泾阳南塬黄土滑坡刮铲推覆构造与滑带土微观结构

薛喜成 张玲玉 段钊

摘 要：泾阳南塬黄土滑坡刮铲推覆构造反应了一种典型的表生地质动力作用现象。通过野外调查，开挖探槽及SEM样品处理，综合分析泾阳南塬黄土滑坡原状土及滑带土的物理性质和微观结构，包括矿物成分、颗粒级配、孔隙度、方向频率、丰度和分形维数等特征，结合黄土滑坡前缘冲击阶地并对阶地刮铲推覆作用及逆冲剪断、液化、竖向渗流通道等细观现象，反演滑坡运动过程，并对滑坡运动过程中的力学状态进行解释。结果表明：土体微观结构特征与滑坡细观现象和刮铲推覆构造的产生有必然的联系。原状土体颗粒定向显著，孔隙度较大，孔隙连通性较好，在外力作用下易形成裂隙貫通和发生液化，进而形成竖向渗流通道和地表涌沙现象;滑带土粒径不均匀系数增大，孔隙度减小，孔隙形状改变，定向性减弱，单元体分形维数增大，这是滑坡运动过程中受挤压剪切作用，颗粒发生碰撞，孔隙水溢出的结果;而滑带土前缘较中部孔隙更为密实，孔隙度差异较小，颗粒分形维数较小，这是由于滑坡前缘为滑坡刮铲阶地推覆作用形成，主要受挤压作用，受力集中且均匀。关键词：

刮铲推覆构造;微观结构;滑带土;黄土滑坡;泾阳南塬中图分类号：P 694

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）01-0102-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0114开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Scraping-nappe structure and microstructure of the loess

landslide in south Jingyang Plateau

XUE Xi-cheng，ZHANG Ling-yu，DUAN Zhao

（College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：The scraping-nappe structure of loess landslide in south Jingyang Plateau reflects a typical epiphytic geologic dynamic phenomenon.Through field investigation，excavation and SEM sample processing，physical properties and the microstructure of the loess landslide undisturbed soil and slipping zone soil in south Jingyang Plateau are analyzed，including mineral composition，particle size distribution，porosity，direction frequency，abundance and the fractal dimension and so on.In view of the the front of landslide impact terrace，cause scraping-nappe structure and subtle-phenomenon such as cut and thrust nappe action and liquefaction，mechanical state in the process of landslide movement is explained.The results show that the characteristics of soil microstructure are inexorably linked with the scraping-nappe structure and subtle-phenomenon of the landslide.The undisturbed soil particles have obvious orientations，large porosity and good pore connectivity，which are easy to break through and liquefy under the action of external forces.

The non-uniform coefficient of

slipping zone soil particle increases，porosity decreases，pore shape changes，directional sex is abate，and granular fractal dimension increase.

All these areaffected by extrusion shearing actionin the process of the landslide movement.Front slipping zone than is denser the central，pore is more close-grained，porosity difference is small，and granular fractal dimension is small.All these are due to the front of landslide scaling terraces formed by the nappe，which is mainly formed mainly by extrusion process，with the stress centralized and uniform.Key words：scraping-nappe structure;microstructure;slipping zone soil;loess landslides;south Jingyang Plateau

0 引 言

土体在受力变形过程中结构会发生变化，因此可通过研究土体的微观结构反演其变形过程和受力状态。近年来，国内外诸多学者研究了土体在受力和变形状态下微观结构的变化。

赵涛研究了冻融循环后砂岩的细观结构特征[1];张先伟研究了软土蠕变过程中微结构变化和黏土压缩过程中微观孔隙的变化规律，以此揭示软土蠕变变形机制[2-3];谷天峰对原状及循环荷载作用下马兰黄土的微观结构特征进行对比，总结循环荷载作用前后孔隙面积、孔径、圆度、形态比等参数的变化规律[4];宋丙辉研究了锁儿头滑坡滑带土分形特征与抗剪强度和孔隙比的关系[5];任权，刘动，周建，王雷等分析了不同物理力学条件下土体微观结构的变化，并将微观结构与力学行为建立了联系[6-9];WANG利用数字化处理扫描电镜图像分析了未扰动区及破裂带红土微观孔隙的变化[10];吴凯分析了最优含水量下不同干密度黄土微观结构变化[11];

叶万军对比雨水溶蚀前后试样在粒度组成、矿物成分、离子含量、微结构单元及物理力学性质方面的差异，探究雨水溶蚀作用对黄土工程性质的影响[12];

祁昊对天然及饱和状态下土体的结构状态进行分析，探讨了降雨作用下欢喜坡冰水堆积体角砾土强度变化的微观机制[13];周晖定量分析了软土固结过程中微观结构的变化，建立了孔隙结构影响因子与固结荷载、渗透系数及压缩系数的关系[14]。

目前，微观结构的研究方法已趋于成熟，多数研究以室内实验为基础，然而由于取样、制样环节对土体结构的扰动和破坏，在真实反演地质灾害发生过程中土体复杂的受力状态的应用中还存在一些缺陷。因此，还有学者直接针对工程原状土体进行微观结构分析，利用其解释地质灾害机制。李华斌，赵洲，严春杰等通过研究滑坡滑带土的微观结构，提出了利用微观结构分析滑坡的活动年代、活动规模、发生频次等信息[15-18];谭罗荣研究了膨胀土的微观结构特征，对微观结构单元和微观结构类型进行了划分，讨论了微结构特征与膨胀势的关系，并将定向特征与力学强度建立了关系[19];王宝军研究了黏性土微观结构的分形特征，得出了分形维数与土体微观结构类型间的关系，即土样的团粒化越高，分形维数越小[20];HE分析滑带土微观形态特征，提出有利于滑坡形成的微观特征[21];邓茂林观察了干燥和饱和2种状况下滑带软岩显微结构，发现其特征与滑坡滑动迹象吻合[22];陈剑对滑带土的物理性质和微观结构进行了分析，并利用微观结构特征解释了滑带土的力学行为[23]。

研究区泾阳南塬地处泾河下游右岸，是陕西关中地区滑坡灾害发生频率高、灾害后果较为严重的地区。通过前期调查发现，泾阳南塬黄土滑坡在运动过程中对阶地易侵蚀基层（阶地饱和粉砂—粉土层）造成冲击，在前缘形成显著的刮铲、推覆和液化现象，导致滑坡致灾范围放大。为此，文中通过探槽记录了滑坡刮铲、推覆和液化等细观结构特征，并制取了滑坡滑带土粉砂试样，在此基础上，利用SEM处理，分析对比滑坡运动前后微观结构变化，以此揭示滑坡滑带土微观结构与细观特征的联系。

1 滑坡推覆构造

受农业灌溉影响，泾阳南塬自1982年至今共发生了62起以上的黄土滑坡[23]。这些黄土滑坡中有31起在运动过程中对阶地易侵蚀基层造成过冲击，西庙店滑坡便是典型代表（图1）。该滑坡位于东经108°46′02.16″，北纬34°30′04.76″，是泾阳南塬新近发生的一起运动特征保存较为完整的滑坡。该滑坡自2013年11月至2016年3月共发生过4次滑动。其中第1起滑坡发生范围最大，体积约35×10 4 m 3，滑动距离约305 m.现场调研发现，西庙店滑坡第1起滑坡在运动过程中冲击了阶地易侵蚀层，将阶地地层铲起，并与黄土滑体一起向阶地临空方向运动，堆积体前缘地表出现了明显的隆起，堆积体中部植被形成醉汉林。

为了进一步查明堆积体内部构造特征，前缘位置开挖探槽。由探槽剖面（图2）可见，原阶地原状地层由下至上依次为产状近水平的粉质粘土、粉砂和砂质粉土互层、粗砂、粉质粘土;而在其上覆堆积体中发现，粉质粘土、砂质粉土、粉砂产状倾斜，粉质粘土沿一条粉砂剪出，剪出面上和砂质粉土接触处还夹有植物层（原阶地上的枣树），其余粉砂形成多条次级滑动面，每一条次级滑动面之上覆有砂质粉土。整体上粉砂倾角沿滑坡运动方向逐漸增大，且整体趋势与砂质粉土剪出面一致。粉砂和粗砂逆冲剪断与揉皱现象也较为普遍。

与之相对应地在前缘位置可以看到显著的逆冲剪断、涌沙和竖向渗流通道等细观现象（图3）。

2 样品制备

2.1 前处理

为揭示西庙店黄土滑坡刮铲推覆的形成过程和受力状态，在刮铲推覆构造较为显著的滑坡前缘和中部各制取滑带土粉砂试样3组，同时在阶地制取原状粉砂试样2组进行样品处理。

使用丙酮溶液浸泡取样器中试样，待溶液完全渗透，试样中颗粒形成胶结。将硬化后的试样底面用轮式磨片机研磨成近平面，再放进自动磨片机细磨，细磨后检查试样表面是否有空洞、裂纹和擦痕;之后在毛玻璃板上精磨，精磨后在斜光下检查表面是否有擦痕。最后在抛光机上进行抛光，抛光结束后，清洗试样，去掉残留的抛光液和污物，并用柔软的绸布擦拭干净。

2.2 制作扫描电镜图像

采用扫描电镜（SEM）对土样进行扫描，放大倍数分别为100倍、200倍、500倍，每组样品扫描获得10张图片，然后选取滑带土前缘、中部及原状土SEM图像各6张进行分析，分别编号Q1-Q6，Z1-Z6，Y1-Y6，其中1～3号图像放大倍数为200倍，4～6号图像放大倍数为100倍。

利用能谱仪对能谱元素扫描，并叠加在放大倍数为500倍的SEM图像上，以备分析矿物成分。

2.3 SEM图像二值化

结合Matlab，使用Image J，调节阈值，将原始灰度图像进行二值化处理，颗粒和孔隙二值化时选用相同阈值（图4）。

3 物理性质与微观结构

利用Matlab和Image J提取二值化图像中单元体（孔隙和颗粒）参数，主要需要面积、周长、长轴、短轴、方向以及孔隙度。通过土体矿物成分、颗粒级配、孔隙度、方向频率、丰度和分形维数6个指标体现土体的矿物组分、粒径、孔隙比例、单元体定向性、形状以及复杂程度。

3.1 矿物成分

由滑带土矿物成分分析图（图5），利用矿物标准色[24]计算得出：滑带土物质成分主要是石英、硅酸盐矿物和碳酸盐矿物，分别占25.2%，15.1%和7.8%.

3.2 颗粒级配

采用颗粒等效粒径进行分析，即通过颗粒面积计算颗粒的等效直径。

计算18个样品颗粒二值化图像中的颗粒等效直径，分别作粒径分布图（图6），并计算土体颗粒不均匀系数和曲率系数，然后取Q1-Q6，Z1-Z6，Y1-Y6参数的平均值代表各部位颗粒级配值，分析滑带土粒径。

滑带土样品粒径分布在0.008～0.32 mm之间，均由粉粒和砂粒组成。其中，各部位的参数值见表1.

从表1可以看出，3组土体均属匀粒土，曲率系数相差不大。其中2组滑带土样品较原状土样品粉粒含量减少，砂粒含量增多，不均匀系数增大;而滑带土前缘样品又比中部样品粉粒含量少，砂粒含量多。

3.3 孔隙度

孔隙度是反映土体密实程度的指标，可通过研究土体孔隙度的变化判别其受力状态。

通过计算，滑带土前缘Q1-Q6孔隙度平均值为37.1%，滑带土中部Z1-Z6孔隙度平均值38.9%，而原状土样品Y1-Y6孔隙度平均值为44.3%.另外，分析孔隙二值化图像时发现（图7），统计的原状试样Y1-Y6的孔隙数量明显较滑带土样品同一比例尺下的少，土体相对密实，且孔隙面积分布极不均匀，孔隙连通性明显较滑带土孔隙连通性好。

滑带土整体孔隙度较原状土孔隙度小，而滑带土前缘孔隙度又较滑带土中部小，且Q1-Q6孔隙度变化较Z1-Z6小。

3.4 方向频率

土体在受力作用下，颗粒移动，单元体形态会发生改变，而单元体方向是反映单元体形态的一项指标。分析单元体的方向频率可以了解单元体总体的定向特征，比较不同部位的定向特征又可以解释不同部位土体的受力状态。在分析方向频率时，采用的是统计单元体方向在一定区间内的面积，而没有使用传统的统计数量，避免了利用数量统计时由于各个单元体面积大小差异而造成的误差。

图8中，滑坡原状土和滑带土前缘样品孔隙方向频率在一个方向存在极大值，有明显的定向性，原状土体孔隙方向频率最大值为0.74，前缘土体孔隙方向频率最大值为0.13，而滑带土中部样品孔隙在多个方向频率较大，定向性较差。

另外，滑坡原状土、滑带土前缘样品和滑带土中部样品颗粒方向均有较好的定向性。其颗粒方向频率最大值分别为0.23，0.11，0.13.

3.5 丰度

通过计算，滑带土Q1-Q6孔隙平均丰度为0.57，颗粒平均丰度为0.60，滑带土中部Z1-Z6孔隙平均丰度为0.57，颗粒平均丰度为0.59，而测得的滑坡原状土体样品孔隙平均丰度为0.55，颗粒平均丰度为0.60.

滑带土前缘和中部样品的孔隙丰度值较原状土样大，颗粒丰度与原状土样基本一致，而前缘样品颗粒丰度值较中部略大。

3.6 分形维数

分形维数是描述具有自相似结构的几何现象的特征量，分形维数越大，土体结构越复杂。

对各个部位样品提取的单元体面积和周长进

行统计，作面积-周长的对数散点图，并利用点密度分布图分析点分布的整体趋势，若可以用线性方程拟合，则说明其具有分形特征。

可以对单元体周长和面积的对数进行线性分析，从而求得分形维数。

通过绘制样品单元体的面积周长对数散点图和点密度分布图（图9），发现所有的图上散点密度最大值均为线性分布，散点整体形态可以用线性拟合，即具有分形特征。通过线性拟合方程可以求得单元体分形维数（表2）。

滑带土样品单元体分形维数均较原状土样品大，而滑带土中部单元体分形维数又较滑带土前缘大。

4 讨 论

综合分析滑帶土与原状土微观结构，表现出3方面特点：①原状土矿物成分以石英、长石居多，定向排列良好，孔隙度较大，孔隙连通性较好，孔隙定向性显著;②滑带土微观结构较原状土，粒径不均匀系数增大;孔隙度减小，孔隙连通性降低;孔隙定向性减弱;孔隙丰度减小;颗粒分形维数增大;③滑带土前缘微观结构较中部，土体更为密实，且不同位置孔隙度差异较小;孔隙定向性较好;单元体分形维数较小。

结合滑坡前缘探槽剖面及现场调研细观现象，对滑坡运动过程及受力状态反演如下。

原状粉砂层中矿物组合及矿物的定向排列为裂隙的产生提供了良好的条件，当滑坡在高速运动过程中迅速楔入阶地，阶地易侵蚀层在强烈挤压条件下沿内部脆弱面剪切破坏，并形成贯通的缓倾斜面，成为滑体撞击阶地后的阶地滑动面。另一方面，原状粉砂土体孔隙度较大，孔隙连通性较好，孔隙定向性显著，当滑体冲击、推挤阶地地层时，粉砂中孔隙水来不及释放，孔隙水压力快速增大，有效应力降低，发生液化[25-27]。由于超孔隙水压力的存在，液化了的粉砂沿着上覆土体的裂隙快速向上逃逸，形成显著的竖向渗流通道和地表涌沙现象。

黄土滑坡继续挤压阶地地层，并与阶地地层一起沿阶地滑动面向前滑动。土体颗粒产生相应滑移，受剪切、挤压等多种作用，颗粒接触频率增大，碰撞增强，部分颗粒破碎，整体上粒径不均匀系数增大，同时碰撞过程使得颗粒表面变得不光滑，碰撞越强，颗粒边界越粗糙，分形维数越大。另一方面，滑动过程中挤压作用逐渐增强，孔隙挤密，孔隙度减小，粉砂剪切破坏和液化现象不断发生，形成多条粉砂涌出地表通道，并伴有揉皱现象发生。

由于粉砂液化后与上下接触地层之间摩擦力存在较大差异，粉砂上覆地层带动粉砂沿阻力最小的方向向前运动，而阶地地层中恰好存在缓倾斜的裂隙贯通带，于是黄土滑坡与阶地地层以逆掩的形式沿贯通带剪出，并形成多条次级滑动面。

滑坡前缘是黄土滑坡下滑挤入阶地而对阶地刮铲推覆形成，主要受挤压作用的影响，受力相对集中且均匀;而滑坡中部受滑坡后缘段推力以及滑动过程中的挤压剪切作用等多种影响，受力相对不均匀。

5 结 论

1）泾阳南塬黄土滑坡刮铲推覆构造对滑带土微观结构产生影响，对比分析滑带土及原状土微观结构、滑带土不同部位微观结构特征可以较好地反演滑坡运动过程。

2）滑带土微观结构较原状土粒径不均匀系数增大，孔隙度减小，孔隙连通性降低，孔隙定向性减弱，孔隙丰度减小，颗粒分形维数增大。这是滑带土滑动过程中，受剪切挤压等多种作用，颗粒接触、碰撞、挤压造成的。

3）由于滑坡前缘产生特殊的刮铲推覆构造，滑带土前缘微观结构较中部比，孔隙密实，孔隙度差异小，孔隙定向性好，分形维数小。

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