四川茂县周场坪深层滑坡滑带土环剪试验强度研究*

张怡颖 郭长宝 杨志华 沈亚麒 吴瑞安 任三绍

(①中国地质科学院地质力学研究所， 北京 100081， 中国)(②中国地质大学(北京)， 北京 100083， 中国)(③新构造运动与地质灾害重点实验室， 北京 100081， 中国)

0 引 言

位于青藏高原东部的四川省茂县地处龙门山断裂带和西南地形陡变带结合部位，在地震、强降雨和人类工程活动等内外动力耦合作用下，该区崩塌、滑坡和泥石流等突发性地质灾害具有分布广、发育密度大、危害严重等特点，如2008年汶川地震诱发的大光包滑坡、2016年四川茂县发生的新磨村滑坡等(黄润秋等， 2008; 殷跃平， 2008; 张永双等， 2016; 许强等， 2017; 赵志明等， 2021)。滑坡的稳定性往往受滑带的应力状态和力学强度等条件控制，滑带土的工程地质特性较滑坡体中其他部位的岩土体存在较大的差别(Skempton， 1964; Anson et al.，1999; 刘小丽等， 2004; 李瑞娥， 2005)，因此研究长距离剪切条件下滑带土力学强度的演化规律，对于滑坡稳定性评价和揭示滑坡启滑机制具有重要意义(张昆等， 2007; 李晓等， 2010; 王顺等， 2012)。国内外学者通常采用直接剪切、反复剪切、三轴压缩等常规的土力学试验来确定滑带土的力学强度特性，研究在滑坡剪切变形过程中的宏观、微观特征和力学强度演变规律。但常规土力学试验的测试分析结果与滑带土在经历长距离剪切后的真实变形破坏规律存在较大差异(洪勇等， 2009; 孙涛等， 2009)。环剪试验过程中通常保持剪切面积恒定，并通过无限界面剪切来研究大变形条件下土体的剪切强度(丁树云等， 2013; 郭长宝等， 2013)，目前已在滑带土力学强度测试和滑坡稳定性分析与启滑机制研究中发挥了重要作用(洪勇等， 2009; 丁树云等， 2013; 刘动等， 2013; Zhang et al.，2015)。

目前关于土体力学强度特征的研究取得了很多成果，研究成果表明黏粒含量、矿物成分、含水率、剪切速率、测试方法等因素对滑带土的力学强度具有影响。 Moore(1991)通过试验研究发现纯高岭石黏土和纯蒙脱石黏土的残余强度摩擦角可相差5.3°，蒙脱石黏土具有最低的残余强度。戴福初等(1998)采用环剪仪对香港大屿山凝灰岩及流纹质火山岩风化后形成的残坡积土进行残余强度试验研究，发现与单剪测试结果相比，多级剪测试结果明显偏高。曹世超等(2019)开展了不同黏粒含量下金坪子滑坡滑带土的反复剪切试验，研究发现滑带土残余强度、峰值强度随着黏粒含量的增加，呈现非线性降低规律，但降低幅度随正压力的增大而增大。陈鸿宾等(2019)利用三轴试验研究饱和及未饱和重塑红黏土含水率对土体抗剪强度的影响，发现未饱和重塑红黏土的含水率对抗剪强度参数影响显著。李威等(2018)利用非饱和土应力-应变控制式三轴仪对马兰黄土重塑土样进行饱和试验和CU试验，研究发现相同的条件下，饱和重塑黄土的总黏聚力及有效黏聚力随着剪切速率的增大先减小后增大，总内摩擦角及有效内摩擦角随着剪切速率的增大先增大后减小。从上述研究成果可以看出，影响滑带土强度的因素多，其中含水率、剪切速率等对土体抗剪强度及参数的影响较大。因此，本文以四川茂县周场坪滑坡为研究对象，在野外地质调查基础上，开展了不同含水率和剪切速率条件下的滑带土环剪试验，获取峰值强度、残余强度和剪切位移等试验数据，分析含水率、剪切速率对滑带土抗剪强度的影响，为判断滑带土的力学特性、分析周场坪滑坡的复活机制以及研究滑坡的工程地质力学效应提供参考。

1 周场坪滑坡概况

周场坪滑坡位于四川茂县南新镇周场坪村南侧、岷江左岸(图1)，南距汶川县城15km，北距茂县县城23km，滑坡区属高原季风气候区，年降雨量约486.3mm。周场坪滑坡是一大型深层蠕滑型古滑坡，该滑坡曾于1982年发生大规模快速复活(柴贺军等， 2002)，目前滑坡体前缘半堰塞岷江。滑坡坡脚高程约1445m，后缘陡壁高程约1784m，滑体前后缘高度差约340m。滑坡前缘已伸入岷江，岷江由于受到滑坡挤压，河道宽度由155m变为55m。滑坡的轴向长度约为850m，钻探表明滑坡的厚度约为60m，计算得滑坡体积约为3.3×107m3。

图1 周场坪滑坡地理位置及平面分布图

野外调查表明周场坪滑坡堆积体主要由碎石土组成，碎石的岩性以灰岩为主，粒径分布范围为0.1～0.5m，同时在滑坡体表面发育粒径为3～4m的灰岩碎块石。基岩为志留系茂县群第4组(Smx4)，岩性为灰岩夹绢云母千枚岩。周场坪滑坡为在地质历史上多次发生滑动的古滑坡，在现场调查可见局部地表出露滑带土，呈灰黑色，在粒度成分上以粗颗粒碎石夹粉质黏土为主，局部可见光滑剪切面。

2 滑带土环剪试验

2.1 试验土样

本次试验样品取自周场坪滑坡出露的滑带，样品表面呈黄褐-灰黑色，灰岩夹绢云母千枚岩是组成滑带碎石的主要物质成分(图2)。室内试验测试表明，周场坪滑坡滑带土的天然密度为 1.95 g·cm-3，天然含水率为12.9%，土体干密度1.73g·cm-3，液限(wL)为25.1%，塑限(wP)为13.7%，塑性指数(IP)为11.4(表1)。滑带土以细粒为主，试验粒径大小主要集中在小于5mm的范围，粒径大小在<5mm范围的颗粒占65.56%，其中小于0.075mm的颗粒占44.63%(图3，表1)。为使试样能够较为真实地代表周场坪滑坡滑带土，同时满足环剪试样盒尺寸对试样粒度的要求，本次试验剔除了大于5mm粒径的砾石。

表1 周场坪滑坡滑带土基本物理力学性质

图2 周场坪滑坡地表出露古滑带土特征

图3 周场坪滑坡滑带土颗粒分析曲线图

2.2 试验设备与原理

2.2.1 试验设备

此次环剪试验所采用的设备为美国GCTS公司(Geotechnical Consulting & Testing Systems)生产的SRS-150型动态环剪仪，该环剪仪由环剪室、控制柜、加压系统、传感器和数据采集系统等5部分组成(图4)。SRS-150型环剪仪在剪切过程中因具有剪切面恒定、剪切位移连续等特点，能够实现长时间、无间隔的连续剪切，完成滑带土在长期蠕滑、长距离剪切等条件下的强度测试。

图4 SRS-150 环剪仪

SRS-150型环剪仪的主要参数为：扭矩由电机伺服施加，剪切角为±360°，剪切速率为0.001～360(°·min-1)，轴向荷载由气压伺服控制； 最大法向应力1000kPa，最大剪切应力1300kPa； 试样外径152mm，内径97mm，试样的剪切面积是107.56cm2； 试样高度可达25mm。

2.2.2 试验原理

环剪仪可以实现大剪切变形条件下土体的力学强度特性研究，在试验过程中试样所受到的轴向荷载和底部扭矩作用，会在试样内部产生一个剪切面(图5; 丁树云等， 2013)，认为剪切过程中法向应力和剪应力均布于剪切面上(Sassa et al.，2004; 吴迪等， 2011; 郭长宝等， 2013)。

图5 环剪试验原理图

数据采集系统采集的数据主要有法向荷载W(kN)、旋转力偶矩M(kN·m)和角位移θ(°)，抗剪强度和剪切位移等参数可以通过W和θ进行计算。

2.2.2.1 剪切强度

计算公式由力偶矩

(1)

可得出旋转面上的平均剪应力：

(2)

旋转面上的法向应力为：

(3)

旋转面上的平均剪位移

(4)

式中：R1为试样的内半径(mm);R2为试样的外半径(mm);v为转速(转·min-1);t为时间(min);Dm为试样的平均直径(mm);Rm为试样的平均半径(mm)。

(5)

2.2.2.2 剪切速率的控制

已有相关研究表明，滑带土抗剪强度对剪切速率具有响应特征(戴福初等， 1998; 孙涛等， 2009; 张荣等， 2015)，主要表现为： ①峰值强度受剪切速率影响显著，具体表现为随剪切速率的增大而增大(Skempton， 1985; 孙涛等， 2009)， 残余强度受剪切速率影响较小；

②在较低的剪切速率范围内，剪切强度所受的影响很小或者几乎不受影响(戴福初等， 1998)； ③力学强度对剪切速率的响应与土体类型也具有相关性，如黏土、砂土等抗剪强度具有较大差异。目前，国内外学者对滑坡蠕滑和高速剪切过程中的滑带土力学强度特性都开展了研究，在环剪试验中采用的剪切速率最低一般为0.036mm·min-1(戴福初等， 1998)，最大可达3000mm·min-1(胡明鉴等， 2009)(表2)。为获得周场坪滑坡滑带土在不同剪切速率下的力学强度特性，本文开展了0.1mm·min-1、5mm·min-1和100mm·min-13种剪切速率进行环剪试验，为研究滑带土峰值强度与残余强度特征及滑坡稳定性提供数据支撑。

表2 国内外学者环剪试验剪切速率统计表

2.3 试验方案

在对滑带土样品进行基本物性测试的基础上(表1)，对周场坪滑坡滑带土进行重塑。首先将周场坪滑坡滑带土试样置于105℃环境下干燥24h以上，将干燥过的试样过5mm筛，并将含水率调配成分别为8%(低于wP)、15%(在wP和wL之间)和25%(大于wL)的重塑滑带土样，为使水分在试样中均匀分布，把重塑土试样进行密封并静置24h。本次试验共测试了27个试样，并将试样编号为S1～S27，分别设计了3级不同的法向应力(σ)、3组不同含水率(w)和3组不同剪切速率(v)的试验方案(表3)。此次试验主要测试过程如下：

表3 周场坪滑坡滑带土试样分组表

(1)试样制备：将滑带土试样分3层装入剪切盒，每层装入后进行压实并刨毛，然后依次装入下一层土。

(2)试样固结排水：在100kPa、200kPa和400kPa等三级不同的法向应力下对周场坪滑坡滑带土进行排水固结，待固结完成后关闭进水和排水阀门。

(3)环剪试验：针对每一组具有相同含水率(w)和法向应力(σ)的试样分别进行0.1mm·min-1、5mm·min-1和100mm·min-1恒定速率的剪切试验，达到稳定残余强度后停止试验。

(4)数据采集：数据采集软件以2次·s-1的频率采集剪切位移角、剪应力和剪切位移等相关试验数据。

(5)试样剪切破坏特征观察：剪切完成后，取出试样，观察剪切过程中试样的颗粒分布、破碎情况，是否产生剪切带以及剪切带的形态特征。

处理分析数据采集软件采集到的相关试验数据，绘制滑带土试样在剪切过程中的剪应力-剪切位移曲线。通过对比分析不同试验条件下的测试结果，分析了法向应力、含水率和剪切速率等条件如何影响滑带土试样的力学性质。

3 周场坪滑坡滑带土力学强度分析

3.1 剪切带破坏形态特征

环剪试验结果表明，在长距离剪切过程中，滑带土试样会形成一个剪切面，并在剪切面附近分为上、下两部分。图6为滑带土试样在剪切试验后的剪切带形态，可见剪切带表面凹凸不平，这说明剪切带不仅仅只是一个“面”，而是具有一定的厚度。从图6中可以看出试样在剪切过后高度发生了变化，其产生的原因主要有两方面：一是试样在固结过程中高度降低； 另一个则是在剪切过程中，试样由于剪切挤压的作用而沿着试样盒与剪切盘之间的缝隙溢出，且此现象在高速剪切时更为显著。对比S3、S6、S9等3个试样的试样高度发现，法向压力越大，试样降低的高度越大。S3、S6、S9、S18等4个试样的剪切速率为100mm·min-1，观察其剪切带形态可发现在高速剪切条件下，剪切带上的擦痕更为明显。

图6 环剪试样剪切带形态

3.2 结果分析

土体的力学强度特性受多种因素的影响，如：土体结构、土的颗粒组成、测试方法、应力-应变以及采用的试验设备与方法等，本文考虑了不同含水率和剪切速率对土体强度特性的影响，对周场坪滑坡滑带土开展环剪试验研究。

3.2.1 剪切应力-应变特征

在此次试验中，周场坪滑坡滑带土的剪切位移较长，远超普通直剪试验的剪切位移(4～6cm)，尤其是在100mm·min-1这一剪切速率下达到了约10m的剪切位移，可以较好地模拟滑坡在长距离剪切条件下的力学强度特性。

根据滑带土不同条件下剪应力-剪切位移关系曲线(图7)，当剪切位移达到一定值后，曲线上出现明显的峰值(P)，随着剪切位移的增大，曲线值逐渐降低，最终趋于一个相对稳定的值，此时认为试样已达到残余强度(r)。峰值强度与残余强度的大小存在一定的差距，所经历的剪切位移也存在较大差异，但都发生了应变软化现象，且应变软化现象随法向应力的增加而更加明显(图7)。如在S8(v=5mm·min-1，w=8%)的应力-应变曲线中，土样在位移值达到13mm左右即可达到试样峰值强度292.8kPa附近，在剪切了一定位移后达到相对稳定值235.6kPa，可认为该试样已达到该残余强度。在同一剪切速率和含水率条件下，土体峰值强度和残余强度均随着法向应力的增大而增大(表4)，如当v=0.1mm·min-1，w=8%时，试样S1(σ=100kPa)、S4(σ=200kPa)、S7(σ=400kPa)的残余强度分别为64.5kPa、122.7kPa、213.8kPa，呈现随法向应力增大而增大的趋势。

图7 周场坪滑坡滑带土剪应力-剪切位移曲线

表4 滑带土试样峰值强度(P)和残余强度(r)

根据滑带土抗剪强度与法向应力拟合所得到曲线(图8)，周场坪滑带土的峰值强度和残余强度与法向应力之间呈现出明显的线性关系，根据拟合曲线求得的c、φ值见表5。

图8 不同剪切速率、含水率下试样抗剪强度与法向应力的关系

表5 周场坪滑坡滑带土环剪试验抗剪强度值

3.2.2 含水率对滑带土抗剪强度的影响

在法向应力和剪切速率一致时，除因试验误差导致的个别异常值外，峰值强度和残余强度随着含水率的增大总体上呈减小趋势，且高含水率条件降低幅度更大(图9，表4)，如当v=5mm·min-1，σ=100kPa时，S2(w=8%)、S11(w=15%)、S20(w=25%)的峰值强度分别为82.7kPa、76.9kPa、67.3kPa，残余强度分别为67.8kPa、69.7kPa、43.1kPa。含水率较低时，土样的饱和度较小，能够产生的压缩变形有限，内摩擦角较大，土样此时的抗剪强度也较大； 增大土样的含水率后，因颗粒间的强联结被破坏而导致土体强度减弱，内摩擦角减小，抗剪强度随之减小。

图9 不同法向应力、剪切速率条件抗剪强度与含水率的关系

含水率对滑带土力学强度的影响不仅体现在抗剪强度减少上，在降低抗剪强度值的同时，滑带土试样达到峰值强度时所需的最小剪切位移值随着含水率的增加总体呈下降趋势(图10，表6)，如当v=5mm·min-1，σ=200kPa时，S5、S14、S23等3个试样所对应的最小剪切位移值分别为14.5mm、13.5mm、12.7mm，依次减小(表6)。

表6 滑带土达到峰值强度所需的最小剪切位移值

图10 不同法向应力、剪切速率条件最小剪切位移值与含水率的关系

3.2.3 剪切速率对滑带土抗剪强度的影响

试验分析表明，当剪切速率增加时，除个别因试验误差出现的异常值外，滑带土的峰值强度和残余强度基本上呈先增大后减小趋势，其中存在一个临界剪切速率值，使强度变化规律由增大变为减小(图11，表4)。这是因为在低剪切速率条件下，土体本身结构被破坏的程度较低，剪切过程中强度的损失能够控制在一定程度，当超过这一临界剪切速率值时，土体结构完全破坏，恢复能力基本消失，强度降低程度较高。故在剪切速率小于临界剪切速率值的范围内，剪切强度随剪切速率增大而增大，而在剪切速率大于临界值时抗剪强度随剪切速率增大而减小的现象。快剪条件与慢剪条件下土体力学强度存在差异性，这还可能与土颗粒定向排列速度、黏滞性质及弹性性质等因素相关。对比分析周场坪滑坡滑带土的抗剪强度值，可以发现由峰值强度和残余强度线性拟合的强度参数内摩擦角φ和φ′随着剪切速率的增加先增大后减小； 而黏聚力c和c′既有整体下降趋势又有先增大后减小趋势，规律不明显(图12，表5)。

图11 不同法向应力、含水率条件下抗剪强度与剪切速率的关系

图12 不同含水率条件下强度参数与剪切速率关系图

综合本次试验结果和前人研究成果，剪切速率的加快会先导致土体结构的无序化，增加颗粒之间的咬合力，此时内摩擦角增大； 但土体结构会随着剪切速率的增加而被破坏，颗粒间的咬合力随之消失，内摩擦角此时则表现为减小。这之前存在某一临界的剪切速率，临界速率随着土可塑性和有效正应力的增加而增加(Kimura et al.，2014； Bhat et al.，2015)。

4 结 论

本文通过对周场坪滑坡滑带土开展不同法向压力(100kPa、200kPa、400kPa)、不同含水率(8%、15%、25%)和不同剪切速率(0.1mm·min-1、5mm·min-1、100mm·min-1)的环剪试验，得到以下结论和认识：

(1)滑带土试样在环剪过程中形成的剪切带是有一定厚度的。试样由于固结和受到剪切挤压作用使得试样沿着试样盒与上剪切盘之间的缝隙挤出，试样的高度降低。在高速剪切条件下，试样降低的高度更大，剪切带上的擦痕也更为明显。

(2)试样的峰值强度和残余强度总体上随含水率的增大而减小，且高含水率条件下降低幅度更大。含水率对抗剪强度的影响在试样达到峰值强度时所需的最小剪切位移值上的表现为随着含水率的增大，其相应的最小剪切位移值随之减小。

(3)在高剪切速率条件下，滑带土的应变软化现象更为明显。滑带土的峰值强度和残余强度随剪切速率的增加呈先增大后减小的趋势，由峰值强度和残余强度线性拟合的强度参数黏聚力c、c′随剪切速率的增加规律不明显，而内摩擦角φ、φ′则先增大后减小。

(4)在滑坡形成与发育过程中，降雨情况下含水率的增加会加速其滑动，在这种高含水率、高剪切速率的条件下，滑坡更易发生剪切破坏。