質(zhì)片麻巖堆積層滑坡和片狀軟弱—較堅(jiān)硬的Ⅱ類滑坡——斜長片麻巖堆積層滑坡。取樣類型包括原狀土和重塑土,原狀土通過環(huán)刀在滑坡未擾動斷面處獲取,用塑料膜和膠帶及時密封;重塑樣則直接在未擾動斷面及探槽側(cè)壁處獲取,裝入自封袋及時密封。

表1 樣品統(tǒng)計(jì)表

2.2 試驗(yàn)方法

(1) 顆粒分析試驗(yàn):測定土樣中各粒組占該土總質(zhì)量的百分比,測定>0.075 mm的土顆粒采用篩分法,測定≤0.075 mm的土顆粒采用密度計(jì)法。

(2) 物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn):包括直剪試驗(yàn)測定抗剪強(qiáng)度、烘干法測定天然含水率、環(huán)刀法測定天然密度、比重瓶法測定比重、液塑限聯(lián)合測定法測定液限和塑限。

(3) X射線衍射分析:查明土樣中礦物成分特征,儀器為X’Pert PRO DY2198型X射線衍射儀。

(4) 電鏡掃描試驗(yàn):獲取滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)特征,儀器為FEI Quanta200型環(huán)境掃描電子顯微鏡。

3 滑帶土特性

3.1 顆粒特征

按照《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007),土顆粒分為礫粒(>2 mm)、砂粒(0.075～2 mm)、粉粒(0.005～0.075 mm)和黏粒(≤0.005 mm),據(jù)此將土樣進(jìn)行了分類,結(jié)果見表2。由表2可知,Ⅰ類滑帶土中礫粒、砂粒、粉粒、黏粒含量分別為23.00%、62.63%、14.19%、0.18%,Ⅱ類滑帶土中礫粒、砂粒、粉粒、黏粒含量分別為27.87%、51.86%、19.07%、1.20%,Ⅰ類滑帶土中礫粒和砂粒含量(合計(jì)85.63%)高于Ⅱ類滑帶土(79.73%),表明Ⅰ類滑帶土中粗顆粒含量更高。但總體而言,兩類滑坡滑帶土均呈現(xiàn)粗顆?；?黏粒含量極低,使得顆粒內(nèi)部的黏結(jié)作用弱,表現(xiàn)出松散及水穩(wěn)定性差的特點(diǎn),也使得滑坡在降雨入滲或人工擾動作用下,易發(fā)生變形滑動。

表2 滑帶土顆粒特征

從顆粒分維度來看,Ⅰ類滑帶土分維度均值為2.555,低于Ⅱ類滑帶土的2.584。研究認(rèn)為土壤分維度隨著土壤顆粒直徑的減小而增大[16],這與前述Ⅱ類滑帶土中粉粒、黏粒含量高于Ⅰ類的結(jié)論相吻合。變異系數(shù)是一種常用來衡量觀測數(shù)據(jù)離散程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)[17],一般認(rèn)為,變異系數(shù)<0.1指示觀測數(shù)據(jù)具弱變異性[18]。兩類滑帶土分維度的變異系數(shù)分別為0.018和0.026(表3),均<0.1,表明黃岡地區(qū)片麻巖類堆積層滑坡的滑帶土顆粒的分維度離散程度低,屬于弱變異性。

表3 滑帶土顆粒分維度的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

3.2 物理性質(zhì)

滑帶土的物理性質(zhì)指標(biāo)測試內(nèi)容包括天然含水率、干密度、比重、天然密度、孔隙比、孔隙度、飽和度、液限和塑限等。由表4可知,Ⅰ類滑帶土的天然含水率為13.1%～34.9%(均值為25.68%)、干密度為1.157～1.617 g/cm3(均值為1.367 g/cm3);Ⅱ類滑帶土的天然含水率為20.1%～27.4%(均值為23.85%)、干密度為1.363～1.500 g/cm3(均值為1.446 g/cm3),可以看出兩者的天然含水率都較高,但Ⅰ類滑帶土的變化幅度更大,且兩者干密度都較低。高含水率和低干密度在一定程度上反映了滑帶土內(nèi)部黏結(jié)效果差、土體強(qiáng)度低。Ⅰ類滑帶土的液限均值為43.75%、塑限均值為16.50%、塑性指數(shù)均值為27.25;Ⅱ類滑帶土的液限均值為42.75%、塑限均值為16.25%、塑性指數(shù)均值為26.50,說明兩類滑帶土的液塑限指標(biāo)十分接近,但Ⅰ類滑帶土都略高于Ⅱ類滑帶土。

表4 滑帶土物理性質(zhì)指標(biāo)

3.3 礦物組成

滑帶土樣品X射線衍射分析結(jié)果如表5所示,可知兩類滑帶土的礦物成分主要有蒙脫石、累托石、伊利石、石英、鈉長石和鉀長石等。以蒙脫石、累托石和伊利石為主的黏土礦物因其親水性和脹縮性,在水的作用下極易膨脹造成土體變形和抗剪強(qiáng)度降低,對邊坡的穩(wěn)定性造成潛在威脅,該類黏土礦物可作為揭示滑坡成因的重要指示性礦物[19]。Ⅰ類滑帶土中蒙脫石、累托石和伊利石三種黏土礦物的含量為22.69%～61.28%,Ⅱ類滑帶土中的含量為15.80%～79.26%,Ⅱ類滑帶土的黏土礦物含量高于Ⅰ類滑帶土。兩類滑帶土中石英、長石等碎屑礦物含量也較高,Ⅰ類和Ⅱ類滑帶土中石英含量分別為18.09%～33.11%、10.64%～31.79%,兩者比較接近;長石(鉀長石+鈉長石)含量分別為7.21%～45.13%、7.00%～70.20%,前者的極值更小。因鉀長石和鈉長石具有風(fēng)化敏感性,在基巖差異風(fēng)化過程中,Ⅱ類滑帶土更易形成風(fēng)化或節(jié)理裂隙面。

表5 滑帶土礦物組成指標(biāo)

3.4 微觀結(jié)構(gòu)

從兩類滑帶土中各選取2組樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡微觀結(jié)構(gòu)測試,顯微照片如圖2所示。從圖2-a～d可知,在低放大倍數(shù)時,Ⅰ類滑帶土顆粒大,形狀極不規(guī)則,晶體結(jié)構(gòu)松散,礦物結(jié)構(gòu)模糊,孔隙或裂隙發(fā)育且大小差異明顯;隨著放大倍數(shù)的增加,可以看到在孔隙中有襯墊及填充,有時可見雜亂堆積狀態(tài),這種松散的結(jié)構(gòu)為水的下滲提供了良好的通道,促進(jìn)了孔隙間的聯(lián)系和貫通結(jié)構(gòu)面的形成,促使坡體整體失穩(wěn)。與Ⅰ類滑帶土相比,Ⅱ類滑帶土(圖2-e～h)顆粒細(xì)且更加緊密,整體呈片狀或疊片狀排列,顆粒之間的接觸多為面—面接觸,孔隙或裂隙大小相對較小;隨著放大倍數(shù)的增加,可以看到大顆粒周圍開始出現(xiàn)緊密依附的小顆粒,這種聚集的形態(tài)對于雨水的入滲和孔隙間的貫通具有一定阻塞作用。

4 滑帶土強(qiáng)度參數(shù)的影響因素分析

4.1 強(qiáng)度參數(shù)測定

為了解黃岡地區(qū)兩類片麻巖類堆積層滑坡滑帶土的強(qiáng)度特性,對采集的8組樣品進(jìn)行了天然工況和飽和工況下的直剪試驗(yàn),主要抗剪強(qiáng)度參數(shù)見表6。兩類滑帶土在兩種工況下的黏聚力均值幾乎相同,這與兩類滑帶土的礦物成分特征相吻合;但在內(nèi)摩擦角均值上,Ⅱ類滑帶土較Ⅰ類滑帶土都有所增高,這一結(jié)果可以用Ⅱ類滑帶土具有比Ⅰ類滑帶土更緊密的微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行較好地解釋。相比天然工況,飽和工況下滑帶土的黏聚力變化幅度較大,兩類滑帶土的黏聚力分別下降了47.9%和49.1%,黏聚力的下降反映了土體抗剪強(qiáng)度的下降,進(jìn)而易于形成軟弱夾層,為滑坡的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

表6 滑帶土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

4.2 影響因素分析

為了探究黃岡地區(qū)兩類片麻巖類堆積層滑坡滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與分維度、含水率、干密度等因素之間的相關(guān)性,分別從Ⅰ類滑帶土中選取Ⅰ-PTL樣品,Ⅱ類滑帶土中選?、?YEY樣品進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),制備不同分維度、含水率和干密度的重塑土樣,開展直剪試驗(yàn)。正交試驗(yàn)采用的各影響因子與因子水平如表7所示,其中第一列中-1、0、1分別代表低、中、高水平。正交試驗(yàn)結(jié)果如表8所示,并據(jù)此利用ANOVA方法進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表9所示。

表7 正交試驗(yàn)的影響因子與因子水平

表8 正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

表9 滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的方差分析

滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)方差分析結(jié)果(表9)表明,對于Ⅰ類滑帶土,含水率對黏聚力和內(nèi)摩擦角影響的主體效應(yīng)均不顯著(P>0.05),干密度對黏聚力和內(nèi)摩擦角影響的主體效應(yīng)均顯著(P<0.05),分維度對黏聚力和內(nèi)摩擦角影響的主體效應(yīng)均不顯著(P>0.05),3個影響因素對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響從大到小依次為干密度、含水率和分維度。對于Ⅱ類滑帶土,含水率對黏聚力影響的主體效應(yīng)顯著(P<0.05),對內(nèi)摩擦角不顯著(P>0.05);干密度對黏聚力和內(nèi)摩擦角影響的主體效應(yīng)均顯著(P<0.05);分維度對黏聚力和內(nèi)摩擦角影響的主體效應(yīng)均不顯著(P>0.05),3個影響因素對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響從大到小依次為干密度、含水率和分維度。

5 結(jié)論

通過對黃岡地區(qū)片麻巖類堆積層滑坡的滑帶土進(jìn)行調(diào)查和多項(xiàng)試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論:

(1) 從顆粒特征來看,相較于Ⅱ類滑帶土,Ⅰ類滑帶土具有更高的粗粒(礫粒和砂粒)含量,約高6%,但兩類滑帶土均呈現(xiàn)粗粒化特征;Ⅰ類滑帶土分維度均值(2.555)略低于Ⅱ類滑帶土(2.584),但兩者的變異系數(shù)均<0.1,屬于弱變異性。從微觀結(jié)構(gòu)來看,Ⅰ類滑帶土結(jié)構(gòu)松散、孔隙發(fā)育,為水的下滲提供了通道,而Ⅱ類滑帶土顆粒間聯(lián)系更為緊密,整體呈片狀或疊片狀排列,這種聚集的形態(tài)對水的下滲和孔隙間的貫通具有一定阻塞作用。

(2) 在物理性質(zhì)方面,兩類滑帶土表現(xiàn)出含水率高、干密度低的特點(diǎn),表明滑帶土內(nèi)部黏結(jié)效果差、土體強(qiáng)度低。

(3) 礦物成分測試表明,兩類滑帶土中普遍存在大量以蒙脫石、累托石和伊利石為主的黏土礦物,遇水極易膨脹,導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低,對滑坡穩(wěn)定有著潛在威脅。

(4) 滑帶土的直剪試驗(yàn)結(jié)果表明,兩類滑帶土的黏聚力均值幾乎相同,但在內(nèi)摩擦角均值上,無論是天然工況還是飽和工況,Ⅱ類滑帶土較Ⅰ類滑帶土都有所增高,說明堆積層滑坡之間主要依靠摩擦強(qiáng)度維持,而非黏結(jié)強(qiáng)度。在飽和工況下,兩類滑帶土的黏聚力分別下降了47.9%和49.1%,隨著含水率的增高,土體內(nèi)部結(jié)合水膜的黏滯阻力降低,容易形成軟弱夾層。正交試驗(yàn)表明,含水率、干密度、分維度對滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)的影響從大到小依次為干密度、含水率和分維度。