朱慈廣 何曉磊 石菊松

(1.山西省地質(zhì)工程勘察院，山西太原 030024; 2.山西省國土資源學(xué)校，山西 晉中 030620; 3.地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

陜西省白鹿塬邊的滑坡災(zāi)害發(fā)育，其中成東坡村一帶滑坡極具代表性，其分階段分期變形帶來嚴重的財產(chǎn)損失與人員傷亡。20世紀90年代位于滑坡后壁之下第四級階地上的成東坡村曾發(fā)生過局部變形，造成至少18戶房屋受損，并伴隨有地裂縫災(zāi)害的出現(xiàn)［1］。近年來滑坡的持續(xù)變形不僅威脅到坡腳下福銀高速公路、滬陜高速公路的安全運營，而且對斜坡上居住的居民的生命財產(chǎn)造成了嚴重的威脅。同時該處滑坡所處地帶位于黃土—紅粘土復(fù)合型滑坡，其形成機制有別于單一的黃土滑坡。為此，論文選擇成東坡滑坡，在進行地質(zhì)調(diào)查與分析的基礎(chǔ)上，運用巖土工程鉆探方法以及巖土測試方法，從原巖和滑帶的角度分析該滑坡形成機制。這些研究不僅為防災(zāi)減災(zāi)提供參考，還為該類滑坡形成機理分析提供理論參考。

1 概況與發(fā)育特征

1.1 環(huán)境地質(zhì)背景概況

成東坡滑坡地處陜西省西安市藍田區(qū)孟村鎮(zhèn)北側(cè)的成東坡村，白鹿塬北側(cè)，黃河三級支流灞河中游的南岸，滑坡中心點經(jīng)緯度為 N34°11″49'和 E109°12″13'，屬于典型的河谷地貌形態(tài)。距S107省道垂直距離約2.2 km，距福銀高速垂直距離約1.2 km、距陜滬高速垂直距離約3.1 km，從坡底延伸至塬頂?shù)乃嗦?，將滑坡體上的成中村、新村和成東坡村連接在一起。滑坡前緣高程為444 m，后壁高程為753 m，相對高差為309 m，中部發(fā)育四級滑坡平臺，地形總體坡度小于15°?；赂浇饕l(fā)育有灞河斷層，其主要受新構(gòu)造運動控制。新生代以來該正斷層活動明顯，東北側(cè)相對上升，地貌的發(fā)育被其控制，灞河兩岸河谷階地的不對稱形態(tài)是新構(gòu)造活動的最好證明?；挛挥阱焙?xùn)|南側(cè)的侵蝕凹岸，灞河全長109 km，流量年際變化大，受降水控制明顯，年均徑流量6.07億m3。灞河的常年性水流與季節(jié)性水流對成東坡斜坡坡腳和坡面的侵蝕作用較明顯，是導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)的重要因素［2］。成東坡滑坡位置圖見圖1?；孪蹬瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，春季溫暖、干燥多風(fēng)，夏季雨熱同現(xiàn)、多雷雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷多風(fēng)、霧多雪少。多年平均降雨量575.7 mm，降雨年內(nèi)分布不均衡，夏季最多，冬季最少，主要災(zāi)害性天氣以暴雨為主。

1.2 滑坡發(fā)育特征

成東坡滑坡空間發(fā)育形態(tài)大體呈簸箕形，坐落于向北傾斜的單體斜坡上，該斜坡所在岸坡為沖刷凹岸。通過野外調(diào)查實測，滑坡南北最長約1 550 m，東西最寬約1 050 m，總體厚約40 m～70 m，體積約5 500萬m3～6 500萬m3。屬于強風(fēng)化巖土質(zhì)特大型滑坡?；卤砻姘l(fā)育為多級階梯狀，其中主要可見四級緩坡平臺，形成四級次級滑體，主滑體顯著“前弓”鼓出平面。

圖1 成東坡滑坡位置圖

成東坡滑坡地層由新至老分別為:1)全新統(tǒng)(Q4)風(fēng)積黃土為主，由表土、黃土狀土和黑壚土組成;2)晚更新統(tǒng)(Q3)馬蘭黃土，主要為風(fēng)積型，包括第①層黃土與第①層古土壤;3)中更新統(tǒng)(Q2)離石黃土，由上下兩部分構(gòu)成，上部包括第②層～⑤層黃土，其中夾有第②層～④層古土壤，下部包括第⑥層～⑧層黃土，其中夾有第⑤層～⑧層古土壤;4)下更新統(tǒng)(Q1)午成黃土，由上、中、下三部分構(gòu)成，上部包括第⑨層～?層黃土，其中夾有第⑨層～?層古土壤，含兩層粉砂質(zhì)黃土;中部包括第?層古土壤至底部的黃土和古土壤;下部主要是沖洪積的砂礫石堆積，大小混雜，磨圓性差，該部分絕大部分缺失;5)上上新統(tǒng)藍田組(N22)，紫紅色粘土巖，局部為深紅色或桔紅色;6)下上新統(tǒng)灞河組(N21)，紫紅色砂質(zhì)泥巖，夾桔黃色砂巖，厚度40 m～80 m;7)河漫灘階地礫石。

2 試驗設(shè)計與研究方法

為研究滑帶土結(jié)構(gòu)、強度演化過程，取滑坡的滑帶土及附近的未破壞的原巖進行相關(guān)物理成分測試。分析滑動帶的結(jié)構(gòu)、強度變化特征，有針對性開展滑帶土與未擾動原巖的對比試驗。首先，在滑坡的四級平臺上，選取5個點用鉆探方法進行鉆孔。其中第一、二、三級階地上分別取1個鉆孔，在第四級階地上選取2個鉆孔，分別位于第四級階地的前后緣。然后，分別進行粒度成分、礦物成分、化學(xué)成分等物理成分測試。擬對于5個鉆孔，每個鉆孔分別取1個原巖樣和1個滑帶樣，做橫向?qū)Ρ?在3號孔共取4個原巖樣和4個滑帶樣，做縱向?qū)Ρ?。?6個樣。每個樣直徑10 cm，高度20 cm。在取樣、加工過程中，用保鮮膜密封，保證其不被光照、沒有水分揮發(fā)，防止粘土巖干裂。試驗按照規(guī)范在中科院地質(zhì)與地球物理研究所完成。

3 結(jié)果與分析

本文選取結(jié)果較好的、成東坡滑坡的ZK2鉆孔與ZK3鉆孔的不同深度以及滑坡前緣的剪出口處的樣品，嚴格按照 GB/T 50123-1999土工試驗方法標準進行相關(guān)操作，取樣過程中確保試樣的非擾動性，進行系統(tǒng)的試驗分析。

3.1 粒度成分

本實驗采用移液管全分散法完成。從表1可以看出，該地區(qū)無論是滑體堆積土、黃土還是紅粘土，粒度上都以粉土(0.075 mm～0.005 mm)為主，其含量基本均在50%以上(第2組可能是樣品中含有鈣質(zhì)結(jié)核的原因)，最高可達62.38%(第3組樣品)。黃土中大于0.25 mm組別的砂?；?.25 mm～0.075 mm組別的粉砂也極少(約占0.08%)，黃土中粘土顆粒含量也較大，達到41.28%，膠粒含量為31.44%。從粒度組成上來看，該處黃土屬于典型的粘黃土(砂粒含量小于15%、粘土含量大于25%)，即黃土狀土。

表1 粒度成分測試成果表

第三系紅粘土巖顏色以棕紅色和紫紅色為主，狀態(tài)硬塑，結(jié)構(gòu)緊密，沉積環(huán)境為河湖相，具水平層理，與上覆地層呈平行不整合接觸關(guān)系。該地層的埋藏深度在140 m以下，固結(jié)較充分，狀態(tài)半膠結(jié)。定量分析表明:紅粘土粉粒含量(0.075 mm～0.005 mm)在47.78% ～55.45%之間，粘粒( ＜0.005 mm)含量在41.72% ～51.00% 之間，膠粒( ＜ 0.002 mm)含量在 38.36% ～48.28%之間，膠粒和粘粒含量最高，粉粒含量最低。黃土的粉粒含量(58.64%)大于紅粘土的粉粒含量(47.78% ～55.45%);黃土的粘粒含量(41.28%)小于紅粘土的粘粒含量(41.72% ～51.00%);黃土的膠粒含量(31.44%)也小于紅粘土的膠粒含量(38.36% ～48.28%)。紅粘土層內(nèi)，原巖的粘粒含量(43.76% ～51.00%)比滑面處紅粘土的粘粒含量(41.72%)高，原巖的膠粒含量(39.72% ～48.28%)比滑面處紅粘土的膠粒含量(38.36%)高。上述結(jié)果說明，紅粘土相較于黃土，為相對易滑地層;紅粘土層內(nèi)，原巖相較于滑面，為相對易滑地層。該層紅粘土，尤其是原巖，具有明顯的蠕變、強度衰減性質(zhì)，在重力作用下易發(fā)生層間的滑錯，從而發(fā)育為斜坡的層間剪切帶。

3.2 礦物成分

許多理論研究［3-8］和大量工程實踐表明，粘土礦物的組成顯著的影響著粘土的性質(zhì)。本實驗中粘土礦物X射線衍射定量測試(XRD)擬采用以下3種方法，分三個步驟來測定粘土礦物各組分的含量:1)以懸液法小心提取直徑小于2 μm的粘土，經(jīng)過12 h風(fēng)干，得到自然風(fēng)干片，目的是去除碳酸鹽及有機質(zhì)等物質(zhì);2)用乙二醇法飽和處理直徑小于2 μm的粘土樣品，該步可以區(qū)分具有不同膨脹程度的礦物(主要是綠泥石與蒙脫石的區(qū)分);3)以550℃恒定溫度下連續(xù)加熱2 h上步得到的定向片樣品，觀察礦物脫水后d值的變化情況，蒙脫石在此步驟中失去結(jié)構(gòu)水，膨脹層消失，高嶺石在此步驟中失去結(jié)構(gòu)水，晶格被破壞。

1)粘土礦物成分。粘土礦物測試結(jié)果表明:a.黃土中，礦物組合以伊利石/蒙脫石混層礦物為主，研究區(qū)中普遍含有伊利石、高嶺石(見圖2)，其中蒙脫石大多以中～高混層比的伊利石/蒙脫石混層礦物形式存在，混層比達75%，相對含量為70%，絕對含量為22%，次要礦物伊利石相對含量20%，與此同時伴生的高嶺石相對含量為5%，還有少量綠泥石存在。b.從表2及圖3，圖5，圖6可知，本研究區(qū)紅粘土的粘土礦物以伊利石/蒙脫石混層礦物為主，結(jié)晶程度不高，次要粘土礦物為伊利石(20% ～27%)，高嶺石、綠泥石的含量最少(3% ～5%)。伊利石/蒙脫石混層礦物的相對含量為66% ～71%，其混層比在55% ～80%左右，等級劃分上亦屬中等混合比礦物，次要礦物伊利石相對含量20%～27%，同時含3%～5%的高嶺石和綠泥石。伊利石/蒙脫石混層礦物的絕對含量為26.2% ～32.4%，伊利石為7.7% ～11.6%，高嶺石為1.6% ～2.4%，綠泥石為1.2% ～1.9%。c.從表2 及圖4可知，堆積物的粘土礦物相對含量以伊利石為主(56%)，其他粘土礦物相對含量比較接近，伊利石/蒙脫石混層礦物為15%，高嶺石為12%，綠泥石為17%。伊利石絕對含量為18.7%，混層礦物5.1%，高嶺石為4%，綠泥石為5.7%。

圖2 紅粘土（ZK02-02）X射線衍射曲線

圖3 紅粘土（ZK02-03）X射線衍射曲線

圖4 堆積物（ZK03-04）X射線衍射曲線

圖5 紅粘土（ZK03-07）X射線衍射曲線

圖6 紅粘土（ZK07-01）X射線衍射曲線

針對黃土和紅粘土，進行比較可知，成東坡滑坡的黃土和紅粘土的蒙脫石以及伊利石/蒙脫石混層礦物的含量都較高，含量也比較接近，該區(qū)的黃土和紅粘土的潛在膨脹勢都較大。

在紅粘土層內(nèi)，對原巖和滑面進行比較可知，原巖的伊利石/蒙脫石混層礦物相對含量均小于滑面的伊利石/蒙脫石混層礦物相對含量;而原巖的伊利石相對含量均大于滑面的伊利石相對含量(見表2)。這可能是紅粘土在滑動的過程中，伊利石向蒙脫石發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

2)有效蒙脫石含量。由于蒙脫石和伊利石/蒙脫石混層礦物(具有高混層比)擁有較高的陽離子交換量和比表面積值，其物理化學(xué)活性相對較強，而其他粘土礦物(伊利石、高嶺石)雖亦具親水性，但不具備晶層膨脹的特點。因此，對于實際工程，有效蒙脫石含量的測定具有重大意義。所謂有效蒙脫石含量是指蒙脫石在天然干土中的重量百分比，而不是在粘土礦物中的相對含量，它屬于一種粘土單礦物定量方法。有效蒙脫石含量更能準確真實地反映膨脹性巖土膨脹勢的強弱。根據(jù)研究區(qū)的測試結(jié)果，紅粘土的有效蒙脫石含量15.62% ～18.30%，平均含量16.99%;黃土中的有效蒙脫石含量較低，為11.45%。通過對比可知，紅粘土中的有效蒙脫石含量較高，黃土中的有效蒙脫石含量較低。而在紅粘土地層內(nèi)，滑面處的蒙脫石含量(18.30%)高于原巖的有效蒙脫石含量(15.62%和17.06%)，這直接佐證了“紅粘土在滑動的過程中，伊利石向蒙脫石發(fā)生了轉(zhuǎn)變”的正確性。

3.3 化學(xué)成分

紅粘土的化學(xué)性質(zhì)可以有效反映其物質(zhì)組成情況，其重要量化指標之一為比表面積(S)。比表面積作為聯(lián)系物質(zhì)組成和工程性質(zhì)相互作用的中間物理量，在實踐中得到了廣泛的應(yīng)用［9-11］。

比表面積一般是指表面積在單位質(zhì)量或單位體積的分散相所占的比重［10］。對本區(qū)紅粘土來說，比表面積值與其礦物組成有緊密的關(guān)系(見表1)，因本研究區(qū)紅粘土富含蒙脫石，其具有比表面積比較大的特征，相應(yīng)具有很高的活動性以及較強的親水性。采用乙二醇乙醚極性有機分子吸附法經(jīng)定量測試表明，該地區(qū)紅粘土的比表面積介于152.54 m2/g～198.59 m2/g之間，平均值為171.10 m2/g，遠大于黃土和堆積物的比表面積。紅粘土具有很高的物理化學(xué)活性，這與粘土礦物的測定結(jié)果相一致。紅粘土地層內(nèi)原巖的比表面積(152.54 m2/g和162.18 m2/g)低于滑帶處的比表面積(198.59 m2/g)，這是因為原巖在向滑帶土轉(zhuǎn)變過程中，伊利石向蒙脫石發(fā)生了轉(zhuǎn)變，而蒙脫石的比表面積較大。

4 結(jié)語

1)紅粘土相較于黃土，為相對易滑地層，該層紅粘土，尤其是原巖，具有明顯的蠕變、強度衰減性質(zhì)，在重力作用下易發(fā)生層間的滑錯，從而發(fā)育為斜坡的層間剪切帶。2)紅粘土層內(nèi)，原巖相較于滑面，為相對易滑地層;原巖處的伊利石/蒙脫石混層礦物相對含量小于滑面處，而原巖的伊利石相對含量大于滑面處;原巖處的有效蒙脫石含量小于滑面處;原巖處的比表面積低于滑帶處。這些結(jié)果說明，滑坡的發(fā)生，特別是紅粘土原巖發(fā)展為滑帶土的過程中，伊利石向蒙脫石發(fā)生轉(zhuǎn)化，是滑坡形成的重要原因。3)本文在提出滑坡發(fā)生機制時，是從物質(zhì)組成的角度來論證，未從強度和力學(xué)機制方面進行探討，這是本文的不足之處，也是下一步研究的方向。

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