黄土细观界面及其灾害效应研究初探*

赵鲁庆 彭建兵 马鹏辉 冷艳秋 朱兴华

(①长安大学地质工程与测绘学院,西安 710054,中国)(②西部矿产资源与地质环境教育部重点实验室,西安 710054,中国)

0 引 言

全球黄土主要分布在北纬74°和北纬29.5°之间的干旱及半干旱地带,呈带状展布。起自中国西安,经中国酒泉、中国敦煌、中亚国家、阿富汗、伊朗、伊拉克、叙利亚等而达地中海,以罗马为终点。黄土高原是我国乃至世界黄土分布面积最大、黄土发育最完整、唯一正在堆积的年轻高原(刘东生,1985)。

近年来,随着“西部大开发”和“一带一路”倡议的逐步实施,大规模的平山造城、治沟造地、固沟保塬和生命线等重大工程建设纷纷登上黄土高原的舞台,这些重大工程建设的规模之大、范围之广、类型之新,国内外罕见,使得黄土高原获得了前所未有的发展机遇。同时也带来了前所未有的重大灾变隐患和安全风险,特别是边坡大规模溃散性失稳破坏的风险日益加剧(Zhang et al.,2009; Peng et al.,2015,2016a,2016b,2017)。Nature杂志专门发表文章呼吁学者尽快展开科学研究,应对大规模工程建设给黄土高原带来的各种新问题(Li et al.,2014)。大规模工程建设的长周期循环加卸载作用破坏了黄土高原初始平衡状态,导致地质环境越发脆弱,黄土灾害发生频率和强度显著增高,规模和范围快速扩大(彭建兵等,2014,2016;Xu et al.,2014;Zhang et al.,2014)。在人类活动强度增加等因素的共同作用下,灾变机理趋于复杂,黄土高原遭受破坏的风险加剧(Zhou et al.,2002; 彭建兵等,2008,2012,2014,2016; Peng et al.,2013)。平山造城工程带来的特大填方工程病害和高边坡失稳等工程灾变,严重影响当地的水资源环境(Li et al.,2014; Li et al.,2016; Yin et al.,2016; Zhao et al.,2017),其诱发的环境问题及长期灾变效应已引起了国内外学术界的高度重视(Li et al.,2014; 彭建兵等,2016)。治沟造地工程带来边坡失稳、沟道泥流、挡土墙溃坝、田块积水、土壤盐碱化、黄土农田湿陷等灾变问题(张信宝等,2015; Zhang et al.,2006; 贾俊等,2013; 王衍汇等,2014)。固沟保塬工程有效抑制了黄土高原强烈沟道侵蚀,避免全球最大的黄土塬——董志塬消亡,但其工程灾变问题同样需要引起重视,否则适得其反。受各种不同类型的大规模工程建设的影响,黄土高原地区地质环境脆弱性增加,重大工程灾变风险威胁加重,严重阻碍了国家“西部大开发”的持续推进、“一带一路”倡议的顺利实施和区域社会经济的可持续发展。

同时,黄土特殊的工程地质特性也使得重大工程的建设面临着严峻的挑战,黄土高原正遭受着前所未有的重大工程灾变威胁(刘保健等,2005; 卢全中等,2005; 姜规模,2009; Li et al.,2014; 彭建兵等,2016)。黄土是一种土性特殊的易灾土(Lutenegger,1981; Fredlund et al.,1993; Jiang et al.,2014; Smalley et al.,2014),具有脆弱的结构性和极强的湿陷性(Gao,1988; 王景明,1996; 彭建兵等,2008),对工程扰动具有高度敏感性(彭建兵等,2012; Jiang et al.,2014)。黄土的敏感灾变性使得工程灾变机制特殊,极易发生性质改变,直接导致工程失稳或次生灾害,预报防治极为困难(彭建兵等,2014,2016; 朱兴华等,2017)。其中:结构性和水敏性是黄土工程灾变之源。受区域构造活动及地球内动力活动影响,黄土高原区域内发生不同程度的抬升和构造活动,使得地表土层变形,黄土体中分布大量不同性质、不同成因、不同规模、不同时期、不同形态的裂隙(缝)(刘东生,1985),使得黄土结构更加差异化。分割黄土体的裂隙,称之为结构面(卢全中等,2005)。结构面的存在使得黄土体各向异性,土性恶化; 是侵蚀土壤、洞穴的优势面,加剧水土流失; 是孕育地质灾害的控制和分离面,使得黄土高原地裂缝、滑坡、崩塌、地面塌陷等灾害频繁发生。同时,也是地下水的运移和存蓄的通道和场所(卢全中等,2005)。黄土结构面对土体工程性质及工程问题的影响已引起有关学者的关注(张咸恭等,2000; 孙广忠等,2004),并展开一系列研究(卢全中等,2006; 王根龙等,2011; 王铁行等,2012; 叶万军等,2016)。而超大规模的平山造城、治沟造地等工程,改造了黄土的自然地形地貌,产生了大尺度的高填方边坡和深填方地基,在黄土挖填方过程中,形成了大量黄土人工界面。黄土人工界面破坏了黄土初始结构,改变了黄土体天然强度,成为滑坡灾害的潜在滑动面,同时加剧了水流入渗,是黄土工程地质问题的重要影响因素,使得黄土工程地质灾变发育规律不清,介质致灾行为不明,水诱灾机制不清,工程扰动因素多变,灾变演化过程复杂。重大工程与黄土相互作用、互为制约,诱发和激增着新的工程灾变问题,为保障“一带一路”和西部大开发战略有效实施的迫切需要,保障黄土地区人居安全和社会稳定的迫切需要,亟需突破黄土地质结构与水循环模式及介质灾变力学行为理论研究,科学应对黄土高原国家重大工程灾变效应、工程控制及防控措施。

为阐明地质结构、水、土是如何相互作用孕育灾变的科学问题,需先调查并确定不同层面黄土地质结构的发育规律,揭示黄土地质结构孕育工程灾变的机制与模式。界面是指物质相与相之间的分界面,也是两相之间的接触面(图1a)。物理意义上的界面不只是指一个几何分界面,也指一个薄层。在地质学中,界面即是不连续面,它包括一切地质分离面,比如地球内部不同圈层的分界面。在黄土中,存在着大量性质不同、力学行为不同,规模大小不一的结构面,也存在着人类活动改造黄土形成的人工黄土界面。这些结构面、人工黄土界面作为分割黄土体的不连续面,统称为黄土界面,其本质是地质缺陷(图1b)。黄土界面是黄土灾变的本底控制因素(彭建兵等,2014)。根据界面对黄土体的切割作用及灾变效应,可将黄土界面分为巨观界面、宏观界面、细观界面和微观界面(表1)。其中:黄土细观界面是指分布在黄土体中肉眼可见的,破坏土体局部连续性的,能将完整土体进行切割、分离的不连续面,包括裂隙、孔洞和异物接触面(图1c)。经野外调查统计,细观界面的尺寸主要集中在长度:1.0×10-3～1.0×101m,宽度:1.0×10-3～1.0×10-2m的规模范围内。孔洞中的气-土接触面也是种界面,这种分割土体的空间曲面同样破坏了局部土体连续性。20世纪30年代,土体细观裂隙对地基变形破坏和边坡失稳的影响已经引起人们的注意(孔令伟等,2001)。60年代,Fookes et al.(1969)开始关注裂隙对工程建设的影响。裂隙对地基、边坡、堤坝工程带来一系列工程问题和地质灾害。多条高速公路建设或运营过程中,受土体裂隙发育影响,出现边坡失稳,带来较大的经济损失和工程安全隐患(陈维雄,1975; 杜春辉,1985)。在渠道运行过程中,渠基土内部细观界面发育引发渠坡浅层土体剥落,导致渠道边坡发生浅层失稳(邓铭江等,2020)。在边坡渐进破坏失稳模式中:最先出现的现象是局部破坏,随着细观界面发育的扩展,逐步侵蚀邻近区域土体,劣化土体强度与稳定性(王庚荪,2000)。Basma et al.(1996)研究发现收缩裂缝处出现应力集中现象。胡卸文等(1994)试验发现重塑试样的抗压强度是原状试样的 1.9～2.4 倍,含裂隙的试样抗压强度随裂隙倾角增大而显著下降。细观界面的存在不但降低了边坡岩土体的强度,而且产生显著的“优势流”效应,加速地表水的下渗,改变了土体饱和度和基质吸力,导致土体边坡更容易出现变形失稳(马佳等,2007)。Albrecht et al.(2003)的研究结果表明,裂隙可使整体水导率提高500倍。彭建兵等(2014)提出黄土地质灾害研究中黄土地质结构的重要性,黄土细观界面破坏土体强度的同时改变水渗流模式,在黄土灾害孕灾机制中有着不可忽略的地位。文中试对黄土细观界面的几何特征、发育演化规律及灾害效应做出总结和描述,以期引起广大学者的重视和奠定黄土界面灾害效应研究的理论基础,为黄土灾害的防灾减灾研究提供科学参考。

图1 黄土界面示意图

表1 黄土界面分类

1 黄土细观界面的成因与分类

通过野外调查发现,黄土细观界面分布广泛,常常发育在节理裂隙两侧,植物根系生长的土体内,坡面,地表等。依据土体的地质结构条件及外界环境因素,总结得出4种黄土细观界面发育的驱动力,据此将黄土细观界面按成因分类为物理力学成因、生物活动成因、水-土耦合成因以及风化成因。另外,黄土中存在着非黄土类异相物质,这些物质与黄土接触的界面也是细观界面的一种。故将黄土细观界面分为5类。

1.1 物理力学成因

黄土中存在着不同类型的节理,按成因可分为构造节理和非构造节理,非构造节理包括原生节理、风化节理、卸荷节理等。黄土构造节理倾角较缓,力学性质清晰,可分为扭裂面、张裂面、张扭面、压扭面和挤压面,其中扭裂面最为典型。黄土构造节理具有区域性分布,系统性明显,节理走向按序偏转,位错同步的特点(王景明等,1985)。黄土原生节理是黄土成岩过程中的产物,在各类黄土层中发育(潘德扬,1958)。黄土原生节理多与黄土分层层理垂直,有的近乎平行,有的斜交。原生节理一般不穿越黄土分层,分布密度较构造节理大。黄土垂直节理是原生节理的一种,Richthofen et al.(1882)曾认为黄土垂直节理是植物根系作用的结果,大多数学者(潘德扬,1958; 李同录等,2014)认为由于黄土具有多孔性结构,经历干湿循环后,水在黄土中有着物态上的转变,引起黄土孔隙结构的变化,减少孔隙度,土体收缩,导致垂直方向上是土体开裂,形成黄土垂直节理。当黄土卸荷失去压缩力束缚时,土体向自由空间膨胀,形成卸荷作用下的黄土节理,大致平行与黄土沟坡倾向,与黄土层面、构造节理和原生节理关系不大,属于张节理,节理面弯曲。黄土卸荷节理靠近土体表面分布密集,向土体内随深度增加而变稀疏,主要分布在黄土沟谷陡崖等坡壁表层几米厚的黄土中。

经野外调查发现,节理裂隙两侧发育大量细观界面。节理裂隙作为黄土体结构缺陷,使得土体结构更加差异化的同时改变了土体内部的应力场,当节理裂隙两侧土体内的应力增大至抵消土体抵抗强度时,土体开裂形成切割土体的细观界面。在重力及其他荷载的驱动下,细观界面进一步发育演化,形成切割节理裂隙两侧土体的界面网。由节理裂隙衍生的细观界面沿节理裂隙两侧将土体切割形成土体破碎带,降低坡面土体完整性和强度(图2)。

图2 物理力学成因细观界面

1.2 生物活动成因

黄土中生活着各种动、植物,它们在土体中的生存活动会对土体造成破坏,使得土体开裂、成孔,破坏了黄土体的连续性,形成分割土体的界面。在新鲜开挖面上可清晰观察到土体中分布有包围植物根系的类管状空间通道,这种空间通道是植物根系在土体内部生长发育时形成的,其空间几何形态与根系形态密切相关,称之为植物根系通道细观界面(图3a)。为获取更多生长养料,植物根系在土中进行侧向发育,可在土体坡面上观察发现大量根系出露。根系破土而出时,表层土体破裂,形成以根系出土点为中心向四周扩展的裂隙网。这些裂隙也是细观界面的一种。由于这种细观界面形成的主要驱动因素是土体受植物根系穿透劈裂作用产生的破碎效应,并非植物根系自身形成的,因此将其称之为植物根系穿透土体派生细观界面(图3b)。黄土中还生活着各种虫兽动物,它们在黄土中以挖掘的形式为产卵繁衍、捕食、居住等生存行为提供活动空间,在黄土体内形成大小不均、走向曲折的孔洞廊道。这是一种空间形态为多孔串联节点式管状通道的黄土细观界面,称其为虫兽活动行为细观界面(图3c)。当虫兽在土体中挖掘的洞穴分布密集时,相邻孔洞间土体应力重分布形成应力集中,通过应力释放萌生孔洞贯穿裂隙,进一步分割土体,加剧土体破碎化,劣化土体强度。

图3 生物行为成因细观界面

1.3 水-土耦合成因

黄土是一种典型的具有大孔隙、弱胶结的结构特性以及强烈水敏性的特殊土体,主要由粉粒组成。黄土中的基质吸力和溶质吸力之和简称为吸力,含水量越大,吸力越小。黄土受降雨灌溉后,土体含水量增大,随后水分又蒸发转移至地表空气中。期间,受黄土水敏性影响,黄土遇水吸力减小(Fredlund et al.,1993),黄土强度降低,水分蒸发后土体干燥,吸力变化导致拉张应力发展,当拉张应力超过土体抗拉强度时,土体开裂释放土中的应变能,在土体表面形成纵横交错的拉张裂缝(唐朝生等,2012; 潘德阳,1958)。此类由于黄土干湿循环导致地表形成切割土体的拉张裂缝,称为干湿循环细观界面,其分布犹如网格(图4a)。张拉裂缝的产生直接破坏了土体的整体结构,形成许多潜在破坏面,使得土体的抗剪强度降低,并且往往为雨季的降雨入渗提供优势通道。黄土水敏性还表现为湿陷性,黄土的湿陷变形是一个多因素控制的变形破坏过程(胡瑞林等,1999)。在微观结构层面上,黄土的粒状架空结构为湿陷变形提供了空间条件(高国瑞,1979)。从物理化学上,黄土遇水后,水改变了土体中的黏土矿物成分,使得矿物溶解,土中的伊利石向摩阻力更低的蒙脱石转变(Anson et al.,2002),降低了黄土强度。从力学机制上,含水量增大使得吸力降低,最终导致土体强度损失。在多种因素控制下,黄土遇水发生湿陷沉降变形破坏,在土体表面形成分割裂缝,称其为湿陷沉降细观界面。湿陷沉降细观界面以沉降中心为圆心呈同心圆分布(图4c)。野外观察发现,水-土耦合作用下的两种细观界面在发育演化过程中具有桥接现象(图4b),即同心圆形向网格状过渡。

图4 水-土作用成因细观界面

1.4 风化细观界面

黄土经历风化作用,表层土体被切割形成薄壳状、不规则柱体状等分裂碎块。这些由风化作用形成切割黄土破碎块体的裂隙,称为黄土风化细观界面(图5)。黄土风化细观界面,主要是由原有裂隙的扩宽和加深以及新的风化裂隙的发育而生成的。风化细观界面的形态复杂,弯曲变化无常,分布密集且杂乱无章,其分布密度由地表向土体内部迅速减少。黄土风化界面发育的驱动因素复杂,主要包括冻融循环、昼夜温差、干湿循环及化学作用的多种影响。在冻结状态下,土体中的自由水冻结成冰,水的液-固相变化使得体积变大并对周围土体产生冻胀力,在冻胀力的挤压作用下土体发生冻胀变形。但在融化过程中该变形不能完全恢复,从而加剧了土体内胀缩、损伤等一系列物理、力学的交替循环过程,使得土体开裂形成冻融循环损失裂隙(杨更社等,2002)。在降雨灌溉期,黄土不断经历浸湿、干燥,土体受膨胀、收缩相间作用,形成拉张裂隙。在风化带,黄土中的不稳定矿物分解和新矿物生成的生物化学反应和化学作用亦促进风化界面发育。昼夜温度变化使得黄土剥离,白天黄土表面晒热,表面变热薄层与内部较冷土体分离,夜晚表面土体冷却,薄层体积缩小发生分裂,形成不规则的薄壳状的破碎土块,当裂隙较深时,也会形成破碎柱状结构。

图5 风化成因细观界面

1.5 异相接触面

生物活动及环境变化在黄土地层中留下非黄土介质物质,比如:虫兽繁衍的卵巢、蜗牛壳、砾石等(图6),这种非黄土类介质与黄土的接触面,亦是一种细观界面,称为异相接触面。这种异相接触面以界面的形式改变了黄土介质分布的局部连续性,但并不破坏黄土地层的连续性。当黄土受到外界荷载及降雨入渗时,黄土与异类介质接触的界面成为应力传递和渗流路径的重要阻碍,使得应力传导路径受阻,发生能量集中,改变渗流方式,为界面的发育扩展提供准备。

图6 异相接触细观界面

1.6 黄土细观界面成因机理分析

黄土是一种风化沉积物,风化颗粒物质经过风力搬运、大气分选,下降沉积,形成松散多孔堆积物。黄土中的大颗粒相互支架,细小颗粒附着在大颗粒表面,形成以支架大孔隙为主,镶嵌小孔隙为次的黄土结构。黄土在外动力作用下开裂形成各种结构面(张咸恭,2000; 郭力宇等,2002)。冯连昌等(1982)提出黄土开裂的3个重要原因包括黄土结构特性,水平张力及风化作用。唐朝生等(2012)认为力的作用和收缩空间是土体开裂的两个必要条件。黄土细观界面的萌生及扩展表现为土体的开裂与破坏。

土体开裂时拉应力具有重要启裂作用。在荷载作用下,土体内部产生应力集中现象,联结较弱的土颗粒排列次序发生调整,即土微结构重组,当重组结构强度不满足应力状态的要求时,土体内部聚集的能量通过土体开裂的方式释放,从而造成裂隙萌生及扩展。王正贵等(1993)指出大孔隙结构是黄土节理裂隙形成的微观结构基础,并首次从力学机制方面解释土体开裂机制,认为重力在大孔洞上下边缘引起的水平拉应力是导致黄土开裂的基本原因,但裂缝的发育深度有限。周喻等(2012)通过颗粒流理论和PFC软件,从微观结构变化探讨宏观力学行为特性,研究发现,荷载增大使得黏结颗粒破坏,粒间接触压力增大,节理面附近萌生新裂纹。乔建伟(2021)通过浸水试验发现黄土湿陷差异沉降产生的拉张应力是湿陷开裂的直接因素。骆进等(2010)开展模拟试验研究,结果表明土体内部的拉力作用达到抗拉强度后,启动黄土不均匀湿陷内裂缝扩展。唐朝生等(2018)通过DIC获得了裂隙发育过程中拉张应力场分布图,进一步证实了拉张应力对裂隙萌生的启裂作用(图7)。

图7 裂隙发育过程中表面张拉应力场(据唐朝生等(2018))

土体孔隙结构为土体收缩开裂提供空间条件,裂隙的萌生与扩展实际上是微观孔隙收缩的宏观表现。Wills et al.(1907)首次提出,由于黄土的多孔性结构,土体经历干湿循环会引发土体的收缩膨胀变形,破坏土体初始平衡状态。李同录等(2014)进一步通过开展黄土非饱和渗透试验从微观尺度研究土体开裂机理,发现在地表水下渗过程中,土颗粒相互靠近,粒间距减小使得粒间引力增大导致土体整体收缩,在垂直方向上形成湿陷,水平方向形成局部拉裂。实验结果表明,黄土开裂是由黄土干湿循环过程中基质吸力及表面张力产生的粒间引力变化引起颗粒结构相对位置改变所形成的。上述研究成果从非饱和角度揭示了水土作用下土体开裂机理。Ning et al.(2004,2006,2010)进一步在饱和土有效应力原理及非饱和土力学基础上,提出“吸引力”的概念,认为吸引力是非饱和土有效应力的一部分,在土颗粒间提供拉力。土体在干燥失水过程中,土体发生张拉破坏。含水量降低导致吸力产生引起土体收缩,从而在土体内部形成张拉应力场,当张拉应力超过土体抗拉强度时,裂隙萌生(Corte et al.,1960; Fredlund et al.,1993;Yesiller et al.,2000; Nahlawi et al.,2006)。唐朝生等(2018)根据水土相互作用原理和基本土力学理论,建立了土体龟裂概念(图8)。

图8 干燥过程中裂隙的形成机理示意图(据唐朝生等,2018)

黄土特殊的大孔隙结构特性,为土体收缩提供空间尺度上的结构条件,是土体内部因素。力的作用是土体开裂的重要驱动因素,在外力作用下,土体内部应力场变化,产生的拉张应力大于土体抗拉强度时,土体结构破坏,以界面的形式释放能量。当遇水入渗时,含水量的变化改变吸引力,吸引力破坏土颗粒排列结构,使得颗粒靠近,土颗粒相对位移导致裂隙萌生与扩展。黄土风化界面的成因包括反复干湿循环引起土体的收缩膨胀作用; 昼夜温度变化引起盐类充填物(石膏、方解石)的张裂作用; 植物根系的劈裂作用; 风化带中不稳定矿物的分解和新矿物形成的生物化学反应和化学作用。

2 黄土细观界面的几何形态与分布特征

黄土体中分布着不同成因、形态各异的不连续面,为厘清黄土细观界面的发育特征及分类,在陕西省、甘肃省、宁夏回族自治区等区域展开野外工作,调查区域覆盖4×104km2,布置调查点115个,采取窗口测量法在新鲜断面露头处记录不同成因细观界面的几何形态及分布规律。细观界面沿某一方向发育遇到土质奇点时,界面无法保持同向贯通趋势,在应力驱使下围绕奇点以圆弧的形式在土体表面切割出类圆型土块(图9a),当不切割形成类圆状土块时,细观界面呈现以土质奇点为中心的双钩对拉状(图9b)。界面发育延展终止时,其末端逐渐收窄闭合形成针尖样,称为尖灭(图9c)。细观界面在发育扩展过程中,整体形态并不平滑,局部呈现折线型,走向似“V”,整体形态可视为沿“V”字反复偏折向主方向发育扩展(图9d)。

图9 黄土细观界面几何形态特征

随着黄土细观界面的发育演化,界面彼此穿插相互切割,形成界面组合网络,其组合形态同样具有特殊的分布规律。通过野外观查,将黄土细观界面的组合特征归纳为发散型和闭合型。其中:发散型组合特征具体表现为在主要界面两侧分布的爪状(图10a)、纵横交替分布的阶梯状(图10b)、在主要界面一侧近平行分布的羽列状(图10c); 闭合型主要表现为多边形排列的网格状(图10d)。黄土细观界面的组合特征也是黄土破碎网的结构特征,黄土细观界面分布越密集,黄土体破碎程度越大,对土体的完整性、强度损失影响越严重。

图10 黄土细观界面组合形态特征

细观界面组合形态特征主要受外部因素影响,不同环境影响(荷载、干湿循环、风化)下,细观界面呈现不同的分布特征。根据野外调查,得到大致分布规律如下:爪状、阶梯状和羽列状细观界面,一般位于坡体中上部的外表,尤其是坡面外凸土体,主要分布于沟坡、谷坡、阶地前缘陡坎及黄土塬边斜坡的上部。地形支离破碎,斜坡分布密集,此类细观界面形式相对较多。网格状一般分布在地表浅表部,坡体浅表层和地形低洼处,主要围绕土体浸湿区、湿陷区或平行湿陷区发育。

3 黄土细观界面的发育与演化

3.1 黄土细观界面的发育特性与分级

黄土体的破碎过程,是切割土体界面网络的形成过程,是细观界面持续发育的过程。外界营力促使细观界面萌生,切割分离土体的同时改变土体内部应力场。被切割区域土体发生应力释放、应力转移和应力场重分布,相邻区域土体受到应力扰动(王庚荪等,2000)。当外界扰动及内部应力场作用超过土体抵抗强度时,新生细观界面萌生,并在原有界面基础上继续切割土体,在土体中分离出土块,随着风化、降雨、荷载等扰动,形成危险体。随着土块脱离,细观界面以掉块灾变几何物理界面形式消失。同时,新老细观界面的扩展贯通与土块脱离的灾变效应,进一步劣化土体强度与稳定性,为更多细观界面的形成提供准备(图11a)。

图11 黄土细观界面的发育特性及分级

细观界面的发育是一个持续的动态过程。卢全中等(2005)提出裂隙的生长发育具有继承性,新裂隙是在旧裂隙的基础上生长,裂隙的生长也是黄土不断被侵蚀再改造的过程。新生裂隙的扩展方向与原生裂隙方向(近)共面或倾斜(赵建军等,2019; 陈伟等,2021)。原有界面为新生界面提供发育条件,共同形成复杂庞大的切割网,加剧土体破碎程度。土块脱离使得界面以几何物理界面形式消亡,同时激发新生界面发育。界面循环再生的持续发育过程,逐步将连续土体切割分离为破碎松散体。

根据细观界面的动态循环再生特性,可对细观界面进行分级,一级界面代表原有界面,即已发育形成的界面,二级界面代表新生发育界面,往往二级界面是一级界面的伴生界面(图11b,图11c)。一、二级界面迭代发育,构建庞大细观界面网络。另外,新生界面并不一定沿原生界面走向发育,以原生界面为起点向四周辐射,具有沿某一方向切割延展为多方向分割的破碎效应。黄土细观界面发育的辐射特性(图11d),促成庞大切割网,扩大破碎土体范围,加剧界面灾变效应。如图9d所示,近平行于临空面分布的卸荷节理在坡面土体上分割出长板状危险体。危险体内发育细观界面,与卸荷节理贯通。细观界面进一步切割土块,使得危险体的破碎程度增加,严重劣化块体稳定性。

3.2 黄土细观界面的演化规律

黄土体的破碎程度、破碎范围,是黄土细观界面随时间推移向土体不同区域发育演化的结果。黄土细观界面的发育是一个动态循环再生过程,原生界面为新生界面提供发育基础,在某一时间节点受到不同外界营力扰动触发,演化形成不同成因新生界面。另外,不同区域内不同成因的细观界面会跨区域演化贯通,形成多因耦合、多域联通的复杂破碎网络体系。黄土细观界面的演化过程是一种集合不同时间阶段、不同空间位置综合作用的分割行为,呈现为黄土细观界面演化的时空特性(图12),在一系列或连续或间隔或重叠的时间段,演化形成不同成因细观界面,分割不同区域黄土体,并最终贯通构成破碎土体的分割网络体系。

图12 黄土细观界面演化的时空特性

4 黄土细观界面灾害效应

黄土细观界面的发育、演化改变了土体结构、力学行为、渗流特性,劣化土体强度与稳定性,使得土体破碎松散,在土体中形成优势渗流通道,诱发崩塌、溜滑等碎屑流以及坡面泥流,破坏原始地形地貌的同时影响交通运输路线安全。

4.1 切割分离土块作用

在连续完整的黄土体中,黄土细观界面为土体提供不连续面,破坏局部黄土体的连续完整性,使得土体被切割分离,但发生分离的土体尚未脱离母体,其根部仍与母体相连,土体间的分离面是黄土细观界面切割作用的表现形式之一(图13)。黄土体受到细观界面的切割分离作用时,土体结构发生改变,在土体内部形成结构缺陷,结构缺陷导致土体初始应力场重分布。黄土中的天然应力场主要为自重应力,受界面分割影响,应力调整发生应力偏转。分离体与母体相连的区域土体内,应力场扰动最大,极易形成力学薄弱区。同时,黄土具有大孔隙结构的微观结构特征,土体内部分布大量孔隙集中带和支架大孔隙。特殊的孔隙结构为细观界面的发育提供了空间结构基础条件。在根部土体范围内,受力学行为敏感性强和大孔隙结构的影响,黄土细观界面在外界营力驱动下优先在根部土体范围内发育,应力集中通过切割根部土体的方式释放能量。在坡面土体中,分离体的临空面一端无约束,分离体根部被细观界面切割形成断裂面,破坏分离体与母体之间的唯一约束,使得分离体成为坡上危险体,在重力及外界扰动作用下危险体沿土体临空面迅速向下倾倒、崩落或者翻滚,形成掉块(图14)。

图13 黄土细观界面切割分离土体

图14 黄土细观界面的切割分离作用及掉块灾变

黄土细观界面对土体具有切割分离作用,将土体分解形成分离体。同时,分离体脱离母体的断裂面也是细观界面的表现形式之一,是细观界面诱使块体掉落的灾变几何控制边界面。坡面土体掉块使得坡面几何形态不平整,脱离区域附近土体受脱空区影响成为稳定性低的危险体(图15),脱空区为周围土体提供临空条件和产生力学劣化影响,若受重力及其他因素扰动,细观界面进一步发育扩展,容易再次诱发坡面土体掉块、崩塌等灾害,形成块体剥离坡面的链生效应。

图15 黄土边坡上的危险块体

黄土细观界面的形成,在土体内部提供薄弱面,对土体的变形破坏带来重要影响。卢全中等(2006,2009,2015)对裂隙性黄土展开了系列力学试验,研发便携式大尺寸裂隙性黄土直剪仪,试验结果表明裂隙使得黄土抗剪强度降低。进一步开展三轴压缩条件下裂隙性黄土变形破坏机制试验研究,发现不同裂隙角度影响下裂隙性黄土的应力-应变曲线有理想弹脆性极强软化型、弹塑脆性强软化型、折线软化型、曲线软化型、复合软化型、理想塑性型、理想弹塑性型和弹塑性硬化型共8种类型,变形破坏机制表现为挤压-滑动、挤压-滑移(蠕滑)、挤压-横向拉裂、弯曲-滑移(或塑流)、弯曲-纵向拉裂和弯曲-旋转或扭转共6种,并建立了描述裂隙性黄土轴向突发性和渐进式破坏的力学模型。孙萍等(2015)发现低围压情况下裂隙进一步发育扩展形成破坏面导致土体破坏。上述研究表明,界面是黄土体中的薄弱面,在外界应力作用下,黄土体的变形破坏首先沿着界面发生,是黄土工程容易失稳破坏的原因之一。连宝琴等(2015)研究了黄土开挖边坡滑塌破坏机理,界面在边坡失稳灾变过程中扮演着重要角色。滑塌破坏初期,坡脚土体在界面切割作用下受重力影响形成落空区(图16a),使得坡面土体悬空,坡体产生不均匀沉降,界面分割坡顶土体,并在坡顶产生拉裂区。随后,在降雨径流的集中冲蚀下,界面扩展,在坡顶形成界面分割的不稳定块体,界面成为危险体的几何边界面,同时也为降雨入渗提供优势通道,雨水通过界面进入坡体,形成软弱滑动面,使得土体滑移产生滑塌破坏(图16)。开展研究细观界面切割土体致灾效应有益于进一步探究掉块、崩塌灾变机理及破坏模式(刘传正,2019)。

图16 黄土开挖边坡塌滑破坏过程(据连宝琴等(2015))

4.2 松动破碎土体作用

黄土细观界面的掉块灾变是界面切割分离土体形成单独块体时诱发的灾变效应。随着黄土细观界面的发育演化,新生细观界面在原生界面的基础上向附近黄土体切割侵蚀,新、旧细观界面在发育演化过程中彼此贯通,构成复杂、庞大的切割网,将覆盖范围内的局部区域土体切割形成大量分离体。连续密集分布的分离体组合形成切割集合体,黄土细观界面的灾变效应由量变上升为质变,切割集合体使得土体变得破碎松散。破碎松散体的力学强度低,整体稳定性差。当边坡土体被细观界面网切割,坡面土体呈破碎松散状,在重力、工程扰动等外界荷载作用下,破碎松散体向坡面外脱离或沿坡面向坡脚滚动,形成崩塌、溜滑等地质灾害(图17),对土体边坡下方的道路、行人和建筑造成损失。叶万军等(2013)对黄土崩塌形成因素的研究发现,界面对黄土崩塌的形成、发展及破坏具有控制作用。水力冲蚀、根系劈裂和人类工程激励细观界面发育扩展,切割破碎土体的同时降低边坡稳定性。细观界面的破碎松散作用还体现在黄土边坡的渐进破坏性中。由于细观界面发育,坡体应力分布不均,呈现局域性应力-应变集中,导致局部破坏。局部土体破碎松散化是黄土高边坡失稳模式最先可能出现的现象。局部土体破碎松散化的形成必然发生应力释放、应力转移,而在破碎松散化土体的邻近区域所受影响最大,该区域受到应力重分布影响,可能发生破坏并继续释放超出强度范围内的应力,将多余荷载转移到其他区域。随着应力释放、转移、重分布过程的不断循环,破坏面不断延伸,使得更多范围土体受到破坏,可能诱发边坡灾害(王康荪,2000; 何红前等,2005)。在黄土斜坡坡脚,受冻融侵蚀、盐类侵蚀作用,坡脚表层土体细观界面发育,使得土体破碎发生剥落,改变斜坡形态。由于坡脚空腔区的形成,坡脚内凹形成反坡,上部土体失去底部支撑作用,最终诱发崩塌灾害(王根龙等,2011)。黄土崩滑灾害十分普遍,兼有崩塌和滑坡的特征。在破坏体中局部可见滑动面但又不是整体下滑,具有迅速崩塌破坏的特点,常常带来工程维护问题,且易诱发其他环境地质问题。岩土体的结构效应有可能为边坡灾害的动力学提出进一步的解释(兰恒星等,2019)。

图17 黄土细观界面的破碎松散作用及崩塌、溜滑灾变

4.3 渗流软化土体作用

黄土细观界面在切割破碎土体降低土体强度与稳定性的同时,也在土体表面形成具有一定张开宽度且向土体内部延伸的空间通道,为水的运移提供优势渗流通道。当降雨灌溉在地表形成径流时,水体向界面形成的空间通道汇聚,并迅速沿通道向下运移,水在通道中以优势流的方式向土体中入渗。随后又以基质流的方式继续向通道两侧土体及土体深部入渗,在土体中形成饱和区。黄土水敏性强,遇水易软化,导致强度降低,产生湿陷沉降变形,是黄土灾变的元凶之一。在土-水作用下,黄土发生渗透软化,强度劣化的同时极易在坡体内形成软弱滑动带,使得土体逐渐滑移。另外,在水的侵蚀作用下,黄土孔隙结构发生改变而扩展,体现为细观界面进一步扩展,切割范围扩大,使得边坡土体破碎程度增加,无形中增加易滑体数量,扩大滑动物源方量,加剧灾害效应。黄土细观界面为水体入渗提供赋水空间,作为优势入渗通道加速水向土体内部扩散,增大土体含水量,引起黄土-水耦合作用,使得黄土发生渗透软化,劣化土体强度。同时,在水动力影响下,细观界面进一步发育演化,加剧土体破碎松散化程度,极易诱发坡面泥流(图18)。

图18 黄土细观界面的渗透软化灾变作用及泥流

十水九滑,无水不滑。在众多地质灾害诱发成因中,水是主控因素之一,众多学者对此作出了大量研究(徐张建等,2007; 巨玉文等,2016; Dominik et al.,2019)。但是地表水在黄土中的入渗深度有限,且入渗缓慢,并不影响深部土体的含水率(李同录等,2018)。而裂隙为水流提供了导水能力强的渗透路径,使得水快速下渗且能渗透到土体深部(Jarvis,2007; 李鑫等,2019)。彭建兵等(2014)指出黄土地区的一个关键科学问题,即优势通道是如何控制降雨和地表水入渗,水进入土体后怎样改变区域水文条件和应力状态以致黄土地质灾害的发生。汪发武(2019)通过现场勘探岛根西部地震引起的栌谷流动性滑坡,发现由于边坡破碎疏松的体结构使得坡体近地表土体处于完全饱水状态,为边坡结构液化提供充足准备。赵宽耀等(2020)结合高密度电法及数值模拟研究了不同灌溉强度下裂隙优势流通道的渗流过程。另外,水向界面通道内汇集时界面受水压致裂作用萌生次级界面(陈林平等,2020),在水力作用下,界面发育扩展,进一步劣化土体强度并提供更多渗流通道。孙德安等(2020)研究了非饱和原状黄土的力学特性,发现不同吸力条件下原状黄土剪切过程中均表现出不同程度的应变软化现象。连宝琴等(2015)研究发现降雨沿着界面进入黄土边坡体内,形成软弱滑动面,从而使土体逐渐滑移,最终产生滑塌破坏。

5 结论与展望

认识黄土细观界面,掌握其基本特征、发育演化规律和致灾效应,为黄土界面系统性研究奠定理论基础,也为黄土地质灾害的防灾减灾提供理论指导。本文通过大量野外调查工作,结合团队近年来相关的研究成果,对黄土细观界面的定义、几何形态,发育演化特征及致灾效应进行了系统性的分析。主要结论如下:

(1)从致灾效应角度划分,黄土细观界面是指分布在黄土体中肉眼可见的(规模范围为长度:1.0×10-3～1.0×101m,宽度:1.0×10-3～1.0×10-2m),破坏土体局部连续性的,能将完整土体进行切割、分离的不连续面,包括裂隙、孔洞和异物接触面,其本质为地质缺陷。

(2)黄土细观界面的几何形态表现为点状、对钩状、尖灭、V字状,其分布组合规律可概括为爪状、阶梯状、羽列状、封闭网格状。

(3)黄土细观界面的发育演化是一个具有时空特性和辐射特性的动态循环再生过程,根据其发育演化伴生关系可分为一、二级界面,一、二级界面更替发生伴随细观界面的发育演化过程。

(4)黄土细观界面通过分割土体、破碎土体、提供优势渗流通道导致土体分离、松动、渗透软化,从而诱发黄土掉块、滑溜、泥流等灾害。

本文初步讨论了黄土细观界面的基本特征、分类和致灾效应等基础科学问题。目前有关黄土细观界面的系统性研究工作正逐步推进,今后仍需深入探讨黄土细观界面的力学行为、渗流特性以及致灾力学机制等方面,进一步回答黄土细观界面的灾变效应。从黄土界面体系中来,回到体系中去,结合黄土界面体系综合回答黄土界面的灾变问题,实现多元耦合与定量分析,为黄土灾害的防治减灾提供科学理论基础与指导意义。