李 文，龍建輝，李同錄，李 萍，張常亮

（1．中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2．太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；3．長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引 言

陜西涇陽(yáng)地區(qū)涇河南岸黃土臺(tái)塬高程為430～450m，由于臺(tái)塬的抬升和涇河不斷側(cè)蝕，沿河黃土邊坡高陡，一般坡高為40～80m，坡度為40°～55°。從1976年“提渭漫灌”以來(lái)，塬邊崩塌滑坡災(zāi)害頻繁發(fā)生，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失［1］。雷祥義曾研究該區(qū)黃土滑坡與人類(lèi)活動(dòng)的關(guān)系［2］；許領(lǐng)等對(duì)該區(qū)黃土滑坡地表水的入滲途徑進(jìn)行了勘察，并對(duì)該區(qū)黃土滑坡特征參數(shù)做了統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)得滑坡后壁陡坎高度與馬蘭黃土厚度一致，并受黃土垂直節(jié)理控制，最后總結(jié)了該區(qū)黃土滑坡典型的工程地質(zhì)問(wèn)題［3－5］；金艷麗等基于飽和黃土應(yīng)力路徑試驗(yàn)分析了灌溉誘發(fā)黃土滑坡機(jī)理［6］；寧社教等從地下水、節(jié)理等宏觀現(xiàn)象以及黃土微觀結(jié)構(gòu)角度對(duì)南塬的滑坡機(jī)制進(jìn)行了初步分析［7－8］，但對(duì)其中的工程地質(zhì)問(wèn)題研究不夠深入；龍建輝等針對(duì)黃土滑坡滑帶土的特征作了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)其物理性質(zhì)指標(biāo)、電阻率特性、細(xì)觀微觀結(jié)構(gòu)特征有明顯差異［9－11］。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)巨型黃土滑坡剪出口滑帶土進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)及不同含水率和圍壓下的三軸剪切試驗(yàn)［12］，使得黃土滑坡滑帶土的強(qiáng)度研究取得了很大進(jìn)展［12－23］。基于此，筆者通過(guò)對(duì)不同成分的滑坡滑帶土進(jìn)行不同體積含水率下的反復(fù)剪切試驗(yàn)，獲得滑帶土殘余剪切強(qiáng)度指標(biāo)與體積含水率、黏粒含量之間的關(guān)系，為滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。

1 滑坡變形階段分析

涇河滑坡多為高速遠(yuǎn)程滑坡，可將剪出口以上的滑動(dòng)面稱(chēng)為滑帶，剪出口以下的遠(yuǎn)距離滑動(dòng)面稱(chēng)為滑道（圖1）。涇河地區(qū)滑坡在發(fā)生與發(fā)展過(guò)程中主要經(jīng)歷了3個(gè)階段：第1階段為滑坡啟動(dòng)階段，該階段是指沒(méi)有任何變形跡象的邊坡開(kāi)始有較明顯變形跡象的過(guò)程，一般表現(xiàn)為邊坡后緣拉裂及錯(cuò)動(dòng)，涇河南緣邊坡拉裂及錯(cuò)動(dòng)明顯，垂直錯(cuò)距有些達(dá)1m以上，滑坡啟動(dòng)時(shí)的強(qiáng)度應(yīng)為該區(qū)原狀黃土一定體積含水率下的峰值強(qiáng)度；第2階段為坡體在滑帶上的蠕動(dòng)，由于該區(qū)地下水在坡腳以下1m埋深處，在滑帶內(nèi)的蠕動(dòng)基本是在地下水位以上進(jìn)行的，因此其強(qiáng)度接近黃土在一定體積含水率下的殘余剪切強(qiáng)度；第3階段為變形邊坡在滑帶與滑道內(nèi)快速滑動(dòng)的過(guò)程，這一過(guò)程有地下水的參與，土體發(fā)生液化，強(qiáng)度極低，在滑道上的內(nèi)摩擦角僅有2°～4°［24］。

圖1 滑坡的結(jié)構(gòu)Fig．1 Structure of Landslide

如何合理確定滑坡發(fā)展各階段土體抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)值，一直是滑坡分析的一個(gè)重要問(wèn)題［25－26］。劉小麗等在研究滑帶土的抗剪強(qiáng)度特性時(shí)曾總結(jié)了5種特征強(qiáng)度，即峰值抗剪強(qiáng)度、殘余抗剪強(qiáng)度、滑坡啟動(dòng)強(qiáng)度、完全軟化強(qiáng)度以及流變研究中的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度［27］。滑帶土的峰值抗剪強(qiáng)度是應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)上的最高應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度值；殘余抗剪強(qiáng)度是指滑帶土以緩慢的剪切速度經(jīng)歷足夠大位移后所達(dá)到的最小穩(wěn)定抗剪強(qiáng)度；滑坡啟動(dòng)強(qiáng)度可認(rèn)為是滑坡整體失穩(wěn)啟動(dòng)時(shí)滑帶土的平均抗剪強(qiáng)度；完全軟化強(qiáng)度則指滑帶土完全軟化后的抗剪強(qiáng)度；滑帶土的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度是一個(gè)與土的流變性質(zhì)相關(guān)的概念，指長(zhǎng)期荷載作用下滑帶土抵抗破壞的強(qiáng)度。筆者主要研究滑坡在發(fā)生與發(fā)展過(guò)程中第2階段的特征強(qiáng)度，即滑帶土的殘余剪切強(qiáng)度，通過(guò)殘余剪切強(qiáng)度曲線(xiàn)特征研究滑坡的抗剪強(qiáng)度機(jī)理。

2 滑帶土反復(fù)剪切試驗(yàn)

2．1 取樣及試驗(yàn)

滑坡的滑帶土樣取自涇陽(yáng)地區(qū)涇河南塬9個(gè)典型高速遠(yuǎn)程黃土滑坡的已滑后壁土。為了全面了解滑帶土的強(qiáng)度特性，結(jié)合該區(qū)滑帶土的發(fā)育特點(diǎn)，按黃土和古土壤分別取樣。由于有些滑坡已有幾十年的歷史，所取的原狀滑帶土樣視為未擾動(dòng)土（原狀土），并按其原始的體積含水率和密度，采用壓樣法分別制成相應(yīng)的重塑土樣（重塑土）。本試驗(yàn)選取原狀土和重塑土共進(jìn)行16組黃土試驗(yàn)，8組古土壤試驗(yàn)。儀器選用國(guó)產(chǎn)ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀，試驗(yàn)操作嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237—1999）進(jìn)行［28］，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

2．2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同垂直壓力（σ）下滑帶土反復(fù)剪切試驗(yàn)剪應(yīng)力（τ）－位移（s）曲線(xiàn)如圖2。從圖2可以看出以下結(jié)果。

（1）在低垂直壓力下，對(duì)于黃土和古土壤，無(wú)論是天然狀態(tài)還是飽水狀態(tài)，其原狀土與重塑土的殘余抗剪強(qiáng)度曲線(xiàn)基本吻合；隨著垂直壓力的增大，原狀土殘余抗剪強(qiáng)度略高于重塑土。其中，當(dāng)σ＝100kPa時(shí)，原狀土和重塑土的殘余剪切強(qiáng)度曲線(xiàn)基本一致；當(dāng)σ＝200kPa時(shí)，原狀土與重塑土的殘余剪切強(qiáng)度均值之差為9kPa；當(dāng)σ＝300kPa時(shí)，原狀土與重塑土的殘余剪切強(qiáng)度均值之差為16kPa；當(dāng)σ＝400kPa時(shí)，原狀土與重塑土的殘余剪切強(qiáng)度的均值之差為20kPa。

表1 滑帶土反復(fù)剪切試驗(yàn)方案Tab．1 Schemes for Repeated Shear Tests of Landslide Soil

圖2 反復(fù)剪切試驗(yàn)剪應(yīng)力－位移曲線(xiàn)Fig．2 Shear Stress－displacement Curves of Repeated Shear Tests

（2）就強(qiáng)度曲線(xiàn)特征而言，原狀土和重塑土在天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的剪切過(guò)程均表現(xiàn)出硬化型。

（3）土樣達(dá)到峰值強(qiáng)度以后，隨著剪切位移的繼續(xù)增大，其抗剪強(qiáng)度在不同垂直壓力下呈現(xiàn)不同程度的損失。這與Skempton所研究的倫敦黏土性質(zhì)有一定的相似性［29］。其中，當(dāng)σ＝100kPa時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度損失7kPa；當(dāng)σ＝200Pa時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度損失11kPa；當(dāng)σ＝300kPa時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度損失27kPa；當(dāng)σ＝400kPa時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度損失38kPa。

依據(jù)摩爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則，對(duì)不同垂直壓力下的反復(fù)剪切試驗(yàn)測(cè)得的剪應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，所得的峰值強(qiáng)度及殘余剪切強(qiáng)度參數(shù)詳見(jiàn)表2。將表2中不同體積含水率下的峰值強(qiáng)度內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力及殘余剪切強(qiáng)度內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力用散點(diǎn)圖的方式表述出來(lái)，并用線(xiàn)性函數(shù)對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行擬合（圖3～4），可以得出同種類(lèi)型土的殘余剪切強(qiáng)度隨體積含水率的升高而降低。

表2 不同土峰值強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角Tab．2 Cohesions and Internal Friction Angles of Peak Strength and Residual Shear Strength for Different Soils

圖3 內(nèi)聚力隨體積含水率的變化Fig．3 Changes of Cohesion with Volumetric Moisture Content

圖4 內(nèi)摩擦角隨體積含水率的變化Fig．4 Changes of Internal Friction Angle with Volumetric Moisture Content

圖5為原狀土和重塑土的峰值強(qiáng)度［30］和殘余剪切強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力（c）與內(nèi)摩擦角（φ）之差的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖5可以看出，差值點(diǎn)主要分布在第二象限和第四象限，即二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。c的差值Δc主要取值范圍［－4，4］，φ的差值Δφ取值范圍［－2，3］。根據(jù)摩爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則，有

τ＝c＋σtanφ

圖5 峰值強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度的內(nèi)聚力差值和內(nèi)摩擦角差值之間的關(guān)系Fig．5 Relationship Between Difference Value of Cohesion and That of Internal Friction Angle for Peak Strength and Residual Shear Strength

假定φ由12°降為10°，tanφ1－tanφ2＝0．04，可知當(dāng)σ較小（σ為100或200kPa）時(shí)，σtanφ為4～8kPa，與c的變化范圍基本一致，故τ的差異不明顯；當(dāng)σ較大時(shí)，σtanφ的變化范圍比c的大，τ的差異明顯。對(duì)于飽和黃土和古土壤，由于土樣在飽水過(guò)程中c已經(jīng)基本為0，φ的影響更為明顯。在確定滑帶土的殘余剪切強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)方案中，可只選擇飽水重塑土的反復(fù)剪切試驗(yàn)?；麻_(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，滑帶土體積含水率通常很高，接近飽和狀態(tài)，且滑坡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各方向受力較復(fù)雜，故重塑土的反復(fù)剪切試驗(yàn)所得的強(qiáng)度參數(shù)更有實(shí)際意義。

3 黏粒含量對(duì)殘余剪切強(qiáng)度的影響

研究表明，古土壤中的黏粒含量（尤其是扁平礦物的黏粒含量）對(duì)殘余剪切強(qiáng)度有重要影響。為了研究涇陽(yáng)南塬黃土滑帶土的殘余剪切強(qiáng)度形成機(jī)制，對(duì)所取的12組樣本采用比重計(jì)法進(jìn)行土的顆分試驗(yàn)（圖6）。

圖6 滑帶土殘余剪切強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角與黏粒含量的關(guān)系Fig．6 Relationship Between Internal Friction Angle of Residual Shear Strength and Cosmid Content for Landslide Soil

Skempton認(rèn)為，只有當(dāng)黏土礦物為扁平狀且黏粒（直徑小于0．002mm）含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后文同）超過(guò)20%～25%時(shí)，才能發(fā)生顆粒的定向排列，否則，對(duì)于超固結(jié)黏土而言，其強(qiáng)度的降低則完全由體積含水率的增加所致［29，31］，此時(shí)殘余剪切強(qiáng)度與軟化強(qiáng)度在數(shù)值上基本相等。此處的軟化強(qiáng)度是指重塑土在正常固結(jié)下的峰值強(qiáng)度［30］。

圖6顯示了土中黏粒含量及其對(duì)應(yīng)的殘余剪切強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角的關(guān)系。涇陽(yáng)南塬滑帶土中以粉粒為主，古土壤黏粒含量比黃土稍高，但兩者的含量均小于20%；龍建輝等取剪切面進(jìn)行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)黏土顆粒的定向排列不明顯［10］。

從圖6還可以看出，隨著黏粒含量增大，殘余摩擦角有較小的下降趨勢(shì)，黏粒含量不足以反映其與殘余剪切強(qiáng)度的相關(guān)性；總體來(lái)說(shuō)，由于該滑坡區(qū)滑帶土的黏粒含量（小于30%）較低，大部分土樣的試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有呈現(xiàn)出定向排列的趨勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）反復(fù)剪切試驗(yàn)中測(cè)得的原狀土和重塑土剪應(yīng)力－位移曲線(xiàn)均為硬化型。土體結(jié)構(gòu)被破壞后，在外力作用下的二次固結(jié)仍會(huì)產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

（2）在不同的垂直壓力下，原狀土和重塑土的殘余剪切強(qiáng)度差值變化較大。隨著垂直壓力的增大，原狀土殘余抗剪強(qiáng)度略高于重塑土。當(dāng)剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度以后，隨著剪切位移的繼續(xù)增大，原狀土和重塑土的殘余剪切強(qiáng)度都有一定程度的損失，該損失亦因垂直壓力不同而不同。垂直壓力越大，殘余剪切強(qiáng)度損失越大。在較大的垂直壓力下，隨著剪切位移的增大，土體結(jié)構(gòu)破壞越大，軟化強(qiáng)度越低。

（3）對(duì)同類(lèi)土，通過(guò)反復(fù)剪切試驗(yàn)獲得的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨體積含水率的增加而降低。由此可見(jiàn)，滑帶土體積含水率增加，將使邊坡穩(wěn)定性明顯降低。

（4）對(duì)滑帶土的黏粒含量及殘余剪切強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為該區(qū)土的黏粒含量較低，對(duì)殘余剪切強(qiáng)度的影響很小，尤其是當(dāng)天然體積含水率較低時(shí)，體積含水率的變化對(duì)殘余剪切強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黏粒含量的影響。

（5）滑帶土的上覆土壓力、滑距、二次固結(jié)及體積含水率對(duì)滑坡的穩(wěn)定性有重要影響。對(duì)于滑帶土上覆土壓力較大、滑距遠(yuǎn)、失穩(wěn)年代較新的滑坡進(jìn)行治理時(shí)，應(yīng)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)所得的剪切強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行適度折減；此外，可以通過(guò)采取減小滑帶土的上覆土壓力，做好坡體防水排水設(shè)計(jì)等有效措施治理滑坡，預(yù)防滑坡的二次發(fā)生。

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