蠕滑滑坡滑带土强度及其参数特性试验研究

吴岱諠，曹世超，吴 琦，王现国，闫亚景

（1.华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南郑州450046；2.河南省地矿局第二地质矿产调查院，河南郑州450012）

在库水位升降与周期性降雨影响下，库岸滑坡常发生整体或者局部再变形、失稳现象，诱发滑坡复活［1-3］。库岸滑坡复活过程中，地表变形量呈阶跃式、周期性增大趋势，说明老滑坡复活过程具有不同变形速率，呈间歇性［4-6］。滑坡发生滑动并进入残余稳定状态后岩土的抗剪强度具有随蠕滑速度不同而不断变化的特点，缓慢蠕滑过程中特定条件下滑带土具有强度恢复的特性［7-9］。因此，开展不同变形速率下岩土体剪切性状研究对于理清库岸老滑坡复活或库岸不稳定斜坡变形与失稳机制具有重要意义。滑坡是开放系统［10］，目前针对滑带土残余状态后期随外界自然因素和诱发因素（暴雨、水库工程建设和地震等）改变下抗剪强度变化规律的研究较少［5，11］，已无法应对日益复杂的外界环境和工程的实际需求。

本文以金坪子滑坡Ⅱ区滑带土为研究对象，通过室内环剪试验研究不同剪切速率和含水率下滑带土强度的变化规律，确定滑坡在发生滑动后其强度随剪切速率的变化情况，以及滑坡受降雨等因素影响下强度随含水率变化的特性，以期为滑坡稳定性分析、评价和防治工程中参数的选取奠定基础。

1 滑坡概况及试验方案

1.1 滑坡概况及试验土样

金坪子滑坡距金沙江下游乌东德水电站坝址约900 m，若产生大规模失稳可能会形成堰塞湖，影响发电系统的正常运行，因此应对其进行稳定性评价，预判其可能失稳方式以及失稳规模，并采取有效工程措施加以防范。根据滑坡地形地貌条件、形成发育历史、变形破坏特点和稳定性现状，将金坪子滑坡分为5个区（见图1），由金坪子滑坡2005—2016年地表水平和垂直方向累计位移、各监测点平均位移速率等值线图发现，滑坡整体处于持续活动状态，但位移速率并不恒定［12］。因此试验滑带土取自有明显蠕滑滑动的金坪子滑坡Ⅱ区——阿摆—熊家水井大沟蠕滑体。

图1 金坪子滑坡分区

滑坡Ⅱ区体积约2 700万m3，地形平均坡度为26°，呈“牵引式”蠕滑变形破坏特征，表层为松散白云岩块石碎石土，下部以千枚岩碎屑土为主，试验所用滑带土取自前缘蠕滑体滑带出露的试坑内。土样为千枚岩碎屑土，灰黑色夹少量砾石，硬-可塑状，结构紧密，矿物成分以黏土矿物为主，其中伊利石含量约占60%。严格按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）要求对土样进行了基本物理性质试验。

试验测试得到土样天然含水率为11%，密度为2.35 g/cm3，相对体积质量为2.81，干密度为2.13 g/cm3，渗透系数为 6.31×10-6cm/s，渗透性差，起隔水作用，土样的液限为27.1%，塑限为13.3%，塑性指数为13.8。颗粒分析试验由密度计法测得，黏粒含量约占29%，土样的粉粒含量较高，级配良好（见图2），结合上述试验土样最终确定为粉质黏土。

图2 试样粒径分布曲线

1.2 试验仪器及方案

1.2.1 试验仪器

剪切速率、含水率、正应力等是影响滑带土强度的重要因素，环剪试验是测试滑带土残余强度的优选方法，本研究利用德国Wille公司生产的高精度全自动闭环控制ARS-3型静态环剪仪对滑带土试样进行不同剪切速率、含水率下的剪切试验。该仪器精度较高，为0.1%。试验过程中剪切面积保持恒定，旋转角或剪应变可无限增大，施加最大正应力、剪应力均为1 000 kPa，剪切速率为0.001～600.000 mm/min，最终获得剪切强度和强度指标。

1.2.2 试验方案

环剪试验设定剪切速率为0.05、0.50、5.00 mm/min，均在每一级剪切速率下剪切至稳定残余状态后换下一级速率。试样含水率分别为 13.2%、10.1%、7.2%，为准确测得土体的残余强度，不同含水率下试验剪切速率均为0.05 mm/min。由于土样的渗透性较差，在滑动过程中可能来不及排水，因此进行了不排水剪切试验和完全排水剪切试验，以对比不同排水条件下的抗剪强度。

试验采用重塑样，试样尺寸为外径100 mm、内径50 mm、高度20 mm。严格按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）相关规定制备试样。将土样风干、过筛，为了消除干密度对试验结果的影响，试验干密度统一采用2.13 g/cm3，加去离子水配置土样，置于保湿缸24 h以上以保证土样中水分均匀；将试样分层装入剪切盒并压实，将上一层土表面刮毛以保证每层土充分接触；饱和试样采用抽真空饱和，饱和时间不少于12 h，饱和过程完成后，用制样设备挖去环刀样中心部分，将试样装入环剪仪中，在正应力分别为100、200、300、400 kPa下固结至稳定后进行剪切。为减少试验过程中仪器密闭性不够造成的水分流失，仪器外部用湿毛巾覆盖。每组试样设置平行试验，共对32个试样进行了试验（见表1）。

表1 试验试样统计

2 试验结果

2.1 变剪切速率下滑带土抗剪强度

每级剪切速率下试样剪切达到残余状态并稳定后换下一级速率，模拟速率由小到大波动改变情况下滑带土剪应力的变化，试样剪切应力与剪切位移关系曲线见图3。由图3可以看出，第一级0.05 mm/min速率剪切时，低正应力（100、200 kPa）条件下，试样剪切呈明显应变软化型，在剪切初期，随着位移的增加，剪应力呈快速增大趋势，达到峰值后剪应力降低，有明显的峰值和稳定残余值；高应力（300、400 kPa）条件下，试样的应变软化现象不明显，但随着正压力的增大，试样达到稳定残余状态所需的位移变小。第一级速率剪切至稳定后变为第二级速率，或第二级速率变为第三级速率，速率增大一级，稳定剪应力出现一定上升，但随着剪切位移的增大，又会降低到一个稳定的剪应力值，这一现象与Carrubba等［13］的研究结果相同。低正应力下，试样剪应力的恢复较高正应力下的弱。

图3 变速率下滑带土剪应力变化曲线

由剪应力—位移曲线得到试样在不同正应力下随速率改变的峰值强度、残余强度，见表2。可以看出，试样抗剪强度的变化情况为，同一剪切速率下随着正应力的增大峰值强度、残余强度均增大。同一正应力下，随着剪切速率的改变试样的强度变化情况较为复杂。低正应力下，改变剪切速率后试样的峰值强度均减小；高正应力下，第二次改变剪切速率后，试样的峰值强度与前一级速率下峰值强度相差不大。经计算，各正应力下剪切速率为0.50 mm/min时的峰值强度比剪切速率为0.05 mm/min时的残余强度增大5%～39%，5.00 mm/min时的峰值强度比0.50 mm/min时的残余强度增大6%～23%。残余强度的变化情况较峰值强度简单，在改变剪切速率后均比前一级速率下的残余强度稍小。

表2 不同正应力下试样抗剪强度

以正应力为200 kPa下的峰值强度随剪切速率的变化为例，当剪切速率由0.05 mm/min增大到0.50 mm/min时，新形成的峰值强度比第一次剪切的峰值强度小，而5.00 mm/min剪切速率下形成的峰值强度也较前一级速率下的峰值强度小。总体表现为改变剪切速率后有强度恢复发生，但其强度不会恢复到最初的峰值。正应力为400 kPa时，峰值强度却随着剪切速率的增大出现比上一级峰值强度更大的现象，增幅为1%～3%。

2.2 含水率对强度参数的影响

研究区雨季降水量丰富，暴雨较多，滑带土的强度特性与含水率密切相关，随着含水率的增大土体的抗剪强度减小。而强度的变化取决于土体的物质组成、微观结构和形成机制等，因此滑带土强度指标的确定是滑坡稳定性分析及治理的关键。

根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）中峰值强度和残余强度的取值规定（剪应力—应变曲线上的最高点对应的抗剪强度值为峰值强度，最后剪应力的最小稳定抗剪强度值为残余强度）。获得不同正应力条件下滑带土在不同含水率下的峰值强度、残余强度，采用直线强度包络线来拟合滑带土试样的峰值强度、残余强度指标，进而获得试样的黏聚力、内摩擦角以及残余黏聚力和残余内摩擦角（见表3），各参数随含水率变化趋势见图4。

表3 峰值强度与残余强度指标

由图4（a）可以看出，峰值黏聚力与含水率成线性负相关关系，即随含水率的增大黏聚力线性减小；内摩擦角随含水率的增大也呈线性减小趋势，但在相同含水率增幅比例下，黏聚力的变化幅度比内摩擦角的变化幅度稍大。类似于峰值强度指标的变化趋势，残余强度参数中残余黏聚力随着含水率的增大而线性减小，但变化幅度比峰值黏聚力变化幅度稍小；残余内摩擦角的变化幅度更小，其值为20°～21°。内摩擦角与颗粒的粗糙度和剪切过程中颗粒的滑动程度有关，同一种土体其内部粗糙度以及颗粒粒径分布大致相同，含水率的增大起到一定润滑作用，使内摩擦角减小。残余内摩擦角主要是剪切面处土颗粒定向排列程度的体现，含水率增大，受自由水润滑作用影响，剪切过程中细颗粒的定向排列更加明显，因此摩擦角减小。土体中含有大量伊利石矿物，在大位移剪切下易发生定向排列，自由水对其影响程度并不是太大，因此残余内摩擦角变化幅度很小。

土体中黏聚力与含水率变化有很大关系，随着含水率的增大，越来越多的水聚集在土体中，颗粒的吸附水膜增厚，使颗粒间的作用力和胶结作用大大削弱，造成黏聚力减小。强度指标对土体强度的影响是难以区分的，但就本次研究的滑带土来看，含水率主要通过影响黏聚力来控制土体强度。同一含水率下排水剪切和不排水剪切试验获得的滑带土强度指标不同（见表3），不排水试验下测得的强度参数值均比排水剪切试验条件下测得的强度参数值小。从含水率来分析，不排水剪切时剪切面上的水排不出来，会聚集在剪切面上，使含水率增大，颗粒间的作用力减弱，强度减小。

滑带土渗透性较差，使地下水聚集在千枚岩碎屑土层，随着时间的推移，千枚岩碎屑土逐渐发生泥化、软化，又经历固结、压密、碾磨和剪切的过程，物理力学性能逐渐劣化，内摩擦角、黏聚力随之减小，抗剪强度大大降低。因此，滑体总是沿千枚岩碎屑土层蠕滑变形，在进行滑坡治理时建议以排水为主。

图4 强度指标随含水率变化曲线

3 讨论与分析

剪切刚开始时无明显的剪切带，颗粒间的摩擦及混乱排列均需要克服较大的剪应力，所以剪应力增大很快；随着剪切的进行，颗粒被剪碎、磨平，变得越来越光滑，剪应力降低，并且剪切过程中水分转移，使剪切带含水率增大，导致剪应力减小［14］。研究滑带土中黏土颗粒以伊利石矿物为主，沿剪切方向易发生定向排列，使剪应力大幅度降低，这也是试样从峰值强度降低到残余强度出现应变软化现象的原因之一。

每一级速率剪切稳定后变换下一级速率时出现的强度恢复现象，可以从以下两个方面进行解释。从剪切速率进行分析，采用第一级剪切速率剪切时土体经历了由破坏到稳定，变换速率后，速度改变产生的超孔隙水压力使剪切强度发生变化［6］；相较“温柔”的低速率，高速率能使颗粒剪切得更彻底，颗粒的滚动和运移幅度更大，剪切方式也有可能发生变化，扰动已定向排列好的土颗粒使其发生变化［6］，因此刚变换大速率时在一段较小位移内可能会出现强度升高，但土体已经经历过剪切至定向排列稳定阶段，颗粒之间的摩擦和咬合作用降低，滑动摩擦力逐步减小，而正压力未改变，继续进行剪切后土样直接达到残余强度，不再有升高的趋势。从土体结构来看，在长距离、大位移的环剪试验中，剪切速率与含水率对滑带土残余强度的控制规律，实际上就是土体的物质结构对于两者响应类型、程度的变化规律［5］。

滑带土进入残余状态时剪切面处土颗粒沿剪切方向呈定向排列，土体内部已达到平衡状态。若静置不动，则土颗粒和水分子重新组合排列，形成新的结构，强度得到一定程度恢复。本次研究尽管没有停止剪切，但滑带土试样的粒径分布结果显示颗粒成分主要为细粒（黏粒和粉粒），随着剪切的进行，颗粒破碎使剪切面上黏粒含量增大，在上覆压力作用下，沿早期剪切面发生颗粒的相互黏结，嵌合密实度增大，并且正应力越大土颗粒被压得越紧密，从而导致被破坏的黏聚力随时间产生部分修复，即强度有所恢复，形成新的强度［9］和新的平衡状态。黏聚力的破坏是无法在短时间内恢复的，因此再生强度大部分发生在剪切速率改变后较短时间内，随着剪切的进行强度增加幅度逐渐变缓并趋于稳定。

4 结 论

针对金坪子滑坡滑带土进行了不同剪切速率、不同含水率、多级正应力水平下的室内环剪试验，得到如下结论：剪切过程中滑带土的应变软化现象明显，且正应力越大，土体达到稳定状态所需的位移越小；剪切速率对滑带土强度和滑坡变形特性有重要影响，滑带土在残余稳定状态之后随着剪切速率的增大，残余强度均减小，但其峰值强度较上一级剪切速率下的残余强度有一定程度的增大，且正应力越大，土体强度增加的幅度越大，但均在剪切一段位移后又重新降低；含水率对滑带土的强度参数影响明显，土体的峰值强度、残余强度均随含水率的增大而线性减小，但内摩擦角的减小幅度较黏聚力的小，究其原因可能在于，水的存在使滑带土中原始胶结遭到削弱破坏后，黏结作用变差，黏聚力减小，抗剪强度降低，建议在进行滑坡治理时以排水为主。