片麻岩类堆积层滑坡滑带土特性研究——以黄冈地区为例

王志刚,朱文慧,石 威,陈 兵,王 超

(湖北省地质局 第三地质大队,湖北 黄冈 438000)

滑带土是指滑坡发生和发展过程中,在特定的物理化学条件下形成的一种结构破碎、厚度不等的岩土体,它由各种黏土矿物和非晶体物质组成,是滑坡的重要组成部分,是影响滑坡变形演化和稳定的关键因素[1-3]。国内外学者基于不同视角和方法,针对滑带土开展了大量细致而深入的研究。在滑带土力学特征方面,叶火炎等[4]利用三轴固结不排水剪切试验,发现滑带土的应力—应变曲线增长速率变化点随着颗粒级配分形维数的增加而呈增长趋势;蒋秀姿等[5]通过直剪蠕变试验,发现滑带进入加速蠕变的临界剪应力和剪切速率均与正应力线性正相关;易庆林等[6]通过直剪试验,发现应变硬化型滑带土在滑坡变形过程中,经剪切后摩擦强度增大,减少了滑坡的动能,滑坡经过短距离滑动后可能出现暂时性止滑的现象;辛鹏等[7]利用地质剖面计算和动态数值模拟等,揭示了黏土岩质滑带塑性流动挤出的控滑机理。在滑带土残余强度方面,王顺等[8]指出在已存在剪切带的滑带土中,环剪时能快速达到残余强度状态,而且其强度随有效法向应力的增加而增大;Bhat et al.[9]通过区别土样来研究滑坡土在残余剪切状态下的强度恢复情况;陈晓平等[10]通过室内环剪试验,总结了含砂黏土与一般黏性土在应变软化特征方面的不同,指出粗颗粒的含量对残余强度值呈分段式影响,随着粗砂含量增加,等效残余内摩擦角增高趋势显著。在滑带土微观结构方面,张先伟等[11]基于对软土蠕变过程中微观结构变化的研究,揭示了软土蠕变特征和变形机制;王洪兴等[12]通过滑带土黏土矿物定向性分析,认为滑带土主要发育中等定向性的黏土矿物颗粒,并具一定的胀缩性及胀缩的不均匀性;Chen et al.[13]研究滑带土微观结构时,发现滑带土具有软弱结构和孔隙度高的特点,其细粉颗粒和黏土颗粒组成表明滑带土经历了膨胀和颗粒重排的变形过程。

综上所述,关于滑带土力学特征、残余强度、微观结构等方面的研究已取得了诸多成果,而针对某一特殊地层滑坡的滑带土特性研究较少。本文以黄冈地区典型的片麻岩类堆积层滑坡为研究对象,运用不同的试验方法,针对滑带土的结构特征、物理性质和矿物组成等,进行详细地阐述和分析,希望通过此研究为黄冈地区片麻岩类堆积层滑坡的防治提供一些理论依据。

1 研究区概况

黄冈市地处大别山南麓,属秦岭复合造山带的东延部分和根带。该地区广泛分布片麻岩地层和岩浆岩,其中片麻岩地层覆盖黄冈市全域面积约49%。滑坡是黄冈地区主要的地质灾害类型之一[14],截至2021年12月,各类地质灾害点登记在册共1 029处,其中滑坡617处,占比为60.0%;而片麻岩类堆积层滑坡共计534处,占全部滑坡的86.5%,在黄冈市十个县(市、区)广泛分布[15](图1)。

2 试验方案

2.1 样本

为探讨黄冈地区片麻岩类堆积层滑坡滑带土的特性,本次共选取8个典型滑坡作为研究对象(表1)。根据物质组成的不同,将这些滑坡分为块状较坚硬的Ⅰ类滑坡——花岗质片麻岩堆积层滑坡和片状软弱—较坚硬的Ⅱ类滑坡——斜长片麻岩堆积层滑坡。取样类型包括原状土和重塑土,原状土通过环刀在滑坡未扰动断面处获取,用塑料膜和胶带及时密封;重塑样则直接在未扰动断面及探槽侧壁处获取,装入自封袋及时密封。

表1 样品统计表

2.2 试验方法

(1) 颗粒分析试验:测定土样中各粒组占该土总质量的百分比,测定>0.075 mm的土颗粒采用筛分法,测定≤0.075 mm的土颗粒采用密度计法。

(2) 物理力学指标试验:包括直剪试验测定抗剪强度、烘干法测定天然含水率、环刀法测定天然密度、比重瓶法测定比重、液塑限联合测定法测定液限和塑限。

(3) X射线衍射分析:查明土样中矿物成分特征,仪器为X’Pert PRO DY2198型X射线衍射仪。

(4) 电镜扫描试验:获取滑带土的微观结构特征,仪器为FEI Quanta200型环境扫描电子显微镜。

3 滑带土特性

3.1 颗粒特征

按照《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007),土颗粒分为砾粒(>2 mm)、砂粒(0.075～2 mm)、粉粒(0.005～0.075 mm)和黏粒(≤0.005 mm),据此将土样进行了分类,结果见表2。由表2可知,Ⅰ类滑带土中砾粒、砂粒、粉粒、黏粒含量分别为23.00%、62.63%、14.19%、0.18%,Ⅱ类滑带土中砾粒、砂粒、粉粒、黏粒含量分别为27.87%、51.86%、19.07%、1.20%,Ⅰ类滑带土中砾粒和砂粒含量(合计85.63%)高于Ⅱ类滑带土(79.73%),表明Ⅰ类滑带土中粗颗粒含量更高。但总体而言,两类滑坡滑带土均呈现粗颗粒化,黏粒含量极低,使得颗粒内部的黏结作用弱,表现出松散及水稳定性差的特点,也使得滑坡在降雨入渗或人工扰动作用下,易发生变形滑动。

表2 滑带土颗粒特征

从颗粒分维度来看,Ⅰ类滑带土分维度均值为2.555,低于Ⅱ类滑带土的2.584。研究认为土壤分维度随着土壤颗粒直径的减小而增大[16],这与前述Ⅱ类滑带土中粉粒、黏粒含量高于Ⅰ类的结论相吻合。变异系数是一种常用来衡量观测数据离散程度的统计指标[17],一般认为,变异系数<0.1指示观测数据具弱变异性[18]。两类滑带土分维度的变异系数分别为0.018和0.026(表3),均<0.1,表明黄冈地区片麻岩类堆积层滑坡的滑带土颗粒的分维度离散程度低,属于弱变异性。

表3 滑带土颗粒分维度的统计学特征

3.2 物理性质

滑带土的物理性质指标测试内容包括天然含水率、干密度、比重、天然密度、孔隙比、孔隙度、饱和度、液限和塑限等。由表4可知,Ⅰ类滑带土的天然含水率为13.1%～34.9%(均值为25.68%)、干密度为1.157～1.617 g/cm3(均值为1.367 g/cm3);Ⅱ类滑带土的天然含水率为20.1%～27.4%(均值为23.85%)、干密度为1.363～1.500 g/cm3(均值为1.446 g/cm3),可以看出两者的天然含水率都较高,但Ⅰ类滑带土的变化幅度更大,且两者干密度都较低。高含水率和低干密度在一定程度上反映了滑带土内部黏结效果差、土体强度低。Ⅰ类滑带土的液限均值为43.75%、塑限均值为16.50%、塑性指数均值为27.25;Ⅱ类滑带土的液限均值为42.75%、塑限均值为16.25%、塑性指数均值为26.50,说明两类滑带土的液塑限指标十分接近,但Ⅰ类滑带土都略高于Ⅱ类滑带土。

表4 滑带土物理性质指标

3.3 矿物组成

滑带土样品X射线衍射分析结果如表5所示,可知两类滑带土的矿物成分主要有蒙脱石、累托石、伊利石、石英、钠长石和钾长石等。以蒙脱石、累托石和伊利石为主的黏土矿物因其亲水性和胀缩性,在水的作用下极易膨胀造成土体变形和抗剪强度降低,对边坡的稳定性造成潜在威胁,该类黏土矿物可作为揭示滑坡成因的重要指示性矿物[19]。Ⅰ类滑带土中蒙脱石、累托石和伊利石三种黏土矿物的含量为22.69%～61.28%,Ⅱ类滑带土中的含量为15.80%～79.26%,Ⅱ类滑带土的黏土矿物含量高于Ⅰ类滑带土。两类滑带土中石英、长石等碎屑矿物含量也较高,Ⅰ类和Ⅱ类滑带土中石英含量分别为18.09%～33.11%、10.64%～31.79%,两者比较接近;长石(钾长石+钠长石)含量分别为7.21%～45.13%、7.00%～70.20%,前者的极值更小。因钾长石和钠长石具有风化敏感性,在基岩差异风化过程中,Ⅱ类滑带土更易形成风化或节理裂隙面。

表5 滑带土矿物组成指标

3.4 微观结构

从两类滑带土中各选取2组样品进行扫描电子显微镜微观结构测试,显微照片如图2所示。从图2-a～d可知,在低放大倍数时,Ⅰ类滑带土颗粒大,形状极不规则,晶体结构松散,矿物结构模糊,孔隙或裂隙发育且大小差异明显;随着放大倍数的增加,可以看到在孔隙中有衬垫及填充,有时可见杂乱堆积状态,这种松散的结构为水的下渗提供了良好的通道,促进了孔隙间的联系和贯通结构面的形成,促使坡体整体失稳。与Ⅰ类滑带土相比,Ⅱ类滑带土(图2-e～h)颗粒细且更加紧密,整体呈片状或叠片状排列,颗粒之间的接触多为面—面接触,孔隙或裂隙大小相对较小;随着放大倍数的增加,可以看到大颗粒周围开始出现紧密依附的小颗粒,这种聚集的形态对于雨水的入渗和孔隙间的贯通具有一定阻塞作用。

4 滑带土强度参数的影响因素分析

4.1 强度参数测定

为了解黄冈地区两类片麻岩类堆积层滑坡滑带土的强度特性,对采集的8组样品进行了天然工况和饱和工况下的直剪试验,主要抗剪强度参数见表6。两类滑带土在两种工况下的黏聚力均值几乎相同,这与两类滑带土的矿物成分特征相吻合;但在内摩擦角均值上,Ⅱ类滑带土较Ⅰ类滑带土都有所增高,这一结果可以用Ⅱ类滑带土具有比Ⅰ类滑带土更紧密的微观结构特征进行较好地解释。相比天然工况,饱和工况下滑带土的黏聚力变化幅度较大,两类滑带土的黏聚力分别下降了47.9%和49.1%,黏聚力的下降反映了土体抗剪强度的下降,进而易于形成软弱夹层,为滑坡的形成提供了物质基础。

表6 滑带土抗剪强度指标

4.2 影响因素分析

为了探究黄冈地区两类片麻岩类堆积层滑坡滑带土的抗剪强度参数与分维度、含水率、干密度等因素之间的相关性,分别从Ⅰ类滑带土中选取Ⅰ-PTL样品,Ⅱ类滑带土中选取Ⅱ-YEY样品进行正交试验设计,制备不同分维度、含水率和干密度的重塑土样,开展直剪试验。正交试验采用的各影响因子与因子水平如表7所示,其中第一列中-1、0、1分别代表低、中、高水平。正交试验结果如表8所示,并据此利用ANOVA方法进行方差分析,结果如表9所示。

表7 正交试验的影响因子与因子水平

表8 正交试验计算结果

表9 滑带土抗剪强度参数的方差分析

滑带土抗剪强度参数方差分析结果(表9)表明,对于Ⅰ类滑带土,含水率对黏聚力和内摩擦角影响的主体效应均不显著(P>0.05),干密度对黏聚力和内摩擦角影响的主体效应均显著(P<0.05),分维度对黏聚力和内摩擦角影响的主体效应均不显著(P>0.05),3个影响因素对黏聚力和内摩擦角的影响从大到小依次为干密度、含水率和分维度。对于Ⅱ类滑带土,含水率对黏聚力影响的主体效应显著(P<0.05),对内摩擦角不显著(P>0.05);干密度对黏聚力和内摩擦角影响的主体效应均显著(P<0.05);分维度对黏聚力和内摩擦角影响的主体效应均不显著(P>0.05),3个影响因素对黏聚力和内摩擦角的影响从大到小依次为干密度、含水率和分维度。

5 结论

通过对黄冈地区片麻岩类堆积层滑坡的滑带土进行调查和多项试验研究,得出以下结论:

(1) 从颗粒特征来看,相较于Ⅱ类滑带土,Ⅰ类滑带土具有更高的粗粒(砾粒和砂粒)含量,约高6%,但两类滑带土均呈现粗粒化特征;Ⅰ类滑带土分维度均值(2.555)略低于Ⅱ类滑带土(2.584),但两者的变异系数均<0.1,属于弱变异性。从微观结构来看,Ⅰ类滑带土结构松散、孔隙发育,为水的下渗提供了通道,而Ⅱ类滑带土颗粒间联系更为紧密,整体呈片状或叠片状排列,这种聚集的形态对水的下渗和孔隙间的贯通具有一定阻塞作用。

(2) 在物理性质方面,两类滑带土表现出含水率高、干密度低的特点,表明滑带土内部黏结效果差、土体强度低。

(3) 矿物成分测试表明,两类滑带土中普遍存在大量以蒙脱石、累托石和伊利石为主的黏土矿物,遇水极易膨胀,导致土体强度降低,对滑坡稳定有着潜在威胁。

(4) 滑带土的直剪试验结果表明,两类滑带土的黏聚力均值几乎相同,但在内摩擦角均值上,无论是天然工况还是饱和工况,Ⅱ类滑带土较Ⅰ类滑带土都有所增高,说明堆积层滑坡之间主要依靠摩擦强度维持,而非黏结强度。在饱和工况下,两类滑带土的黏聚力分别下降了47.9%和49.1%,随着含水率的增高,土体内部结合水膜的黏滞阻力降低,容易形成软弱夹层。正交试验表明,含水率、干密度、分维度对滑带土抗剪强度参数(黏聚力和内摩擦角)的影响从大到小依次为干密度、含水率和分维度。