岩溶区薄层滑带土物质组成及力学性质弱化特征探究

钟年凤 穆成林 魏莹莹 王鑫雨 漆琦 王余丹

滑带土的物质组成以及力学性质是滑坡稳定性评价以及治理的基础参数，尤其是力学性質弱化更是研究的重点赫尔关键点。文章以黔西岩溶区岩质滑坡层间滑带土为研究对象，进行物质成分分析和重塑土的不同含水率的力学性质的直剪试验，获取峰、残值参数。试验成果表明：滑带土含有角粒、粗粒等（>2 mm）约占18.5 %，细黏土约占81.5 %，矿物成分以伊利石、伊蒙混层、石英为主，滑带土的物质组成决定力学性质;含水率对滑带土力学性质影响显著，随着含水率增加而降低，其中峰值摩擦角φp以w=20 %为拐点，呈现由快变慢的非线性降低。研究成果展示了滑带土力学性质的弱化特征，下一步将通过微观结构的变化深入揭示形成机理等。

滑带土; 力学性质; 弱化特征; 岩溶区

P642.22   A

[定稿日期]2021-05-28

[基金项目]国家自然科学基金（项目编号：41902296）;四川师范大学创新训练（项目编号：S202010636141）

[作者简介]钟年凤（2000～），女，本科，主要研究方向土木工程安全评价。

[通信作者]穆成林（1985～），男，博士，讲师，主要研究方向为工程地质与环境地质。

我国西南地区岩溶发育，近年来随着基础建设的快速发展，直接或间接诱发了大量的工程滑坡（边坡）变形失稳，造成了巨大损失。研究滑坡（边坡）的关键之一是滑带土的物质组成及力学性质，因为涉及稳定性评价以及治理方案研究等。目前，大量学者对滑带土的研究积累的丰富的经验和资料。例如，刘动等（2014）利用环剪仪研究了粗颗粒含量对滑带土残余强度指标的影响;赵能浩等（2014）将影响滑带土强度的主要内因归结为粒度组分、含水量和矿物成分，并将滑带的演化过程分为3个阶段阐述了滑坡滑动的控制机理;张晓丽等（2016）对不同黏粒含量的原状土进行抗剪强度试验研究，得出峰值强度后的抗剪强度降低幅度随黏粒含量的增加而明显增大的结论;曹世超等以金坪子滑坡滑带为研究对象，分了物质成分以及力学性质演化规律，阐述了随着黏粒含量的增加，滑带土应变软化现象更加明显; 而滑带土残余强度、峰值强度随着黏粒含量的增加，呈现非线性降低规律;刘虎虎等对三峡库区顺层滑坡的滑带进行了物质组成分析，利用重塑土样进行了滑带土的蠕变试验，讨论了带土埋深及含水率对其蠕变特性的影响机制。

综上所述，滑带土的物质组成以及力学性质是研究滑坡的基础，并且力学性质的弱化是目前研究的重点和关键点，直接关乎滑坡稳定性评价以及后期的治理等。本文以黔西岩溶区岩质滑坡的滑带土为研究对象，分析物质组成，通过室内的直剪试验获取了不同含水率条件下的峰、残余强度参数，并分析弱化特征，为岩溶区内的滑坡研究提供了可靠的基础依据。

1 研究对象及试验方案

1.1 研究对象

研究区位于位于滇东高原向黔中山区丘陵过渡的倾斜地带，地质构造复杂，低中高山以及侵蚀地貌，地表岩体风化严重且溶蚀作用明显，地表水和地下水都较丰富，地层岩性以白云岩、白云质灰岩为主以及部分泥质灰岩为主，属于三叠系中-下统关岭组（T2g）、夜郎组（T1y）。毕节市大方县郭家组滑坡于2020年8月12日发生蠕变失稳破坏，滑带深度为5.5～6.0 m，现场以开挖探槽取样。滑带土厚度50～10.0 cm，杂色或紫红色为主，成软塑状，夹杂不规则角粒，表层划痕明显，且存在积水现象。取样过程严格按照相应规范要求，并及时运送实验室进行相关试验。

1.2 试验方案

根据研究的目的及内容，试验分为两步骤：物质组成和力学性质。

物质组成：按照GB-T 50123-1999《土工试验方法标准》规程将部分试样风干并碾散，过筛（>2 mm），将小于2 mm的试样利用MS2000激光粒度分析仪对天然滑带土进行了粒度级配分析。MS2000激光粒度分析仪能精确测量粒径小于2 mm颗粒物质，最后将相关数据进行拼接，得到滑带土颗粒级配曲线;同时按照规范取部分试样进行X射线粉晶衍射试验，得到滑带土矿物成分。

剪切试验：其余试样同样按照规范要求进行，将制取试样土风干、碾碎、过筛、分组，并均匀给试样喷洒水，搅拌均匀，静置24 h以上，制作6组不同含水量试样：其含水量分别为10 %、14 %、18 %、22 %、26 %和30 %。试验仪器采用试验仪器采用DJY-4L型四联等应变直剪仪。根据滑带深度确定前期固结压力为350 kPa，因此试验的竖向法向压力依次设置为150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa。峰值强度试验试验剪切速率为 0.03 mm/min，剪切位移为6 mm;残余强度试验剪切速率为0.02 mm/min，反复剪切3～4次，位移量达到32 mm结束试验。

2 试验成果

2.1 滑带土物质组成

通过上述试验方案，对滑带土进行物质组成分析：大于2 mm的颗粒约占总重量的18.5 %，小于2 mm约占81.5 %，又分为黏粒、粉粒和砂粒，具体见表1。矿物成分组成见表2。

2.2 力学性质

按照上述试验方案进行滑带土抗剪切试验，获取在6种不同含水量在4种法向应力作用下以含水量w=18 %的试样为典型案例，绘制应力-位移图，见图1～图4;并获取全部试样的峰值、残余强度参数值，见表3。

2.3 试验成果分析

（1）滑带土中含有角粒以及小于2 mm的粉质黏土，其中，粉粒和黏粒质量比最大，共计约占81.5 %，因此，在滑坡实际失稳破坏中，滑带透水性差，具有较好的滞水性。同时，根据矿物成分试验，滑带土中黏土总量中（伊利石、高岭石、伊蒙混层）约占60 %，具有吸水性、保水性较好的特征，使得滑带土含水量增加，为滑带长时间保持高含水率提供了物质基础。例如，在开挖坑槽取样过程中，滑带土表层积水现象。

（2）滑带土室内剪切实验中，剪应力随着法向应力的增大而增大，达到一定应力时，呈现应力不变而变形持续增大，且应力-应变曲线没有明显的转折点，整体呈现蠕变特征，这与该滑坡的实际失稳破坏过程中呈现的蠕滑现象是一致的。

（3）滑带土剪切试验获取的峰值强度具有随含水率增大而逐渐减小的特征。其中，内摩擦角峰值φp值在含水率w=（10 %～20 %）区间呈近似直线式快速下降趋势，而在w=（20 %～30 %）呈直线式缓慢下降趋势，以含水率w=20 %为拐点。内摩擦角残余值φr在试验含水率区间呈现近似直线缓慢下降，见图3。

（4）滑带土的残余强度同样随着含水率的增加而呈现下降趋势。粘聚力峰值cf随着含水率的增加呈直线式快速下降;粘聚力残余值cr随含水率增加而呈直线式缓慢下降，见图4。

（5）滑帶土含有大比重的黏土颗粒，低含水率条件下黏土颗粒之间水膜较薄或者面积较小，剪切作用时颗粒之间相对位移主要是颗粒间的挤压、摩擦、咬合以及颗粒重新组排，形成较大的剪切阻力，即强度参数较大;随着含水率增加，吸水矿物质颗粒周围形成较厚水膜等，剪切作用时颗粒之间通过水膜相对滑移，降低了剪切阻力，即强度参数较小。

（6）在获取滑带土剪切强度峰值过程中，滑面颗粒自然排列，剪切过程中形成定向排列，挤压、摩擦以及咬合等阻力大幅度降低，残余强度参数比峰值参数小。同时，当含水率较大时，滑带土在经过剪切后，剪切面存在渗水现象，含水率越高渗水越明显，因此随着含水率的增大，强度参数逐渐降低。

（7）滑带土内摩擦角强度峰值、残余值的比值随着含水率的增加而逐渐降低。随着含水率的增加，摩擦角峰值φp与摩擦角残余值φr比值以此为：1.86、1.82、1.80、1.72、1.53、1.51，平均值为1.714;而粘聚力峰值、残余值的比值随着含水率的增加而变化幅度较小，随着含水率的增加，粘聚力峰值cp与粘聚力残余值cr比值以此为：3.80、3.76、3.83、3.71、3.70、3.76，平均值为3.762。

3 结论

（1）通过对黔西地区薄层滑带土取样物质组成试验，成果显示滑带土主要矿物质成为伊利石、高岭石、伊蒙混层等，具有吸水性质较好，同时黏粒含量较大。滑带土的物质组成决定了其具有透水性差，力学性质随含水率的增加而呈现弱化特征。

（2）摩擦角、粘聚力峰值都具有随含水率的增大而降低的特征。其中，摩擦角峰值φp值在含水率w=20 %为拐点，含水率w=（10 %～20 %）区间呈近似直线式快速下降趋势，w=（20 %～30 %）呈直线式缓慢下降趋势。

（3）摩擦角、粘聚力残余值都具有随含水率的增大而降低的特征，但基本都呈直线式。摩擦角强度峰值、残余值的比值随着含水率的增加而逐渐降低，平均值为1.714;而粘聚力峰值、残余值的比值随着含水率的增加而变化幅度较小，平均值3.762。

（4）滑带土强度的软化特征是目前滑坡研究的重点，此次通过室内试验通过剪切强度的峰值、残余值的演化规律进行了初步研究。下一步将根据不同含水率条件下强度弱化时的滑带土微观结构（孔隙、水、颗粒骨架）演变深入揭示内在形成机理。

参考文献

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