黄土-三趾马红土滑坡滑带土剪切力学特性影响因素

2021-08-31祝艳波韩宇涛苗帅升李红飞李文杰兰恒星

地球科学与环境学报 2021年4期

祝艳波，韩宇涛，苗帅升，李红飞，李文杰，兰恒星

(长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安 710054)

0 引言

黄土高原第四系黄土广泛沉积于新近系三趾马红土之上[1]，形成“双层异质”接触层面，为典型易滑地层。黄土高原55%的大型黄土滑坡均为黄土-三趾马红土接触面型滑坡[2]，因此，研究黄土-三趾马红土滑坡滑带土剪切力学特性对于揭示此类滑坡启动机制具有参考意义。但目前关于此类滑坡研究以定性评价其形成演化机制为主[3]，针对滑带土研究也以黄土为主，而关于黄土-三趾马红土界面力学特性方面研究成果不多。

直剪试验能模拟界面演化成滑带的剪切过程，因而能够很好地描述界面间的相互作用[4-5]，适合于研究界面的剪切力学行为[6-7]。国内外关于土体界面研究主要集中在土与不同结构界面的剪切力学特性方面[8-12]，如砂土与混凝土接触[7,13-14]、黏土与混凝土[15-16]、土与钢板[17-19]、土与土工膜[20-21]等，上述研究均表明界面存在显著低于土或结构物的强度[22-24]。

土与结构接触界面强度及破坏模式受不同因素影响[18,24-30]，如界面土体物理性质、含水率、干密度、界面粗糙度、试验加载方式和法向应力等[31-34]。Canakci等认为粗糙度及含水率对于桩土界面剪切力学特性具有重要影响[35]；Sayeed等研究了正应力对砂土-无纺土工布界面的剪切力学性质的影响，发现无纺土工布界面具有更高的初始剪切刚度[36]；Ling等研究了含水率对黏性土-混凝土界面剪切特性影响，发现界面峰值强度随含水率升高而降低[37]；Mortara等分析了界面摩擦特性对界面剪切力学性质影响，并提出了光滑钢板与砂土界面本构模型[18]；Vangla等分析了砂土形态对砂粒与土工膜接触面的影响，认为砂粒形态对界面强度具有重要影响[38]；Afzali-Nejad等则明确了粗糙的砂粒角边形状可以提高界面的峰值摩擦角与最大剪胀角[20]；Ammar等通过对黏土与大麻纤维接触面强度研究，发现界面排水条件良好、界面粗糙度大均能提高试样强度[21]；Chen等则定性研究界面粗糙度对界面剪切力学特性影响，发现界面强度随界面粗糙度增大而增大[39-41]。以上研究均表明，界面剪切力学特性与界面粗糙度、正应力、含水率等密切相关。

综上所述，土与结构物界面剪切力学特性研究成果颇丰，但关于土与土之间不连续面的剪切行为研究不多[42]，尤其是针对黄土。虽然一些学者研究了黄土与砂土、黄土与混凝土、黄土与基岩等界面的剪切应力-剪应变关系、抗剪强度参数变化等[43-46]，但针对广泛分布的第四系黄土与新近系三趾马红土界面力学特性研究成果不多，针对其界面强度影响因素研究更是鲜见。

基于此，本文研制界面制样设备及界面直剪仪，开展界面剪切力学特性试验研究，以揭示黄土-三趾马红土界面剪切破坏模式，分析其剪切强度特性，探讨粗糙度、干密度、含水率对界面强度的影响规律，以期为进一步研究黄土-三趾马红土界面如何演化成滑带，进而揭示此类黄土复合型滑坡启动机制提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

图1 陕西西安白鹿塬区域地质简图及野外特征Fig.1 Regional Geological Sketch Map and Field Characteristics of Bailuyuan in Xi’an of Shaanxi

研究区位于陕西省西安市白鹿塬塬边[图1(a)、(b)]，区域内第四系黄土广泛沉积于新近系三趾马红土之上，形成粗糙接触的异质土接触界面[图1(c)]。黄土斜坡易沿此软弱层面产生滑动[图1(d)、(e)]，形成黄土滑坡，因此，开展黄土-三趾马红土界面剪切力学特性研究具有重要意义。

试验土料取自研究区陈家坡滑坡滑带，为新近系三趾马红土与第四系黄土，其颗粒级配如图2所示，基本物理性质指标如表1所示。考虑试样尺寸限制，将土料过2 mm筛，剔除粒径大于2 mm颗粒，以备试验。

图2 试验土料颗粒分布 Fig.2 Particle Distribution of Test Soil

1.2 试验方案与试样制备

黄土-三趾马红土接触界面粗糙(图1)，土质密实，颗粒较细(表1)，野外近半成岩状态、含水状态多变，因此，粗糙度、含水率、干密度对界面剪切强度影响不可忽视。综合考虑土样密实状态、实验室制备重塑样的可行性，并简化接触面粗糙度表达，将黄土-三趾马红土接触界面简化为规则锯齿状接触，通过变化齿状界面接触角度(简称齿面角度)反映界面的粗糙度。制定的试验方案如下：分别设计5种齿面角度(0°、15°、30°、45°、60°)、4种干密度(1.55、1.65、1.75、1.85 g·cm-3)、4种含水率(15%、17%、19%、21%)下界面试样剪切试验(表2)，以充分揭示界面强度影响因素。

表1 黄土和三趾马红土物理性质参数

表2 试验方案

由于原状土样密度大，受室内制样设备限制，为制备出高密度重塑样，首先研制界面试样制备工具[图3(a)]，配合使用齿状界面模具[图3(a)]，即可制备出干密度大、接触紧密的界面试样。该压实装置能够压制出干密度为1.85 g·cm-3的重塑试样，试样直径为61.8 mm，高度为20.0 mm。试样制备分为3步[图3(b)]：首先，将制样模具放置于制样筒中，按制样要求放入一定质量的黄土湿土料并压实，制备出与制样模具粗糙接触的黄土试样；接着，将制备好的黄土试样及压样模具取出并相互分离，再将黄土试样置于制样筒底部，使其粗糙面朝上，并在其上放置一层薄塑料膜，便于后期黄土-三趾马红土接触面分离；最后，按要求倒入一定量的三趾马红土湿土料，使其与黄土试样粗糙面接触并压实，即可压制出黄土-三趾马红土界面试样。去掉试样接触齿面间的塑料膜，并使黄土-三趾马红土沿齿面重新结合，完成试样制备。

1.3 试验设备与方法

图3 界面制样设备及制样过程Fig.3 Preparation Device and Process of Interface Samples

为开展黄土-三趾马红土界面试样剪切试验，并准确获取试样水平剪切位移、竖向剪胀位移、剪切破坏模式，研制可视化界面直剪仪[47](图4)。该设备由垂直加压装置、水平加载装置、计算机采集与控制系统、剪切盒、量测系统组成。垂直加压装置采用环向气压施加法向应力，保证法向应力施加稳定，应力控制范围为0～500 kPa；水平加载装置采用伺服控制系统，可以实现等速应力、等速位移加载，等速位移加载范围为0.025～6.350 mm·min-1，其精度为±5%；量测系统可实时自动量测剪切应力、水平剪切位移、竖向剪胀位移，应力传感器量测范围为0～2 kN，精度为0.2%，位移传感器测量范围为0～10 mm，精度为0.1%；计算机采集与控制系统可实时控制加载装置，采集与传输量测数据；可视化剪切盒可为获取试样剪切过程破坏模式观测提供条件。

将试验法向应力设定为12.5、25.0、37.5、50.0、100.0、200.0、300.0、400.0 kPa，可全面揭示界面试样的剪切强度变化规律。试验剪切速率一般设置为0.8 mm·min-1。

2 结果分析与讨论

本文完成24组黄土-三趾马红土界面试样剪切试验，获取界面试样剪切破坏模式、剪切应力-位移曲线、竖向剪胀位移、剪切强度变化规律。

2.1 剪切破坏模式

图4 全自动可视化界面直剪仪Fig.4 Computer-controlled Visual Direct Shear Equipment of Interface

根据对黄土-三趾马红土界面试样剪切破坏模式的观察可见，试样均沿着界面产生剪切破坏，但破坏模式不同，可分为齿间滑动、齿间滑动-齿面剪断、齿面剪断3种(图5～7)。因此，剪切破坏模式不仅与法向应力有关，还与界面接触条件有关，如齿面角度、含水率及干密度。

根据齿面角度对界面试样剪切破坏模式的影响(图5)可见，不同齿面角度下试样剪切破坏模式不同。当齿面角度为15°时，试样剪切破坏模式为齿间滑动；随着齿面角度增大到45°时，试样剪切破坏模式为齿间滑动-齿面剪断；当齿面角度为60°时，试样剪切破坏模式为齿面剪断。当齿面角度相同时，不同法向应力下试样剪切破坏模式也不同。当法向应力为100.0、200.0 kPa时，试样剪切破坏模式为齿间滑动-齿面剪断；当法向应力为400.0 kPa时，试样剪切破坏模式为齿面剪断。综上所述，齿面角度增大且法向应力越高，试样越趋于齿面剪断破坏，且齿面剪断面积不断增大。

根据含水率对界面试样剪切破坏模式的影响(图6)可见，法向应力及含水率均影响试样剪切破坏模式。随着含水率增大，试样剪切破坏模式由齿间滑动逐渐向齿间滑动-齿面剪断、齿面剪断过渡。随法向应力增大，试样剪切破坏模式也由齿间滑动逐渐向齿间滑动-齿面剪断、齿面剪断过渡。当法向应力为12.5 kPa时，试样剪切破坏模式均为齿间滑动；当法向应力为100.0、200.0 kPa时，试样剪切破坏模式均为齿间滑动-齿面剪断；当法向应力为其他设定值时，试样剪切破坏模式出现两种，且含水率越高，试样剪切破坏模式愈趋于齿面剪断，且剪断面越接近齿面根部，齿面剪断面积越大。

根据干密度对界面试样剪切破坏模式的影响(图7)可见，法向应力及干密度均影响试样剪切破坏模式。随着干密度减小，试样剪切破坏模式由齿间滑动逐渐向齿间滑动-齿面剪断、齿面剪断过渡。随法向应力增大，试样剪切破坏模式由齿间滑动逐渐向齿间滑动-齿面剪断、齿面剪断过渡。当法向应力为12.5 kPa时，试样剪切破坏模式均为齿间滑动；当法向应力为100.0、200.0 kPa时，试样剪切破坏模式均为齿间滑动-齿面剪断；当法向应力为其他设定值时，试样剪切破坏出现两种模式，且干密度越小，试样剪切破坏模式愈趋于齿面剪断，且剪断面越接近齿面根部，齿面剪断面积越大。

图5 不同齿面角度和法向应力下试样剪切破坏模式Fig.5 Shear Failure Modes of Samples Under Different Interface Angles and Normal Stresses

齿面角度为45°图6 不同含水率和法向应力下试样剪切破坏模式Fig.6 Shear Failure Modes of Samples Under Different Moistures and Normal Stresses

齿面角度为45°图7 不同干密度和法向应力下试样剪切破坏模式Fig.7 Shear Failure Modes of Samples Under Different Densities and Normal Stresses

由此可见，界面试样剪切破坏模式受齿面角度、含水率、干密度影响显著。齿面角度与法向应力越小，试样沿齿间滑动的摩擦阻力越小，破坏模式越趋于齿间滑动，反之越趋于齿面剪断；界面含水率越高且干密度越小，剪切过程中沿齿面剪断的强度阻力越小，破坏模式愈趋于齿面剪断，反之愈趋向于齿间滑动。从试样齿间滑动-齿面剪断破坏模式可见，齿面剪断位置不同，剪断面离齿面根部越近，这说明剪切过程中沿齿面剪断的强度阻力越小，水平剪切推力更容易克服剪断阻力，使试样沿齿面剪断。

2.2 剪切应力-位移曲线特性

界面接触条件不仅影响试样剪切破坏模式，对剪切应力-位移演化也有影响。图8为不同齿面角度、含水率、干密度下界面试样剪切应力-位移曲线。从图8可见，界面试样剪切应力-位移曲线均呈应变软化型，剪切应力随剪切位移呈先增大后减小趋势，且具明显的峰值强度与残余强度。峰值强度后剪切应力降低明显，并出现“跳跃”现象，表明试样沿界面产生脆性剪断破坏。剪切应力-位移曲线均呈明显阶段性，可划分为4个阶段：峰前线性段，剪切应力随剪切位移增大而快速增大，这是由于界面两侧土体接触不紧密，剪切过程界面不断被挤密，该阶段持续时间短；峰前塑性变形段，剪切应力随剪切位移呈衰减式增长，试样在水平剪切推力作用下沿齿面向上滑动，并且不断被推挤挤压，塑性变形不断增大，直至齿面剪断；峰值强度后软化阶段，剪切应力-位移曲线呈“跳跃”式跌落，试样沿齿面剪断后剪切位移快速增大，剪切应力呈“跳跃”式下降，试样脆性破坏特征明显；界面摩擦阶段，剪切应力-位移曲线逐渐趋于平稳，剪切应力随剪切位移增大逐渐趋于残余强度，试样剪断后仅沿剪断面产生摩擦滑动。

试样剪切应力-位移曲线受齿面角度、含水率、干密度影响呈现不同特征，如峰前线性段曲线斜率、峰值强度位移均差异较大，为此绘制界面试样的剪切刚度、剪切破坏位移变化曲线(图9、10)。

剪切刚度是反映剪切变形性质的重要参数，其等于剪切应力-位移曲线峰前线性段斜率。齿面角度越大，剪切刚度越大[图9(a)]，剪切破坏位移越大[图10(a)]，峰值强度越大[图8(a)、(b)]，峰后应变“跳跃”现象越明显，界面脆性破坏特征越显著。这是由于齿面角度越大，剪切初始阶段试样沿界面爬坡滑动的摩擦阻力越大，沿齿间滑动越难，所以界面抗变形能力越强，剪切刚度越大；剪切过程中，水平剪切推力更易先克服齿面强度阻力而剪断界面，破坏模式愈趋向于脆性齿面剪断，因此，剪切应力-位移曲线“跳跃”现象越明显。而剪切破坏位移增大与齿面剪断位置有关，齿面角度与法向应力越大，剪断位置越靠近齿面根部，齿面剪断面积越大，水平剪切推力需要克服的土体剪断阻力越大。因此，峰值强度越高，界面剪断时产生的塑性变形越大，界面剪切破坏时间出现越晚。

界面含水率越高，试样峰值强度越低[图8(c)、(d)]，剪切刚度越小[图9(b)]，剪切破坏位移越大[图10(b)]，剪切应力-位移曲线由“跳跃”软化特征向“塑态”软化特征转变，试样塑性破坏特征越显著。这是由于高含水率软化土体降低了齿面间摩擦强度与齿面土体剪切强度，试样剪切过程更易变形，所以剪切刚度越小，峰值强度越低，但峰前塑性变形越大；剪切过程中，水平剪切推力更易先克服齿面抗剪强度而剪断齿面，破坏模式愈趋向齿面剪断，并由脆性剪断逐渐向塑性剪断过渡。含水率越高，剪切破坏位移越大，齿面被剪断的时间越晚，齿面剪断位置越靠近齿面根部，试样剪切过程推挤的齿面面积越大，因此，剪断时试样产生的塑性变形越大。

界面干密度越大，试样峰值强度越大[图8(e)、(f)]，剪切刚度越大[图9(b)]，剪切破坏位移越小[图10(c)]，峰后应变“跳跃”现象越明显，界面脆性破坏特征越显著。这是由于干密度大则土体强度大，剪切过程试样不易变形，所以剪切刚度越大，同时，干密度越大使试样齿面剪断的强度阻力增大；剪切过程中，水平剪切推力更易先克服齿面间摩擦阻力而使试样沿齿间滑动，破坏模式由齿面剪断向齿间滑动-齿面剪断过渡，剪切破坏位移却越来越小；这是由于齿面剪断位置越来越远离齿面根部，齿面剪断面积不断变小，所以试样剪断时产生的塑性变形小。反之，干密度越小，土体强度小，试样易变形；剪切过程中，水平剪切推力越容易先克服齿面抗剪强度而剪断齿面，破坏模式越趋向塑性剪断，且齿面剪断位置越靠近齿面根部，因此，界面剪切刚度越小，峰值强度越低，但剪切破坏位移越大。

2.3 竖向剪胀位移特性

图9 不同法向应力下界面试样剪切刚度变化Fig.9 Variations of Shear Stiffness of Interface Samples Under Different Normal Stresses

图11 不同齿面角度、含水率、干密度下界面试样的水平剪切位移-竖向剪胀位移曲线Fig.11 Horizontal Shear Displacement-vertical Dilatancy Displacement Curves of Interface Samples Under Different Interface Angles, Moistures and Densities

界面试样剪切过程因沿接触齿面爬坡滑动而产生剪胀行为。为分析界面接触条件对试样剪胀行为影响规律，绘制界面试样水平剪切位移-竖向剪胀位移曲线(图11)。从图11可见：当齿面角度为0°(平直接触)时，试样剪胀不明显[图11(a)]，表明试样剪切过程仅沿界面间产生摩擦滑动；当齿面角度为其他设定值时，试样剪切过程均有明显剪胀现象，且剪胀位移呈先增大后稳定变化的趋势[图11(a)]。其演化过程可划分为4个阶段：①齿面挤密阶段，持续时间短，接触齿面在水平剪切推力作用下不断被挤密闭合，剪胀位移小；②齿间滑动阶段，持续时间长，水平剪切推力首先克服齿面间摩擦阻力，使试样沿界面产生爬坡滑动，剪胀位移近恒定速率快速增长，试样剪胀效应显著；③齿面剪断阶段，剪胀位移呈衰减式增长，并出现“跳跃”现象，表明接触齿面瞬间被剪断，剪胀位移“跳跃”式增长，且齿面角度越大，含水率越低，干密度越大，剪胀位移“跳跃”现象越明显，这与该条件下试样更易脆性剪断有关；④界面摩擦阶段，剪胀变形逐渐平稳并趋于峰值，此时试样仅沿剪断界面间产生摩擦滑动。

不同齿面角度、含水率、干密度对界面试样最大竖向剪胀位移影响规律不同(图12)。从图12可以看出，试样最大竖向剪胀位移随齿面角度呈先增大而后减小的趋势[图12(a)]，这与试样剪切破坏模式有关。当齿面角度较小时，试样剪切破坏模式为齿间滑动，因此，最大竖向剪胀位移随齿面角度增大而增大；当齿面角度较大时，齿面剪断破坏模式逐渐出现，齿间滑动距离越来越短，因此，最大竖向剪胀位移又随齿面角度增大而逐渐减小。试样最大竖向剪胀位移随含水率增大而逐渐降低[图12(b)]，这是由于高含水率导致试样强度降低，破坏模式更趋于齿面剪断，试样沿齿间滑动距离逐渐减小，所以最大竖向剪胀位移逐渐减小。试样最大竖向剪胀位移随干密度增大而增大[图12(c)]，这是由于干密度大的试样齿面强度更大，破坏模式逐渐由齿面剪断向齿间滑动过渡，试样沿齿间滑动距离越来越大，所以最大竖向剪胀位移不断增大。

2.4 剪切强度特性

2.4.1 峰值强度

图13为不同试样对峰值强度的影响。从图13可见，界面存在显著降低了峰值强度，与黄土、三趾马红土试样相比，界面试样峰值强度降低了50%～83%。为了进一步分析界面试样峰值强度影响因素，绘制界面试样峰值强度随界面接触条件的变化曲线(图14)。从图14可见，当齿面角度为0°时，峰值强度随法向应力呈线性变化[图14(a)]，符合线性Mohr-Coulomb强度准则。当齿面角度不为0°时，峰值强度随法向应力呈非线性增长，并且齿面角度越大，含水率越高，干密度越小，峰值强度非线性变化特征越明显。峰值强度随齿面角度增大而增大，但增幅随法向应力增大而增大[图14(a)]；峰值强度随含水率增大而降低，在高法向应力下降幅更大[图14(b)]；峰值强度随干密度增大而增大，增幅也随法向应力增大而增大[图14(c)]。

图12 不同法向应力下界面试样最大竖向剪胀位移变化Fig.12 Variations of Maximum Shear Vertical Dilatancy Displacement of Interface Samples Under Different Normal Stresses

图13 不同试样的峰值强度变化Fig.13 Variations of Peak Strength of Different Samples

为分析界面接触条件对峰值强度影响敏感性，绘制峰值强度随界面接触条件变化的三维模拟(图15)。从图15可见，界面试样峰值强度随齿面角度变化最敏感，随含水率变化次之，随干密度变化敏感度最低。峰值强度随界面接触条件变化的敏感度又受法向应力影响，高法向应力下变化敏感度更高。

图14 界面试样峰值强度随界面接触条件的变化Fig.14 Variations of Peak Strength of Interface Samples with Interface Contact Conditions

图15 峰值强度随界面接触条件变化的三维模拟Fig.15 Three-dimensional Simulation of Variations of Peak Strength with Interface Contact Conditions

图15(a)表明，界面试样峰值强度随法向应力、齿面角度增大均呈非线性增大，其中随法向应力变化更敏感。而且，齿面角度越大，界面试样峰值强度随法向应力变化幅度越大，这与试样剪切破坏模式有关。高齿面角度、高法向应力下，试样剪切过程中沿齿间滑动的摩擦阻力越大，试样剪切破坏模式更趋向于齿面剪断，因此，峰值强度逐渐增大。但随着齿面角度、法向应力不断增大，齿面剪断位置越来越接近齿面根部，齿面剪断面积越来越大，因此，峰值强度随齿面角度、法向应力增大幅度越来越小。

图15(b)表明，界面试样峰值强度随含水率增大而降低，随法向应力增大而增大，其中随法向应力变化更敏感。法向应力越大，峰值强度随含水率变化幅度越大，这与试样剪切破坏模式有关。高法向应力下，试样趋向于齿面剪断破坏，而剪断齿面土体强度受含水率变化影响，强度软化明显，因此，高法向应力下，峰值强度随含水率变化幅度更大。低法向应力下，试样剪切破坏模式主要为齿间滑动，但含水率变化对齿面间摩擦强度影响有限，因此，峰值强度随含水率变化幅度有限。

图15(c)表明，界面试样峰值强度随干密度、法向应力增大而增大，其中随法向应力变化更敏感。法向应力越大，峰值强度随干密度变化幅度越大，这与试样剪切破坏模式有关。高法向应力下，试样剪切破坏模式趋向于齿面剪断，而干密度增大提高了剪断齿面土体强度，因此，峰值强度随干密度变化幅度大。低法向应力下，试样剪切破坏模式主要为齿间滑动，而干密度变化对齿间摩擦强度影响有限，因此，干密度变化对峰值强度影响有限。

2.4.2 残余强度

残余强度可反映试样剪断后沿剪断界面间的摩擦强弱。图16为界面试样残余强度随界面接触条件的变化。

图16 界面试样残余强度随界面接触条件的变化Fig.16 Variations of Residual Strength of Interface Samples with Interface Contact Conditions

从图16(a)可见，界面试样齿面角度越大，残余强度越大，这与试样剪切破坏模式有关。齿面角度较小时，试样剪切破坏模式为齿间滑动，残余强度为光滑齿面间的摩擦强度；随着齿面角度增大，试样趋于齿面剪断破坏，残余强度为粗糙剪断齿面间的摩擦强度，并且齿面角度越大，剪断面积越大，齿面间摩擦强度越大，因此，界面试样残余强度越大。

由图16(b)可见，界面试样残余强度随含水率变化规律不明显。当法向应力低于200.0 kPa时，残余强度随含水率增大而增大，与峰值强度变化规律相反，这与剪切破坏模式有关。含水率越高，试样剪切破坏模式越趋于齿面剪断，且齿面剪断位置距离齿面根部越来越近，齿面剪断面积越大，进而剪断后试样沿剪断面摩擦面积越大，界面间摩擦强度越大，因此，残余强度越大。但当法向应力高于200.0 kPa时，残余强度随含水率增大而减小，虽然试样剪切破坏模式随含水率增大而趋于齿面剪断，并且齿面剪断面积不断增大，但由于高含水率软化土体降低了粗糙剪断界面间的摩擦强度，所以残余强度随含水率增大而逐渐减小。

由图16(c)可见，干密度越大，界面试样残余强度越低，与峰值强度变化规律相反，这与试样剪切破坏模式有关。干密度越大，试样剪切破坏模式从齿面剪断逐渐向齿间滑动-齿面剪断过渡，且齿面剪断位置距离齿面根部越来越远，齿面剪断面积越小，进而试样剪断后沿剪断齿面摩擦面积越小，界面间摩擦强度越小，因此，残余强度越低。