黃土細觀界面及其災害效應研究初探*

趙魯慶 彭建兵 馬鵬輝 冷艷秋 朱興華

(①長安大學地質(zhì)工程與測繪學院,西安 710054,中國)(②西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)環(huán)境教育部重點實驗室,西安 710054,中國)

0 引 言

全球黃土主要分布在北緯74°和北緯29.5°之間的干旱及半干旱地帶,呈帶狀展布。起自中國西安,經(jīng)中國酒泉、中國敦煌、中亞國家、阿富汗、伊朗、伊拉克、敘利亞等而達地中海,以羅馬為終點。黃土高原是我國乃至世界黃土分布面積最大、黃土發(fā)育最完整、唯一正在堆積的年輕高原(劉東生,1985)。

近年來,隨著“西部大開發(fā)”和“一帶一路”倡議的逐步實施,大規(guī)模的平山造城、治溝造地、固溝保塬和生命線等重大工程建設紛紛登上黃土高原的舞臺,這些重大工程建設的規(guī)模之大、范圍之廣、類型之新,國內(nèi)外罕見,使得黃土高原獲得了前所未有的發(fā)展機遇。同時也帶來了前所未有的重大災變隱患和安全風險,特別是邊坡大規(guī)模潰散性失穩(wěn)破壞的風險日益加劇(Zhang et al.,2009; Peng et al.,2015,2016a,2016b,2017)。Nature雜志專門發(fā)表文章呼吁學者盡快展開科學研究,應對大規(guī)模工程建設給黃土高原帶來的各種新問題(Li et al.,2014)。大規(guī)模工程建設的長周期循環(huán)加卸載作用破壞了黃土高原初始平衡狀態(tài),導致地質(zhì)環(huán)境越發(fā)脆弱,黃土災害發(fā)生頻率和強度顯著增高,規(guī)模和范圍快速擴大(彭建兵等,2014,2016;Xu et al.,2014;Zhang et al.,2014)。在人類活動強度增加等因素的共同作用下,災變機理趨于復雜,黃土高原遭受破壞的風險加劇(Zhou et al.,2002; 彭建兵等,2008,2012,2014,2016; Peng et al.,2013)。平山造城工程帶來的特大填方工程病害和高邊坡失穩(wěn)等工程災變,嚴重影響當?shù)氐乃Y源環(huán)境(Li et al.,2014; Li et al.,2016; Yin et al.,2016; Zhao et al.,2017),其誘發(fā)的環(huán)境問題及長期災變效應已引起了國內(nèi)外學術界的高度重視(Li et al.,2014; 彭建兵等,2016)。治溝造地工程帶來邊坡失穩(wěn)、溝道泥流、擋土墻潰壩、田塊積水、土壤鹽堿化、黃土農(nóng)田濕陷等災變問題(張信寶等,2015; Zhang et al.,2006; 賈俊等,2013; 王衍匯等,2014)。固溝保塬工程有效抑制了黃土高原強烈溝道侵蝕,避免全球最大的黃土塬——董志塬消亡,但其工程災變問題同樣需要引起重視,否則適得其反。受各種不同類型的大規(guī)模工程建設的影響,黃土高原地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性增加,重大工程災變風險威脅加重,嚴重阻礙了國家“西部大開發(fā)”的持續(xù)推進、“一帶一路”倡議的順利實施和區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

同時,黃土特殊的工程地質(zhì)特性也使得重大工程的建設面臨著嚴峻的挑戰(zhàn),黃土高原正遭受著前所未有的重大工程災變威脅(劉保健等,2005; 盧全中等,2005; 姜規(guī)模,2009; Li et al.,2014; 彭建兵等,2016)。黃土是一種土性特殊的易災土(Lutenegger,1981; Fredlund et al.,1993; Jiang et al.,2014; Smalley et al.,2014),具有脆弱的結構性和極強的濕陷性(Gao,1988; 王景明,1996; 彭建兵等,2008),對工程擾動具有高度敏感性(彭建兵等,2012; Jiang et al.,2014)。黃土的敏感災變性使得工程災變機制特殊,極易發(fā)生性質(zhì)改變,直接導致工程失穩(wěn)或次生災害,預報防治極為困難(彭建兵等,2014,2016; 朱興華等,2017)。其中:結構性和水敏性是黃土工程災變之源。受區(qū)域構造活動及地球內(nèi)動力活動影響,黃土高原區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同程度的抬升和構造活動,使得地表土層變形,黃土體中分布大量不同性質(zhì)、不同成因、不同規(guī)模、不同時期、不同形態(tài)的裂隙(縫)(劉東生,1985),使得黃土結構更加差異化。分割黃土體的裂隙,稱之為結構面(盧全中等,2005)。結構面的存在使得黃土體各向異性,土性惡化; 是侵蝕土壤、洞穴的優(yōu)勢面,加劇水土流失; 是孕育地質(zhì)災害的控制和分離面,使得黃土高原地裂縫、滑坡、崩塌、地面塌陷等災害頻繁發(fā)生。同時,也是地下水的運移和存蓄的通道和場所(盧全中等,2005)。黃土結構面對土體工程性質(zhì)及工程問題的影響已引起有關學者的關注(張咸恭等,2000; 孫廣忠等,2004),并展開一系列研究(盧全中等,2006; 王根龍等,2011; 王鐵行等,2012; 葉萬軍等,2016)。而超大規(guī)模的平山造城、治溝造地等工程,改造了黃土的自然地形地貌,產(chǎn)生了大尺度的高填方邊坡和深填方地基,在黃土挖填方過程中,形成了大量黃土人工界面。黃土人工界面破壞了黃土初始結構,改變了黃土體天然強度,成為滑坡災害的潛在滑動面,同時加劇了水流入滲,是黃土工程地質(zhì)問題的重要影響因素,使得黃土工程地質(zhì)災變發(fā)育規(guī)律不清,介質(zhì)致災行為不明,水誘災機制不清,工程擾動因素多變,災變演化過程復雜。重大工程與黃土相互作用、互為制約,誘發(fā)和激增著新的工程災變問題,為保障“一帶一路”和西部大開發(fā)戰(zhàn)略有效實施的迫切需要,保障黃土地區(qū)人居安全和社會穩(wěn)定的迫切需要,亟需突破黃土地質(zhì)結構與水循環(huán)模式及介質(zhì)災變力學行為理論研究,科學應對黃土高原國家重大工程災變效應、工程控制及防控措施。

為闡明地質(zhì)結構、水、土是如何相互作用孕育災變的科學問題,需先調(diào)查并確定不同層面黃土地質(zhì)結構的發(fā)育規(guī)律,揭示黃土地質(zhì)結構孕育工程災變的機制與模式。界面是指物質(zhì)相與相之間的分界面,也是兩相之間的接觸面(圖1a)。物理意義上的界面不只是指一個幾何分界面,也指一個薄層。在地質(zhì)學中,界面即是不連續(xù)面,它包括一切地質(zhì)分離面,比如地球內(nèi)部不同圈層的分界面。在黃土中,存在著大量性質(zhì)不同、力學行為不同,規(guī)模大小不一的結構面,也存在著人類活動改造黃土形成的人工黃土界面。這些結構面、人工黃土界面作為分割黃土體的不連續(xù)面,統(tǒng)稱為黃土界面,其本質(zhì)是地質(zhì)缺陷(圖1b)。黃土界面是黃土災變的本底控制因素(彭建兵等,2014)。根據(jù)界面對黃土體的切割作用及災變效應,可將黃土界面分為巨觀界面、宏觀界面、細觀界面和微觀界面(表1)。其中:黃土細觀界面是指分布在黃土體中肉眼可見的,破壞土體局部連續(xù)性的,能將完整土體進行切割、分離的不連續(xù)面,包括裂隙、孔洞和異物接觸面(圖1c)。經(jīng)野外調(diào)查統(tǒng)計,細觀界面的尺寸主要集中在長度:1.0×10-3～1.0×101m,寬度:1.0×10-3～1.0×10-2m的規(guī)模范圍內(nèi)。孔洞中的氣-土接觸面也是種界面,這種分割土體的空間曲面同樣破壞了局部土體連續(xù)性。20世紀30年代,土體細觀裂隙對地基變形破壞和邊坡失穩(wěn)的影響已經(jīng)引起人們的注意(孔令偉等,2001)。60年代,Fookes et al.(1969)開始關注裂隙對工程建設的影響。裂隙對地基、邊坡、堤壩工程帶來一系列工程問題和地質(zhì)災害。多條高速公路建設或運營過程中,受土體裂隙發(fā)育影響,出現(xiàn)邊坡失穩(wěn),帶來較大的經(jīng)濟損失和工程安全隱患(陳維雄,1975; 杜春輝,1985)。在渠道運行過程中,渠基土內(nèi)部細觀界面發(fā)育引發(fā)渠坡淺層土體剝落,導致渠道邊坡發(fā)生淺層失穩(wěn)(鄧銘江等,2020)。在邊坡漸進破壞失穩(wěn)模式中:最先出現(xiàn)的現(xiàn)象是局部破壞,隨著細觀界面發(fā)育的擴展,逐步侵蝕鄰近區(qū)域土體,劣化土體強度與穩(wěn)定性(王庚蓀,2000)。Basma et al.(1996)研究發(fā)現(xiàn)收縮裂縫處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。胡卸文等(1994)試驗發(fā)現(xiàn)重塑試樣的抗壓強度是原狀試樣的 1.9～2.4 倍,含裂隙的試樣抗壓強度隨裂隙傾角增大而顯著下降。細觀界面的存在不但降低了邊坡巖土體的強度,而且產(chǎn)生顯著的“優(yōu)勢流”效應,加速地表水的下滲,改變了土體飽和度和基質(zhì)吸力,導致土體邊坡更容易出現(xiàn)變形失穩(wěn)(馬佳等,2007)。Albrecht et al.(2003)的研究結果表明,裂隙可使整體水導率提高500倍。彭建兵等(2014)提出黃土地質(zhì)災害研究中黃土地質(zhì)結構的重要性,黃土細觀界面破壞土體強度的同時改變水滲流模式,在黃土災害孕災機制中有著不可忽略的地位。文中試對黃土細觀界面的幾何特征、發(fā)育演化規(guī)律及災害效應做出總結和描述,以期引起廣大學者的重視和奠定黃土界面災害效應研究的理論基礎,為黃土災害的防災減災研究提供科學參考。

圖1 黃土界面示意圖

表1 黃土界面分類

1 黃土細觀界面的成因與分類

通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),黃土細觀界面分布廣泛,常常發(fā)育在節(jié)理裂隙兩側(cè),植物根系生長的土體內(nèi),坡面,地表等。依據(jù)土體的地質(zhì)結構條件及外界環(huán)境因素,總結得出4種黃土細觀界面發(fā)育的驅(qū)動力,據(jù)此將黃土細觀界面按成因分類為物理力學成因、生物活動成因、水-土耦合成因以及風化成因。另外,黃土中存在著非黃土類異相物質(zhì),這些物質(zhì)與黃土接觸的界面也是細觀界面的一種。故將黃土細觀界面分為5類。

1.1 物理力學成因

黃土中存在著不同類型的節(jié)理,按成因可分為構造節(jié)理和非構造節(jié)理,非構造節(jié)理包括原生節(jié)理、風化節(jié)理、卸荷節(jié)理等。黃土構造節(jié)理傾角較緩,力學性質(zhì)清晰,可分為扭裂面、張裂面、張扭面、壓扭面和擠壓面,其中扭裂面最為典型。黃土構造節(jié)理具有區(qū)域性分布,系統(tǒng)性明顯,節(jié)理走向按序偏轉(zhuǎn),位錯同步的特點(王景明等,1985)。黃土原生節(jié)理是黃土成巖過程中的產(chǎn)物,在各類黃土層中發(fā)育(潘德?lián)P,1958)。黃土原生節(jié)理多與黃土分層層理垂直,有的近乎平行,有的斜交。原生節(jié)理一般不穿越黃土分層,分布密度較構造節(jié)理大。黃土垂直節(jié)理是原生節(jié)理的一種,Richthofen et al.(1882)曾認為黃土垂直節(jié)理是植物根系作用的結果,大多數(shù)學者(潘德?lián)P,1958; 李同錄等,2014)認為由于黃土具有多孔性結構,經(jīng)歷干濕循環(huán)后,水在黃土中有著物態(tài)上的轉(zhuǎn)變,引起黃土孔隙結構的變化,減少孔隙度,土體收縮,導致垂直方向上是土體開裂,形成黃土垂直節(jié)理。當黃土卸荷失去壓縮力束縛時,土體向自由空間膨脹,形成卸荷作用下的黃土節(jié)理,大致平行與黃土溝坡傾向,與黃土層面、構造節(jié)理和原生節(jié)理關系不大,屬于張節(jié)理,節(jié)理面彎曲。黃土卸荷節(jié)理靠近土體表面分布密集,向土體內(nèi)隨深度增加而變稀疏,主要分布在黃土溝谷陡崖等坡壁表層幾米厚的黃土中。

經(jīng)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),節(jié)理裂隙兩側(cè)發(fā)育大量細觀界面。節(jié)理裂隙作為黃土體結構缺陷,使得土體結構更加差異化的同時改變了土體內(nèi)部的應力場,當節(jié)理裂隙兩側(cè)土體內(nèi)的應力增大至抵消土體抵抗強度時,土體開裂形成切割土體的細觀界面。在重力及其他荷載的驅(qū)動下,細觀界面進一步發(fā)育演化,形成切割節(jié)理裂隙兩側(cè)土體的界面網(wǎng)。由節(jié)理裂隙衍生的細觀界面沿節(jié)理裂隙兩側(cè)將土體切割形成土體破碎帶,降低坡面土體完整性和強度(圖2)。

圖2 物理力學成因細觀界面

1.2 生物活動成因

黃土中生活著各種動、植物,它們在土體中的生存活動會對土體造成破壞,使得土體開裂、成孔,破壞了黃土體的連續(xù)性,形成分割土體的界面。在新鮮開挖面上可清晰觀察到土體中分布有包圍植物根系的類管狀空間通道,這種空間通道是植物根系在土體內(nèi)部生長發(fā)育時形成的,其空間幾何形態(tài)與根系形態(tài)密切相關,稱之為植物根系通道細觀界面(圖3a)。為獲取更多生長養(yǎng)料,植物根系在土中進行側(cè)向發(fā)育,可在土體坡面上觀察發(fā)現(xiàn)大量根系出露。根系破土而出時,表層土體破裂,形成以根系出土點為中心向四周擴展的裂隙網(wǎng)。這些裂隙也是細觀界面的一種。由于這種細觀界面形成的主要驅(qū)動因素是土體受植物根系穿透劈裂作用產(chǎn)生的破碎效應,并非植物根系自身形成的,因此將其稱之為植物根系穿透土體派生細觀界面(圖3b)。黃土中還生活著各種蟲獸動物,它們在黃土中以挖掘的形式為產(chǎn)卵繁衍、捕食、居住等生存行為提供活動空間,在黃土體內(nèi)形成大小不均、走向曲折的孔洞廊道。這是一種空間形態(tài)為多孔串聯(lián)節(jié)點式管狀通道的黃土細觀界面,稱其為蟲獸活動行為細觀界面(圖3c)。當蟲獸在土體中挖掘的洞穴分布密集時,相鄰孔洞間土體應力重分布形成應力集中,通過應力釋放萌生孔洞貫穿裂隙,進一步分割土體,加劇土體破碎化,劣化土體強度。

圖3 生物行為成因細觀界面

1.3 水-土耦合成因

黃土是一種典型的具有大孔隙、弱膠結的結構特性以及強烈水敏性的特殊土體,主要由粉粒組成。黃土中的基質(zhì)吸力和溶質(zhì)吸力之和簡稱為吸力,含水量越大,吸力越小。黃土受降雨灌溉后,土體含水量增大,隨后水分又蒸發(fā)轉(zhuǎn)移至地表空氣中。期間,受黃土水敏性影響,黃土遇水吸力減小(Fredlund et al.,1993),黃土強度降低,水分蒸發(fā)后土體干燥,吸力變化導致拉張應力發(fā)展,當拉張應力超過土體抗拉強度時,土體開裂釋放土中的應變能,在土體表面形成縱橫交錯的拉張裂縫(唐朝生等,2012; 潘德陽,1958)。此類由于黃土干濕循環(huán)導致地表形成切割土體的拉張裂縫,稱為干濕循環(huán)細觀界面,其分布猶如網(wǎng)格(圖4a)。張拉裂縫的產(chǎn)生直接破壞了土體的整體結構,形成許多潛在破壞面,使得土體的抗剪強度降低,并且往往為雨季的降雨入滲提供優(yōu)勢通道。黃土水敏性還表現(xiàn)為濕陷性,黃土的濕陷變形是一個多因素控制的變形破壞過程(胡瑞林等,1999)。在微觀結構層面上,黃土的粒狀架空結構為濕陷變形提供了空間條件(高國瑞,1979)。從物理化學上,黃土遇水后,水改變了土體中的黏土礦物成分,使得礦物溶解,土中的伊利石向摩阻力更低的蒙脫石轉(zhuǎn)變(Anson et al.,2002),降低了黃土強度。從力學機制上,含水量增大使得吸力降低,最終導致土體強度損失。在多種因素控制下,黃土遇水發(fā)生濕陷沉降變形破壞,在土體表面形成分割裂縫,稱其為濕陷沉降細觀界面。濕陷沉降細觀界面以沉降中心為圓心呈同心圓分布(圖4c)。野外觀察發(fā)現(xiàn),水-土耦合作用下的兩種細觀界面在發(fā)育演化過程中具有橋接現(xiàn)象(圖4b),即同心圓形向網(wǎng)格狀過渡。

圖4 水-土作用成因細觀界面

1.4 風化細觀界面

黃土經(jīng)歷風化作用,表層土體被切割形成薄殼狀、不規(guī)則柱體狀等分裂碎塊。這些由風化作用形成切割黃土破碎塊體的裂隙,稱為黃土風化細觀界面(圖5)。黃土風化細觀界面,主要是由原有裂隙的擴寬和加深以及新的風化裂隙的發(fā)育而生成的。風化細觀界面的形態(tài)復雜,彎曲變化無常,分布密集且雜亂無章,其分布密度由地表向土體內(nèi)部迅速減少。黃土風化界面發(fā)育的驅(qū)動因素復雜,主要包括凍融循環(huán)、晝夜溫差、干濕循環(huán)及化學作用的多種影響。在凍結狀態(tài)下,土體中的自由水凍結成冰,水的液-固相變化使得體積變大并對周圍土體產(chǎn)生凍脹力,在凍脹力的擠壓作用下土體發(fā)生凍脹變形。但在融化過程中該變形不能完全恢復,從而加劇了土體內(nèi)脹縮、損傷等一系列物理、力學的交替循環(huán)過程,使得土體開裂形成凍融循環(huán)損失裂隙(楊更社等,2002)。在降雨灌溉期,黃土不斷經(jīng)歷浸濕、干燥,土體受膨脹、收縮相間作用,形成拉張裂隙。在風化帶,黃土中的不穩(wěn)定礦物分解和新礦物生成的生物化學反應和化學作用亦促進風化界面發(fā)育。晝夜溫度變化使得黃土剝離,白天黃土表面曬熱,表面變熱薄層與內(nèi)部較冷土體分離,夜晚表面土體冷卻,薄層體積縮小發(fā)生分裂,形成不規(guī)則的薄殼狀的破碎土塊,當裂隙較深時,也會形成破碎柱狀結構。

圖5 風化成因細觀界面

1.5 異相接觸面

生物活動及環(huán)境變化在黃土地層中留下非黃土介質(zhì)物質(zhì),比如:蟲獸繁衍的卵巢、蝸牛殼、礫石等(圖6),這種非黃土類介質(zhì)與黃土的接觸面,亦是一種細觀界面,稱為異相接觸面。這種異相接觸面以界面的形式改變了黃土介質(zhì)分布的局部連續(xù)性,但并不破壞黃土地層的連續(xù)性。當黃土受到外界荷載及降雨入滲時,黃土與異類介質(zhì)接觸的界面成為應力傳遞和滲流路徑的重要阻礙,使得應力傳導路徑受阻,發(fā)生能量集中,改變滲流方式,為界面的發(fā)育擴展提供準備。

圖6 異相接觸細觀界面

1.6 黃土細觀界面成因機理分析

黃土是一種風化沉積物,風化顆粒物質(zhì)經(jīng)過風力搬運、大氣分選,下降沉積,形成松散多孔堆積物。黃土中的大顆粒相互支架,細小顆粒附著在大顆粒表面,形成以支架大孔隙為主,鑲嵌小孔隙為次的黃土結構。黃土在外動力作用下開裂形成各種結構面(張咸恭,2000; 郭力宇等,2002)。馮連昌等(1982)提出黃土開裂的3個重要原因包括黃土結構特性,水平張力及風化作用。唐朝生等(2012)認為力的作用和收縮空間是土體開裂的兩個必要條件。黃土細觀界面的萌生及擴展表現(xiàn)為土體的開裂與破壞。

土體開裂時拉應力具有重要啟裂作用。在荷載作用下,土體內(nèi)部產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象,聯(lián)結較弱的土顆粒排列次序發(fā)生調(diào)整,即土微結構重組,當重組結構強度不滿足應力狀態(tài)的要求時,土體內(nèi)部聚集的能量通過土體開裂的方式釋放,從而造成裂隙萌生及擴展。王正貴等(1993)指出大孔隙結構是黃土節(jié)理裂隙形成的微觀結構基礎,并首次從力學機制方面解釋土體開裂機制,認為重力在大孔洞上下邊緣引起的水平拉應力是導致黃土開裂的基本原因,但裂縫的發(fā)育深度有限。周喻等(2012)通過顆粒流理論和PFC軟件,從微觀結構變化探討宏觀力學行為特性,研究發(fā)現(xiàn),荷載增大使得黏結顆粒破壞,粒間接觸壓力增大,節(jié)理面附近萌生新裂紋。喬建偉(2021)通過浸水試驗發(fā)現(xiàn)黃土濕陷差異沉降產(chǎn)生的拉張應力是濕陷開裂的直接因素。駱進等(2010)開展模擬試驗研究,結果表明土體內(nèi)部的拉力作用達到抗拉強度后,啟動黃土不均勻濕陷內(nèi)裂縫擴展。唐朝生等(2018)通過DIC獲得了裂隙發(fā)育過程中拉張應力場分布圖,進一步證實了拉張應力對裂隙萌生的啟裂作用(圖7)。

圖7 裂隙發(fā)育過程中表面張拉應力場(據(jù)唐朝生等(2018))

土體孔隙結構為土體收縮開裂提供空間條件,裂隙的萌生與擴展實際上是微觀孔隙收縮的宏觀表現(xiàn)。Wills et al.(1907)首次提出,由于黃土的多孔性結構,土體經(jīng)歷干濕循環(huán)會引發(fā)土體的收縮膨脹變形,破壞土體初始平衡狀態(tài)。李同錄等(2014)進一步通過開展黃土非飽和滲透試驗從微觀尺度研究土體開裂機理,發(fā)現(xiàn)在地表水下滲過程中,土顆粒相互靠近,粒間距減小使得粒間引力增大導致土體整體收縮,在垂直方向上形成濕陷,水平方向形成局部拉裂。實驗結果表明,黃土開裂是由黃土干濕循環(huán)過程中基質(zhì)吸力及表面張力產(chǎn)生的粒間引力變化引起顆粒結構相對位置改變所形成的。上述研究成果從非飽和角度揭示了水土作用下土體開裂機理。Ning et al.(2004,2006,2010)進一步在飽和土有效應力原理及非飽和土力學基礎上,提出“吸引力”的概念,認為吸引力是非飽和土有效應力的一部分,在土顆粒間提供拉力。土體在干燥失水過程中,土體發(fā)生張拉破壞。含水量降低導致吸力產(chǎn)生引起土體收縮,從而在土體內(nèi)部形成張拉應力場,當張拉應力超過土體抗拉強度時,裂隙萌生(Corte et al.,1960; Fredlund et al.,1993;Yesiller et al.,2000; Nahlawi et al.,2006)。唐朝生等(2018)根據(jù)水土相互作用原理和基本土力學理論,建立了土體龜裂概念(圖8)。

圖8 干燥過程中裂隙的形成機理示意圖(據(jù)唐朝生等,2018)

黃土特殊的大孔隙結構特性,為土體收縮提供空間尺度上的結構條件,是土體內(nèi)部因素。力的作用是土體開裂的重要驅(qū)動因素,在外力作用下,土體內(nèi)部應力場變化,產(chǎn)生的拉張應力大于土體抗拉強度時,土體結構破壞,以界面的形式釋放能量。當遇水入滲時,含水量的變化改變吸引力,吸引力破壞土顆粒排列結構,使得顆?？拷?土顆粒相對位移導致裂隙萌生與擴展。黃土風化界面的成因包括反復干濕循環(huán)引起土體的收縮膨脹作用; 晝夜溫度變化引起鹽類充填物(石膏、方解石)的張裂作用; 植物根系的劈裂作用; 風化帶中不穩(wěn)定礦物的分解和新礦物形成的生物化學反應和化學作用。

2 黃土細觀界面的幾何形態(tài)與分布特征

黃土體中分布著不同成因、形態(tài)各異的不連續(xù)面,為厘清黃土細觀界面的發(fā)育特征及分類,在陜西省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)等區(qū)域展開野外工作,調(diào)查區(qū)域覆蓋4×104km2,布置調(diào)查點115個,采取窗口測量法在新鮮斷面露頭處記錄不同成因細觀界面的幾何形態(tài)及分布規(guī)律。細觀界面沿某一方向發(fā)育遇到土質(zhì)奇點時,界面無法保持同向貫通趨勢,在應力驅(qū)使下圍繞奇點以圓弧的形式在土體表面切割出類圓型土塊(圖9a),當不切割形成類圓狀土塊時,細觀界面呈現(xiàn)以土質(zhì)奇點為中心的雙鉤對拉狀(圖9b)。界面發(fā)育延展終止時,其末端逐漸收窄閉合形成針尖樣,稱為尖滅(圖9c)。細觀界面在發(fā)育擴展過程中,整體形態(tài)并不平滑,局部呈現(xiàn)折線型,走向似“V”,整體形態(tài)可視為沿“V”字反復偏折向主方向發(fā)育擴展(圖9d)。

圖9 黃土細觀界面幾何形態(tài)特征

隨著黃土細觀界面的發(fā)育演化,界面彼此穿插相互切割,形成界面組合網(wǎng)絡,其組合形態(tài)同樣具有特殊的分布規(guī)律。通過野外觀查,將黃土細觀界面的組合特征歸納為發(fā)散型和閉合型。其中:發(fā)散型組合特征具體表現(xiàn)為在主要界面兩側(cè)分布的爪狀(圖10a)、縱橫交替分布的階梯狀(圖10b)、在主要界面一側(cè)近平行分布的羽列狀(圖10c); 閉合型主要表現(xiàn)為多邊形排列的網(wǎng)格狀(圖10d)。黃土細觀界面的組合特征也是黃土破碎網(wǎng)的結構特征,黃土細觀界面分布越密集,黃土體破碎程度越大,對土體的完整性、強度損失影響越嚴重。

圖10 黃土細觀界面組合形態(tài)特征

細觀界面組合形態(tài)特征主要受外部因素影響,不同環(huán)境影響(荷載、干濕循環(huán)、風化)下,細觀界面呈現(xiàn)不同的分布特征。根據(jù)野外調(diào)查,得到大致分布規(guī)律如下:爪狀、階梯狀和羽列狀細觀界面,一般位于坡體中上部的外表,尤其是坡面外凸土體,主要分布于溝坡、谷坡、階地前緣陡坎及黃土塬邊斜坡的上部。地形支離破碎,斜坡分布密集,此類細觀界面形式相對較多。網(wǎng)格狀一般分布在地表淺表部,坡體淺表層和地形低洼處,主要圍繞土體浸濕區(qū)、濕陷區(qū)或平行濕陷區(qū)發(fā)育。

3 黃土細觀界面的發(fā)育與演化

3.1 黃土細觀界面的發(fā)育特性與分級

黃土體的破碎過程,是切割土體界面網(wǎng)絡的形成過程,是細觀界面持續(xù)發(fā)育的過程。外界營力促使細觀界面萌生,切割分離土體的同時改變土體內(nèi)部應力場。被切割區(qū)域土體發(fā)生應力釋放、應力轉(zhuǎn)移和應力場重分布,相鄰區(qū)域土體受到應力擾動(王庚蓀等,2000)。當外界擾動及內(nèi)部應力場作用超過土體抵抗強度時,新生細觀界面萌生,并在原有界面基礎上繼續(xù)切割土體,在土體中分離出土塊,隨著風化、降雨、荷載等擾動,形成危險體。隨著土塊脫離,細觀界面以掉塊災變幾何物理界面形式消失。同時,新老細觀界面的擴展貫通與土塊脫離的災變效應,進一步劣化土體強度與穩(wěn)定性,為更多細觀界面的形成提供準備(圖11a)。

圖11 黃土細觀界面的發(fā)育特性及分級

細觀界面的發(fā)育是一個持續(xù)的動態(tài)過程。盧全中等(2005)提出裂隙的生長發(fā)育具有繼承性,新裂隙是在舊裂隙的基礎上生長,裂隙的生長也是黃土不斷被侵蝕再改造的過程。新生裂隙的擴展方向與原生裂隙方向(近)共面或傾斜(趙建軍等,2019; 陳偉等,2021)。原有界面為新生界面提供發(fā)育條件,共同形成復雜龐大的切割網(wǎng),加劇土體破碎程度。土塊脫離使得界面以幾何物理界面形式消亡,同時激發(fā)新生界面發(fā)育。界面循環(huán)再生的持續(xù)發(fā)育過程,逐步將連續(xù)土體切割分離為破碎松散體。

根據(jù)細觀界面的動態(tài)循環(huán)再生特性,可對細觀界面進行分級,一級界面代表原有界面,即已發(fā)育形成的界面,二級界面代表新生發(fā)育界面,往往二級界面是一級界面的伴生界面(圖11b,圖11c)。一、二級界面迭代發(fā)育,構建龐大細觀界面網(wǎng)絡。另外,新生界面并不一定沿原生界面走向發(fā)育,以原生界面為起點向四周輻射,具有沿某一方向切割延展為多方向分割的破碎效應。黃土細觀界面發(fā)育的輻射特性(圖11d),促成龐大切割網(wǎng),擴大破碎土體范圍,加劇界面災變效應。如圖9d所示,近平行于臨空面分布的卸荷節(jié)理在坡面土體上分割出長板狀危險體。危險體內(nèi)發(fā)育細觀界面,與卸荷節(jié)理貫通。細觀界面進一步切割土塊,使得危險體的破碎程度增加,嚴重劣化塊體穩(wěn)定性。

3.2 黃土細觀界面的演化規(guī)律

黃土體的破碎程度、破碎范圍,是黃土細觀界面隨時間推移向土體不同區(qū)域發(fā)育演化的結果。黃土細觀界面的發(fā)育是一個動態(tài)循環(huán)再生過程,原生界面為新生界面提供發(fā)育基礎,在某一時間節(jié)點受到不同外界營力擾動觸發(fā),演化形成不同成因新生界面。另外,不同區(qū)域內(nèi)不同成因的細觀界面會跨區(qū)域演化貫通,形成多因耦合、多域聯(lián)通的復雜破碎網(wǎng)絡體系。黃土細觀界面的演化過程是一種集合不同時間階段、不同空間位置綜合作用的分割行為,呈現(xiàn)為黃土細觀界面演化的時空特性(圖12),在一系列或連續(xù)或間隔或重疊的時間段,演化形成不同成因細觀界面,分割不同區(qū)域黃土體,并最終貫通構成破碎土體的分割網(wǎng)絡體系。

圖12 黃土細觀界面演化的時空特性

4 黃土細觀界面災害效應

黃土細觀界面的發(fā)育、演化改變了土體結構、力學行為、滲流特性,劣化土體強度與穩(wěn)定性,使得土體破碎松散,在土體中形成優(yōu)勢滲流通道,誘發(fā)崩塌、溜滑等碎屑流以及坡面泥流,破壞原始地形地貌的同時影響交通運輸路線安全。

4.1 切割分離土塊作用

在連續(xù)完整的黃土體中,黃土細觀界面為土體提供不連續(xù)面,破壞局部黃土體的連續(xù)完整性,使得土體被切割分離,但發(fā)生分離的土體尚未脫離母體,其根部仍與母體相連,土體間的分離面是黃土細觀界面切割作用的表現(xiàn)形式之一(圖13)。黃土體受到細觀界面的切割分離作用時,土體結構發(fā)生改變,在土體內(nèi)部形成結構缺陷,結構缺陷導致土體初始應力場重分布。黃土中的天然應力場主要為自重應力,受界面分割影響,應力調(diào)整發(fā)生應力偏轉(zhuǎn)。分離體與母體相連的區(qū)域土體內(nèi),應力場擾動最大,極易形成力學薄弱區(qū)。同時,黃土具有大孔隙結構的微觀結構特征,土體內(nèi)部分布大量孔隙集中帶和支架大孔隙。特殊的孔隙結構為細觀界面的發(fā)育提供了空間結構基礎條件。在根部土體范圍內(nèi),受力學行為敏感性強和大孔隙結構的影響,黃土細觀界面在外界營力驅(qū)動下優(yōu)先在根部土體范圍內(nèi)發(fā)育,應力集中通過切割根部土體的方式釋放能量。在坡面土體中,分離體的臨空面一端無約束,分離體根部被細觀界面切割形成斷裂面,破壞分離體與母體之間的唯一約束,使得分離體成為坡上危險體,在重力及外界擾動作用下危險體沿土體臨空面迅速向下傾倒、崩落或者翻滾,形成掉塊(圖14)。

圖13 黃土細觀界面切割分離土體

圖14 黃土細觀界面的切割分離作用及掉塊災變

黃土細觀界面對土體具有切割分離作用,將土體分解形成分離體。同時,分離體脫離母體的斷裂面也是細觀界面的表現(xiàn)形式之一,是細觀界面誘使塊體掉落的災變幾何控制邊界面。坡面土體掉塊使得坡面幾何形態(tài)不平整,脫離區(qū)域附近土體受脫空區(qū)影響成為穩(wěn)定性低的危險體(圖15),脫空區(qū)為周圍土體提供臨空條件和產(chǎn)生力學劣化影響,若受重力及其他因素擾動,細觀界面進一步發(fā)育擴展,容易再次誘發(fā)坡面土體掉塊、崩塌等災害,形成塊體剝離坡面的鏈生效應。

圖15 黃土邊坡上的危險塊體

黃土細觀界面的形成,在土體內(nèi)部提供薄弱面,對土體的變形破壞帶來重要影響。盧全中等(2006,2009,2015)對裂隙性黃土展開了系列力學試驗,研發(fā)便攜式大尺寸裂隙性黃土直剪儀,試驗結果表明裂隙使得黃土抗剪強度降低。進一步開展三軸壓縮條件下裂隙性黃土變形破壞機制試驗研究,發(fā)現(xiàn)不同裂隙角度影響下裂隙性黃土的應力-應變曲線有理想彈脆性極強軟化型、彈塑脆性強軟化型、折線軟化型、曲線軟化型、復合軟化型、理想塑性型、理想彈塑性型和彈塑性硬化型共8種類型,變形破壞機制表現(xiàn)為擠壓-滑動、擠壓-滑移(蠕滑)、擠壓-橫向拉裂、彎曲-滑移(或塑流)、彎曲-縱向拉裂和彎曲-旋轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)共6種,并建立了描述裂隙性黃土軸向突發(fā)性和漸進式破壞的力學模型。孫萍等(2015)發(fā)現(xiàn)低圍壓情況下裂隙進一步發(fā)育擴展形成破壞面導致土體破壞。上述研究表明,界面是黃土體中的薄弱面,在外界應力作用下,黃土體的變形破壞首先沿著界面發(fā)生,是黃土工程容易失穩(wěn)破壞的原因之一。連寶琴等(2015)研究了黃土開挖邊坡滑塌破壞機理,界面在邊坡失穩(wěn)災變過程中扮演著重要角色。滑塌破壞初期,坡腳土體在界面切割作用下受重力影響形成落空區(qū)(圖16a),使得坡面土體懸空,坡體產(chǎn)生不均勻沉降,界面分割坡頂土體,并在坡頂產(chǎn)生拉裂區(qū)。隨后,在降雨徑流的集中沖蝕下,界面擴展,在坡頂形成界面分割的不穩(wěn)定塊體,界面成為危險體的幾何邊界面,同時也為降雨入滲提供優(yōu)勢通道,雨水通過界面進入坡體,形成軟弱滑動面,使得土體滑移產(chǎn)生滑塌破壞(圖16)。開展研究細觀界面切割土體致災效應有益于進一步探究掉塊、崩塌災變機理及破壞模式(劉傳正,2019)。

圖16 黃土開挖邊坡塌滑破壞過程(據(jù)連寶琴等(2015))

4.2 松動破碎土體作用

黃土細觀界面的掉塊災變是界面切割分離土體形成單獨塊體時誘發(fā)的災變效應。隨著黃土細觀界面的發(fā)育演化,新生細觀界面在原生界面的基礎上向附近黃土體切割侵蝕,新、舊細觀界面在發(fā)育演化過程中彼此貫通,構成復雜、龐大的切割網(wǎng),將覆蓋范圍內(nèi)的局部區(qū)域土體切割形成大量分離體。連續(xù)密集分布的分離體組合形成切割集合體,黃土細觀界面的災變效應由量變上升為質(zhì)變,切割集合體使得土體變得破碎松散。破碎松散體的力學強度低,整體穩(wěn)定性差。當邊坡土體被細觀界面網(wǎng)切割,坡面土體呈破碎松散狀,在重力、工程擾動等外界荷載作用下,破碎松散體向坡面外脫離或沿坡面向坡腳滾動,形成崩塌、溜滑等地質(zhì)災害(圖17),對土體邊坡下方的道路、行人和建筑造成損失。葉萬軍等(2013)對黃土崩塌形成因素的研究發(fā)現(xiàn),界面對黃土崩塌的形成、發(fā)展及破壞具有控制作用。水力沖蝕、根系劈裂和人類工程激勵細觀界面發(fā)育擴展,切割破碎土體的同時降低邊坡穩(wěn)定性。細觀界面的破碎松散作用還體現(xiàn)在黃土邊坡的漸進破壞性中。由于細觀界面發(fā)育,坡體應力分布不均,呈現(xiàn)局域性應力-應變集中,導致局部破壞。局部土體破碎松散化是黃土高邊坡失穩(wěn)模式最先可能出現(xiàn)的現(xiàn)象。局部土體破碎松散化的形成必然發(fā)生應力釋放、應力轉(zhuǎn)移,而在破碎松散化土體的鄰近區(qū)域所受影響最大,該區(qū)域受到應力重分布影響,可能發(fā)生破壞并繼續(xù)釋放超出強度范圍內(nèi)的應力,將多余荷載轉(zhuǎn)移到其他區(qū)域。隨著應力釋放、轉(zhuǎn)移、重分布過程的不斷循環(huán),破壞面不斷延伸,使得更多范圍土體受到破壞,可能誘發(fā)邊坡災害(王康蓀,2000; 何紅前等,2005)。在黃土斜坡坡腳,受凍融侵蝕、鹽類侵蝕作用,坡腳表層土體細觀界面發(fā)育,使得土體破碎發(fā)生剝落,改變斜坡形態(tài)。由于坡腳空腔區(qū)的形成,坡腳內(nèi)凹形成反坡,上部土體失去底部支撐作用,最終誘發(fā)崩塌災害(王根龍等,2011)。黃土崩滑災害十分普遍,兼有崩塌和滑坡的特征。在破壞體中局部可見滑動面但又不是整體下滑,具有迅速崩塌破壞的特點,常常帶來工程維護問題,且易誘發(fā)其他環(huán)境地質(zhì)問題。巖土體的結構效應有可能為邊坡災害的動力學提出進一步的解釋(蘭恒星等,2019)。

圖17 黃土細觀界面的破碎松散作用及崩塌、溜滑災變

4.3 滲流軟化土體作用

黃土細觀界面在切割破碎土體降低土體強度與穩(wěn)定性的同時,也在土體表面形成具有一定張開寬度且向土體內(nèi)部延伸的空間通道,為水的運移提供優(yōu)勢滲流通道。當降雨灌溉在地表形成徑流時,水體向界面形成的空間通道匯聚,并迅速沿通道向下運移,水在通道中以優(yōu)勢流的方式向土體中入滲。隨后又以基質(zhì)流的方式繼續(xù)向通道兩側(cè)土體及土體深部入滲,在土體中形成飽和區(qū)。黃土水敏性強,遇水易軟化,導致強度降低,產(chǎn)生濕陷沉降變形,是黃土災變的元兇之一。在土-水作用下,黃土發(fā)生滲透軟化,強度劣化的同時極易在坡體內(nèi)形成軟弱滑動帶,使得土體逐漸滑移。另外,在水的侵蝕作用下,黃土孔隙結構發(fā)生改變而擴展,體現(xiàn)為細觀界面進一步擴展,切割范圍擴大,使得邊坡土體破碎程度增加,無形中增加易滑體數(shù)量,擴大滑動物源方量,加劇災害效應。黃土細觀界面為水體入滲提供賦水空間,作為優(yōu)勢入滲通道加速水向土體內(nèi)部擴散,增大土體含水量,引起黃土-水耦合作用,使得黃土發(fā)生滲透軟化,劣化土體強度。同時,在水動力影響下,細觀界面進一步發(fā)育演化,加劇土體破碎松散化程度,極易誘發(fā)坡面泥流(圖18)。

圖18 黃土細觀界面的滲透軟化災變作用及泥流

十水九滑,無水不滑。在眾多地質(zhì)災害誘發(fā)成因中,水是主控因素之一,眾多學者對此作出了大量研究(徐張建等,2007; 巨玉文等,2016; Dominik et al.,2019)。但是地表水在黃土中的入滲深度有限,且入滲緩慢,并不影響深部土體的含水率(李同錄等,2018)。而裂隙為水流提供了導水能力強的滲透路徑,使得水快速下滲且能滲透到土體深部(Jarvis,2007; 李鑫等,2019)。彭建兵等(2014)指出黃土地區(qū)的一個關鍵科學問題,即優(yōu)勢通道是如何控制降雨和地表水入滲,水進入土體后怎樣改變區(qū)域水文條件和應力狀態(tài)以致黃土地質(zhì)災害的發(fā)生。汪發(fā)武(2019)通過現(xiàn)場勘探島根西部地震引起的櫨谷流動性滑坡,發(fā)現(xiàn)由于邊坡破碎疏松的體結構使得坡體近地表土體處于完全飽水狀態(tài),為邊坡結構液化提供充足準備。趙寬耀等(2020)結合高密度電法及數(shù)值模擬研究了不同灌溉強度下裂隙優(yōu)勢流通道的滲流過程。另外,水向界面通道內(nèi)匯集時界面受水壓致裂作用萌生次級界面(陳林平等,2020),在水力作用下,界面發(fā)育擴展,進一步劣化土體強度并提供更多滲流通道。孫德安等(2020)研究了非飽和原狀黃土的力學特性,發(fā)現(xiàn)不同吸力條件下原狀黃土剪切過程中均表現(xiàn)出不同程度的應變軟化現(xiàn)象。連寶琴等(2015)研究發(fā)現(xiàn)降雨沿著界面進入黃土邊坡體內(nèi),形成軟弱滑動面,從而使土體逐漸滑移,最終產(chǎn)生滑塌破壞。

5 結論與展望

認識黃土細觀界面,掌握其基本特征、發(fā)育演化規(guī)律和致災效應,為黃土界面系統(tǒng)性研究奠定理論基礎,也為黃土地質(zhì)災害的防災減災提供理論指導。本文通過大量野外調(diào)查工作,結合團隊近年來相關的研究成果,對黃土細觀界面的定義、幾何形態(tài),發(fā)育演化特征及致災效應進行了系統(tǒng)性的分析。主要結論如下:

(1)從致災效應角度劃分,黃土細觀界面是指分布在黃土體中肉眼可見的(規(guī)模范圍為長度:1.0×10-3～1.0×101m,寬度:1.0×10-3～1.0×10-2m),破壞土體局部連續(xù)性的,能將完整土體進行切割、分離的不連續(xù)面,包括裂隙、孔洞和異物接觸面,其本質(zhì)為地質(zhì)缺陷。

(2)黃土細觀界面的幾何形態(tài)表現(xiàn)為點狀、對鉤狀、尖滅、V字狀,其分布組合規(guī)律可概括為爪狀、階梯狀、羽列狀、封閉網(wǎng)格狀。

(3)黃土細觀界面的發(fā)育演化是一個具有時空特性和輻射特性的動態(tài)循環(huán)再生過程,根據(jù)其發(fā)育演化伴生關系可分為一、二級界面,一、二級界面更替發(fā)生伴隨細觀界面的發(fā)育演化過程。

(4)黃土細觀界面通過分割土體、破碎土體、提供優(yōu)勢滲流通道導致土體分離、松動、滲透軟化,從而誘發(fā)黃土掉塊、滑溜、泥流等災害。

本文初步討論了黃土細觀界面的基本特征、分類和致災效應等基礎科學問題。目前有關黃土細觀界面的系統(tǒng)性研究工作正逐步推進,今后仍需深入探討黃土細觀界面的力學行為、滲流特性以及致災力學機制等方面,進一步回答黃土細觀界面的災變效應。從黃土界面體系中來,回到體系中去,結合黃土界面體系綜合回答黃土界面的災變問題,實現(xiàn)多元耦合與定量分析,為黃土災害的防治減災提供科學理論基礎與指導意義。