考虑颗粒级配影响的滑带土宏观力学和微观结构特性研究

叶火炎，鲁 莎

(1.湖北水利水电职业技术学院，湖北 武汉 430070；2 中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

滑带作为滑坡的重要控制性组成部分，其物理力学特性是影响滑坡变形演化和稳定的关键因素。根据地质调查发现，滑带的形成过程可以分为原生软岩、层间剪切带和滑带三个阶段[1]。在滑带形成演化的过程中，滑带强度随着位置的不同表现各异，利用数学模型可引用“S”曲线来表述滑带弱化系数的空间特征，从而揭示滑带的空间变异性[2]。根据现场调查，滑带土的颗粒级配在不同部位表现出各向异性，可作为滑带空间变异性指标直观显示滑带在空间分布上的不均匀性。因此，有必要加强不同颗粒级配下滑带土的宏观变形力学和微观结构特性研究。

利用室内试验发现，滑带土的长期强度受其内部密度、颗粒成分、矿物组成、化学成分和含水率等因素的动态影响[3-5]。

滑带土的峰值剪切强度受到其含水率的影响较大，滑带土的初始含水率越高则其剪切强度越低，其剪切模量随着法向应力的增大而增大[6-7]。滑带土的残余强度与应力历史和原始结构关联甚微，却与含水率、粗粒含量、颗粒级配等密切相关，即使滑带土的颗粒级配变动细微亦会对其残余强度产生显著的影响[8]。滑带土在滑坡体中的分布有空间变异性，其厚度在滑坡体内的不同部位呈厚薄不一状，针对滑带土的厚度和含水率对其强度参数的影响研究发现，滑带土厚度因子的影响小于含水率因子的影响[9]。滑带土内部微观结构的变化往往会引起其宏观力学参数的改变，而它的结构特征受物理环境的影响较大且随着形成时期的不同而呈现差异[10]，这对揭示滑坡的形成和演化历史以及稳定性评价具有重要的意义。滑带土内部的微结构多呈凝胶状，内含土颗粒及孔隙[11]，相对于固结滑带土样本而言，高孔隙率滑带土样本更加松软[12]。而滑带土中植物化石和石英的微观结构对于判断滑坡的相对滑动年代具有指示性作用[13-14]。

综上所述，滑带土的颗粒级配对于滑带的空间分布具有直观指示性作用，并且影响了滑带的宏观和微观特性。因此，利用滑带土的颗粒级配作为滑带的空间分布指标，通过采用可行性方法控制滑带土颗粒级配的变化，并针对不同颗粒级配的滑带土进行室内试验研究，将有利于揭示滑带的空间变异性，揭示滑坡真实的演化过程。目前虽然已有研究利用不同手段针对滑带土进行了室内试验以揭示其性质，但鲜有学者开展不同颗粒级配下滑带土的宏观和微观特性分析。为此，本文以三峡库区典型滑坡——黄土坡滑坡的滑带土作为研究对象，在保持土体自相似性的前提下，利用三轴不排水剪切试验和电镜扫描试验，开展了考虑颗粒级配影响下滑带土的宏观力学和微观结构特性研究，以为滑坡的防治提供依据。

1 滑带土样本的制备与试验方法

1. 1 滑带土样本的采集

滑带土形成发育于滑体内部，故一般多利用深部钻孔取样法获取滑带土样本。本文依托三峡库区巴东县黄土坡滑坡野外综合试验场，对黄土坡滑坡中的重要次级滑坡——临江1号滑坡的滑带土进行了现场取样。巴东大型野外综合试验场位于巴东县长江南岸黄土坡滑坡的临江1号滑坡体内，距离三峡工程坝址近70 km，也是长江三峡库区内地质条件最复杂的地区之一。本试验所用滑带土样本均来源于巴东大型野外综合试验场5号支洞，具体取样位置见图1。

图1 滑带土取样位置图Fig.1 Sampling location of the slip zone soil

1. 2 滑带土的基本物理性质

现场取样发现滑带土呈黄色、浅灰色，厚度为50～100 cm不等，局部可见擦痕。通过对滑带土进行颗粒分析试验可知，滑带土为粉质黏土夹碎石，其中2 mm以上的砾石含量在29.7%～39.6%之间，0.075～2 mm间的砂粒含量在13.1%～21.7%之间，而0.075 mm以下的粉粒和黏粒含量在41.2%～48.6%之间，滑带土的粉粒和黏粒含量较高，具有低透水性。滑带土的主要物理性质指标见表1。

表1 滑带土的物理性质指标Table 1 Physical indexes of the slip zone soil

1. 3 滑带土样本的制备

滑带由于处于滑坡试验体内部，其取样往往受条件限制且花费极大，本次试验尽管可依托巴东野外综合试验场对黄土坡临江1号滑坡滑带土进行取样，但在滑带不同部位进行取样的可行性仍然不高。因此，本研究在保持自然岩土体内部分维特性的前提下，利用质量分形模型[15]，配制了4组具有不同分形维数颗粒级配的滑带土样，并且针对它们开展了滑带土的宏观和微观特性的对比研究。根据滑带土的颗粒级配信息[16]可知，本区滑带土的分形维数约在2.6～2.8之间，可据此进行滑带土扰动样本的配制。由于本次研究的滑带土为粉质黏土夹碎石，黏土含量较高，故增加了分形维数为2.88的样本组。本次试验根据不同分形维数配制的滑带土颗粒级配样本的粒组含量见表2，试验涉及的操作均遵循《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[17]。

表2 不同颗粒级配滑带土样本各粒径的含量Table 2 Grain content of slip zone soil with different particle-size distributions

根据表2滑带土的组样信息制作三轴试验样本和电镜扫描样本，其具体步骤如下：

三轴试验样本：①将滑带土样经过筛分分组，根据每组各粒径含量的不同称取相应土样放置于大托盘内均匀混合；②利用喷雾器朝已均匀混合的土样上加水湿混，并用保鲜膜封口静置24 h，使水与土粒均匀接触；③利用分层击实法将步骤②中混合好的土样制作成三轴试验样本。在样本制作时，控制土样干密度为1.84 g/cm3，含水率为17%，成品样本尺寸为高度80 mm、直径39.1 mm的标准样本。

(2) 电镜扫描样本：①将样本S1、S2、S3和S4的大土样用手掰成指甲盖大小的小土块，并用放大镜选取较光滑面的小土块样本；②将选取好的小土块样本放置于60℃的烘箱内烘干6 h；③将烘干置凉的土样放置于喷金机内喷金。

1. 4 试验方法

图2 静三轴仪Fig.2 Triaxial compression apparatus

(1)三轴固结不排水剪切试验：试验采用国产静三轴仪(见图2)，利用固结不排水剪切试验获取滑带土的应力-应变特征和强度参数。试验过程包括固结和剪切两个阶段，具体操作步骤如下：①先将已制备好的三轴试验样本用三瓣模夹好放置于饱和箱内15 h；②再将饱和的土样放置于三轴仪内固结18 h，固结压力为400 kPa；③固结好后，设置围压分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，加压轴以0.08 mm/min的速度进行剪切，在竖向变形超过15%时视为破坏，即试验停止。

图3 扫描电子显微镜Fig.3 Scanning electron microscope

(2) 电镜扫描试验：试验采用荷兰产环境扫描电子显微镜(Quanta200)(见图3)，利用电镜扫描试验获取滑带土的微观结构特性。试验具体操作步骤如下：①将制备的土样放入扫描电镜的真空样品室并将光滑平面对准扫描电镜方向；②将扫描电镜调整至测试样品前方；③通过调整扫描电镜的放大率来观测样品的微观结构。本试验中分别采用500倍、1 000倍和1 500倍的放大率进行样本微观结构的观测，最终选取1 000倍的放大率获取土样的微观结构信息。

2 结果与分析

2. 1 不同颗粒级配滑带土的宏观变形力学特性

根据三轴固结不排水剪切试验结果，绘制了在不同围压下不同颗粒级配滑带土的主应力差(σ1-σ3)-轴向应变(εy)曲线，见图4。

图4 在不同围压下不同颗粒级配滑带土样本的主应力差(σ1-σ3)-轴向应变(εy)曲线Fig.4 Deviator stress (σ1-σ3) versus horizontal strain (εy) curves of slip zone soil with different particle-size distributions under different confining pressure

由图4可见，滑带土样本的应力-应变曲线呈非线性特征，在初始阶段主应力差随着轴向应变的增加而快速增长，当轴向应变达到一定特征值时，随着轴向应变进一步的增加，主应力差增长的速度显著降低；不同颗粒级配下滑带土样本轴向应变的特征值大小有明显的差异，如图4(d)所示，对于以分形维数为单代表因子的不同颗粒级配样本S1～S4，轴向应变的特征值分别为2%、2.5%、3%和4%，即说明轴向应变的特征值随着样本颗粒分形维数的增加有小幅增长。

虽然存在主应力差增长速度随着轴向应变的增大而减小的情况，但是整体上滑带土样本的应力-应变曲线表现为上升趋势，说明主应力差随着轴向应变的增加呈持续增长趋势，在试验过程中没有出现明显的峰值点，表现为应变硬化特性。对于给定颗粒级配的滑带土样本，围压越大则在给定轴向应变情况下主应力差增量亦上升，这与Ortiz等[18]的研究结果一致。

通过观察不同颗粒级配滑带土样本的应力-应变曲线的关系发现，剔除围压和轴向应变差异的影响，不同颗粒级配滑带土样本对应的主应力差不尽相同，并且从样本S1到S4呈逐渐增大的趋势。根据表1可知，样本在保证自相似性前提下，颗粒级配中黏粒含量随着分形维数的增加显著增加，而砂粒含量相应减少，样本从S1到S4结构紧密程度逐渐增大，因此对于样本S1到S4，主应力差随着样本分形维数的增加而逐渐变大。

根据三轴固结不排水剪切试验结果，绘制在不同围压下不同颗粒级配滑带土样本的孔隙水压力(u)-轴向应变(εy)曲线(见图5)，以反映滑带土试样内部孔隙水压力随着外部轴向应变的变化情况。

图5 在不同围压下不同颗粒级配滑带土样本的孔隙水 压力(u)-轴向应变(εy)曲线Fig.5 Pore water pressure versus horizontal strain curves of slip zone soil with different particle-size distributions under different confining pressure

由图5可见，对于相同围压的滑带土样本，在给定轴向应变的情况下，从样本S1到S4孔隙水压力逐渐减小，在100 kPa围压下其轴向应变为9%时，样本S1到S4的对应孔隙水压力分别为15.5 kPa、15 kPa、11 kPa和7.5kPa[见图5(a)]；对于相同颗粒级配的滑带土样本，在给定轴向应变情况下，滑带土样本孔隙水压力随着围压增大呈升高趋势。

此外，由图5(a)可见，在围压保持100 kPa时，样本S1和S2的孔隙水压力随着轴向应变的增大呈逐渐增加的趋势，在剪切过程中滑带土样本孔隙的贯通性较差，在整个剪切阶段孔隙水压力均呈缓缓上升趋势；对于样本S3和S4，在轴向应变约为8%时，样本孔隙水压力开始随着轴向应变的增大有缓缓减小的趋势。分析原因认为：在初始剪切阶段，滑带土样本土颗粒间的孔隙多未贯通，在轴向偏应力作用下，其孔隙水压力迅速增大并达到峰值；然而随着剪切作用的进行，土颗粒发生移动，颗粒之间的孔隙逐渐贯通，则孔隙水压力会慢慢消散。

试验中取轴向应变15%为破坏点，根据摩尔-库仑强度准则，采用下式利用有效最大主应力(σ1)和有效最小主应力(σ3)对试验数据进行拟合，可得到不同颗粒级配滑带土样本的破坏包络线(见图6)，并得到不同颗粒级配滑带土样本的有效抗剪强度参数分布(见图7)。

图6 不同颗粒级配滑带土样本的破坏包络线Fig.6 Failure envelopes corresponding to the slip zone soil samples with different particle-size distributions

图7 不同颗粒级配滑带土样本的有效抗剪强度参数分布Fig.7 Strength parameters of the slip zone soil samples with different particle-size distributions

(1)

式中:σ1为有效最大主应力(kPa)；σ3为有效最小主应力(kPa)；c为有效黏聚力(kPa)；φ为有效内摩擦角(°)。

由图7可见，对于以分形维数控制的颗粒级配滑带土样本，随着分形维数的增加，其有效黏聚力和有效内摩擦角均呈增大趋势。这是因为随着滑带土样本分形维数从2.6增加到2.88，样本中黏粒含量大幅增加，导致颗粒表面积增大，从而增大了颗粒内部的黏结作用[19]，因此产生了黏聚力随着样本分形维数增高而明显增大的现象。此外，不论是有效黏聚力还是有效内摩擦角，其变化均在样本S2和S3之间表现显著，具体表现为从样本S2到S3，有效黏聚力增长量大幅提高而有效内摩擦角增长量大幅降低。结合上述不同颗粒级配滑带土样本的孔隙水压力-轴向应变曲线发现，在100 kPa围压下，样本S1和S2均呈孔隙水压力逐渐增大，而样本S3和S4均出现孔隙水压力消散的现象，由此可见，从颗粒级配样本S2到S3，其内部结构和变形力学性质均发生了显著变化。

2. 2 不同颗粒级配滑带土的微观结构特性

本文利用电镜扫描试验，得到了不同颗粒级配滑带土样本的微观结构，见图8。

图8 不同颗粒级配滑带土样本的电镜扫描结果Fig.8 Scanning electron microscope results of the slip zone soil samples with different particle-size distributions

由图8(a)可见，样本S1的微观结构较为松散，有较多大颗粒，而样本S4的微观结构较为密实。

本文利用MATLAB软件进行了图形处理，得到了不同颗粒级配滑带土样本的内部微观结构参数[20]，见图9。

图9 不同颗粒级配滑带土样本的微观结构参数Fig.9 Microstructure parameters of the slip zone soilsamples with different particle-size distributions

由图9可见，从样本S1到S4，其内部颗粒平均面积逐渐变小，此结果与滑带土样本的颗粒级配配比相一致，表明了微观结构参数的可信度。当滑带土样本的分形维数从2.6(S1)增加到2.7(S2)时，样本的孔隙平均面积减小了16.7%；而当滑带土样本的分形维数从2.7(S2)增加到2.8(S3)时，样本的孔隙平均面积减小了57.3%，表明滑带土样本在分形维数超过2.7时其内部微观结构发生了较大的变化。滑带土样本的孔隙数量从样本S1到S4逐渐增加，从分形维数2.6增加到2.88的过程中，样本的孔隙数量分别增加了3%、109.7%和46.2%。与上述宏观试验结果进行对比，滑带土样本的孔隙数量较多时，在受到轴向偏应力时，结构紧密性更强，所以主应力差随着分形维数的增加而逐渐变大。在滑带土样本的孔隙水压力-轴向应变曲线中，由于样本S4的孔隙数量最多，在轴向应力作用下，其孔隙水压力迅速增大，且随着剪切作用的进行，土颗粒发生移动，使得其孔隙贯通性增强，因此样本S4在不同围压下的剪切均会出现孔隙水压力消散的现象。

3 结 论

滑带土的物质组成和物理力学性质与滑坡的形成演化紧密相关。在滑坡形成演化过程中，滑带土的物质组成在空间上表现为各向异性，不同位置滑带土的颗粒级配组成各异，本文通过对不同颗粒级配的滑带土进行三轴固结不排水剪切试验和电镜扫描试验的对比研究，分析了不同颗粒级配对滑带土的宏观变形力学特性和微观结构特性的影响，并得到如下结论：

(1) 滑带土颗粒级配对其力学性质有重要的影响。不同颗粒级配滑带土的主应力差-轴向应变曲线增长速率变化点不同，随着样本颗粒级配分形维数的增加滑带土的应力-应变曲线增长速率变化点呈增大趋势，并且颗粒级配分形维数最大的样本中均出现孔隙水压力消散的现象。

(2) 滑带土的有效抗剪强度参数受颗粒级配的影响较大。根据摩尔-库仑强度准则计算得到的滑带土样本的有效黏聚力和有效内摩擦角的数据表明，随着样本颗粒分形维数的增加，滑带土的有效抗剪强度参数均呈增大趋势，并且在分形维数从2.7增加到2.8时出现了明显的强度变化率改变的现象。

(3) 利用电镜扫描试验获取的不同颗粒级配滑带土样本的微观结构参数可知，随着样本颗粒级配分形维数的增加，滑带土的内部孔隙数量逐渐增多，结构紧密性更强，所以在受到轴向偏应力时颗粒级配分形维数更高的样本的主应力差更大，说明滑带土的微观结构与宏观变形力学性质之间是相辅相成的，且联系紧密。

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