三峽庫區某滑坡滑帶土剪切變形特性及控滑機理

摘要：

滑帶土的力學特性對滑坡的穩定性具有控制作用，為了研究其控制機理，對三峽庫區秭歸縣某滑坡滑帶土取樣，通過進行多組固結快剪和固結排水反復剪等直接剪切試驗，研究了其應變硬化的特性，揭示了應變硬化型滑帶土在滑坡變形過程中的作用機理。研究結果表明，該滑帶土從塑性變形到剪切破壞過程中，所需的剪應力不斷增大。經過反復剪切之后，其抗剪強度有所增加，內摩擦角對其抗剪強度的影響占主導作用，且正應力越大增加得越明顯。通過滑坡實地勘測及數值模擬計算，研究了應變硬化型滑帶土對滑坡穩定性的影響。分析認為，在滑坡滑動過程中，由于應變硬化型滑帶土經剪切之后摩擦強度增大，消耗了滑坡的動能，對滑坡的作用在宏觀上表現為，滑坡經短距離滑動之后出現暫時穩定狀態。

關鍵詞：

滑帶土；應變硬化；抗剪強度；滑坡；穩定性

中圖分類號：

TU432

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2014）05-0125-06

Shear Deformation Properties of Sliding Zone Soil and Its Effect on Sliding Mechanism of a Landslide in the Three Gorges Reservoir Area

Yi Qinglin1，2， Zhao Nenghao1，2， Meng Zhaoping2， Hu Daru2， Guan Ni2

（1. Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area，Yichang 443002， Hubei， P.R.China；

2.National Field Observation and Research Station of Landslides in Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River， China Three Gorges University， Yichang 443002， Hubei，P.R.China）

Abstract：

The mechanical properties of slip soil play a key role in landslide stability. In order to study this control mechanism， multigroup experiments on the slip soil of a landslide were conducted in the Three Gorges reservoir in Zigui county involving consolidated quick direct shear test and consolidated drained direct shear test， through which the strain hardening property of this slip soil has been studiedas well as mechanism of landslide deformation resulting from the strain hardening slip soil. The results show that from plastic deformation to shear failure， the shear stress applied to this slip soil increases all the way. After repeated shearing， its shear strength increases， and the greater the normal stress， the more the shear strength increases， in which process the angle of internal friction contributes the most to its shear strength variation. Through the field investigation and numerical modeling， how the strain hardening slip soil affects the landslide stability was studied. In the process of sliding， the frictional strength of the strain hardening slip soil increases after being shearing， leading to the consumption of the landslide’s kinetic energy， following the phenomenon that a temporary steady state occurs after a short distance sliding.

Key words：

slip soil； strain hardening； shear strength； landslide； stability

根據巖土的應力應變曲線特征，可將其分為應變硬化型和應變軟化型。研究結果表明，對于正常固結土，塑性應變增加了土對繼續變形的阻力，當土體受到剪切進入屈服階段后，不是應力保持不變，而是能夠承受更大的應力，屈服點的位置不斷提高，表現為應變硬化^[1]。對于應變硬化型的巖土，許多學者相繼提出了能夠描述其應力應變關系的數學模型。Duncan等^[2]在1970年根據Kondner^[3]等的研究，建立了以廣義胡克定律為基礎的非線性彈性模型，稱之為鄧肯張雙曲線模型，它可以反映土體變形的非線性特征，通過彈性參數近似的考慮了土體的塑性變形，但該模型不能反映土體的剪脹特性。Schanz等^[4]在1999年提出了Hardening Soil（HS）模型，該模型與鄧肯張模型較為相似，也是假設剪應力τ與軸向應變ε成雙曲線關系，但HS模型采用的是彈塑性理論，可以同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用Mohr-Coulomb破壞準則。徐明等^[5]在Mohr-Coulomb模型的基礎上，提出一個針對粗粒土剪切特征的應變硬化模型。該模型考慮了土體強度、剛度和體積變化特征均隨應力水平而變化的特性。何利軍等^[6]等提出了一種能同時描述應變硬化型曲線和應變軟化型曲線的模型，并討論了該模型擬合應變硬化型曲線時的簡化形式，通過調整其中一個參數可以表達出不同的曲線形式，體現了土體應力應變關系的多樣性。孟召平等[7-8]研究了不同側壓條件下砂巖的破壞機制，提出了成巖作用程度較弱的巖石應力應變曲線隨著圍壓的增高由應變軟化性態向近似應變硬化性態過渡的觀點。Andrés等^[9]提出了一種形狀硬化函數，它可以提高粘性土邊界曲面的預測能力，特別是對于超固結粘性土。

盡管學者們對巖土應變硬化進行了大量理論研究，由于滑坡滑帶土取樣困難和資料相對較少，使人們對滑帶土力學特性研究受到一定限制。前人多是運用土體的應變軟化理論來解釋滑動規模較大、滑動程度較劇烈的滑坡的運動機理[10-15]，而對于漸趨穩定型滑坡的作用機制尚缺乏較為系統的解釋。本文以三峽庫區某滑坡為例，通過直剪試驗發現了滑坡滑帶土應變硬化的規律，并將其用于滑坡變形預測，揭示了該類型滑坡變形破壞機理。

1 滑帶土顆粒組分特征

滑帶土來自三峽庫區秭歸縣某滑坡。為了研究該滑坡的變形機理及滑帶土對該滑坡的控制機制，利用滑坡出現大變形后，后緣滑帶出露的機會，地質人員及時在滑坡后緣出露的新鮮滑帶土中進行了取樣，該土樣為粉質粘土，夾有少量碎石土，呈紅褐色，表面有較為明顯的滑痕（圖1）。密封保存后，并于當天帶回室內，對其進行了顆粒分析試驗和直剪試驗。

土的顆粒組分對其物理力學性質具有重要影響[16-18]，因此通過顆粒分析試驗研究了該滑帶土顆粒組分特征。試驗依據為《土工試驗規程》（SL237—006—1999），采用篩析法和密度計法聯合測定。對于粒徑大于0.075 mm的土樣采用篩析法測定，粒徑小于0.075 mm的土樣采用甲種密度計法測定，繪制粒徑大小分布曲線。土的粒組按《土工試驗規程》（SL237—001—1999）中規定的土顆粒粒徑范圍劃分。儀器設備：PB602-N電子精密天平、TM85型土壤密度計。

結果表明（表1），土樣中礫石含量為17.9%，砂粒含量為30.4%，粉粒含量為29.7%，粘粒含量為22.0%。不均勻系數Cu=100，曲率系數Cc=0.3，為不連續級配土，屬級配不良，級配曲線見圖2。房營光等[19-20]提出了土體介質強度尺度效應理論，將粒徑小于粉粒部分稱為基體顆粒，粒徑大于粉粒部分稱為加強顆粒，其研究結果表明，土體的屈服應力隨加強顆粒粒徑的減小而增加且與加強顆粒含量之間呈線性關系。本文所研究的滑帶土中基體顆粒含量僅22.0%，而加強顆粒含量達48.3%，由此可知，該滑帶土的屈服應力較大。

2 滑帶土剪切變形特性

2.1 不同正應力下的剪切變形特性

為了研究該滑帶土的剪切破壞規律，對土樣進行了直接剪切試驗。試驗依據為《土工試驗規程》（SL237-021-1999），試樣為擾動土，采用擊樣法制備土樣。試驗設備SD-2型電動四聯等應變直剪儀。采用固結不排水快剪和固結排水反復剪兩種試驗方法，分別以0.8、0.02 mm/min的速率剪切。每組試驗取4個試樣，分別在100、200、300、400 kPa等4級垂直壓力下進行剪切試驗。

試驗結果表明（圖3（a）～（g）），土樣在固結快剪和固結排水剪兩種破壞方式的作用下，其剪應力變形曲線均呈增長趨勢，直至土樣最終發生剪切破壞。此過程中并無出現峰值點，表現出明顯的應變硬化特性。由于土樣中粗顆粒含量較多，孔隙率較大，在受剪切力發生變形的過程中，剪切面上的顆粒重新排列，使得顆粒間的空隙減小，顆粒之間咬合得更為緊密，故在破壞過程中其剪應力是不斷增大的。對于固結不排水快剪試驗（圖3（a）），其土樣的剪應力變形曲線的增長速率變化得比較均勻，沒有出現較明顯的轉折點。而對于固結排水剪試驗（圖3（b）～（g）），其剪應力變形曲線的增長速率的變化出現了明顯的轉折點，整體表現為，在彈塑性變形階段曲線增長速率較大，在變形破壞階段曲線增長速率較小。且正應力越大，剪應力變形曲線在轉折點處的曲率也越大。這是由于在較大的正應力作用下，土體的剛性較強，當塑性變形累積到一定程度時，突然發生剪切破壞；而當作用于土體上的正應力較小時，土體表現為較強的塑性，即在整個剪切過程中，剪應力是不斷增加的，直至土體發生剪切破壞。

試驗結果表明，該土樣抗剪強度隨剪切次數的變化規律與施加的正應力大小有關。當正應力為100 kPa時，土樣的抗剪強度隨剪切次數的增加而逐漸減小。當正應力為200、300 kPa時，土樣抗剪強度隨剪切次數的變化曲線基本呈水平狀，在正應力為200 kPa時，第1次剪切和第6次剪切的抗剪強度分別為83.89、87.79 kPa，第6次比第1次增加3.9 kPa，在正應力為300 kPa時，第1次剪切和第6次剪切的抗剪強度分別為116.47、114.49 kPa，第6次比第1次減小1.98 kPa，前后均變化不大。當正應力為400 kPa時，第2～6次剪切的抗剪強度整體高于第1次剪切，第1次剪切和第6次剪切的抗剪強度分別為115.35、127.08 kPa，后者較前者增加了11.73 kPa。

為了進一步探明土樣抗剪強度隨剪切次數的變化規律，分別計算出了抗剪強度參數粘聚力和內摩擦角隨剪切次數的變化情況（圖5（a）～（b））。結果表明，隨著剪切次數的增加，內聚力整體呈減小趨勢，內摩擦角整體呈增大趨勢。土體在剪切的過程中，粗顆粒運動的幅度要比細顆粒大，因此原本填充于粗顆粒之間的細顆粒在相鄰粗顆粒的擠壓作用下向四周移動，反復剪切之后，導致剪切面上粗顆粒之間的細顆粒填充量不斷減少（圖6），致使土體在剪切過程中起主要作用的是礫石和砂粒等粗顆粒，其間的粘聚力較小，而咬合摩擦強度較大，故土體在反復剪切之后表現為粘聚力降低而內摩擦角增大。

其次，對比圖4和圖5（b），不難發現，該土樣內摩擦角隨剪切次數的變化趨勢與在正壓力為200、300、400 kPa時抗剪強度隨剪切次數的變化趨勢較為吻合，即第2次在第1次的基礎上有較大幅度的增大，第3、4、5次均有小幅度減小，第6次又有所增大。即在剪切過程中土顆粒間的摩擦力占主導作用，內摩擦角對該土樣抗剪強度的敏感性較強。

3 滑帶土的剪切變形特性對滑坡穩定性的影響

前文已通過一系列試驗研究了該滑坡滑帶土的力學強度特性，為了進一步探究該滑帶土的剪切變形特性對滑坡穩定性及其發展過程的影響，本文對該滑坡滑動之前和滑動之后的穩定性狀況進行了計算分析。

該滑坡最近一次滑動的主變形區是其中北部區域，后緣寬25～30 m，前緣寬100 m，滑坡前緣高程150 m，后緣高程300 m，縱長300 m，體積約50萬m3，該區為主滑區，南側為滑坡牽引區（圖7）。取滑坡主剖面A-A′剖面（圖8）為研究對象，運用Geoslope軟件建立滑坡滑動前后的地質模型。模型由滑體、滑帶、滑床3部分組成（圖9（a）～（b）），其中滑帶的力學參數在滑動前后的取值，分別依據固結反復剪試驗中第1次和第6次的強度參數，即分別取值為：c=35.5，Φ=12.7和c= 21.8，Φ=15.8。邊界條件按照該滑坡當時滑動時的外界條件，即庫水位為172 m。計算結果為：滑坡滑動前的穩定性系數Fs=0.923，滑動后的穩定性系數Fs=1.024。計算結果表明，該滑坡滑動之前處于不穩定狀態，滑動之后處于欠穩定狀態；滑動之后，其穩定性有所提高。

滑坡滑動之后，其穩定性增加，一方面是滑坡體及滑床的地形地貌的作用結果，另一方面則是由于滑帶土的物理力學強度發生了變化。為了探究該滑坡滑動前后滑面處滑帶土的力學性能的變化情況，利用前文的數值計算結果，將滑動前后滑帶土的抗剪強度進行了對比（圖10），結果表明，在距離滑坡模型左端點100～200 m范圍內的滑面上，滑帶土在滑動之后的抗剪強度較滑動之前有明顯的增大，且在該范圍內滑帶土所受的正應力在整個滑面上是最大的。這正好驗證了前文剪切試驗的結果，即作用于土樣上的正應力越大，經過反復剪切之后其抗剪強度反而有所增大。由此可見，滑帶中正應力較大的部位，在滑坡變形過程中表現出明顯的應變硬化特性，從而使得滑坡在經過小規模變形后，其整體穩定性有所提高。

4 結 論

通過對三峽庫區某滑坡滑帶土進行直剪試驗，研究了其應變硬化的力學特性，并分析了其對滑坡穩定性的影響。

1）該滑坡滑帶土在剪切變形的過程中表現為應變硬化的特點，即土樣從彈塑性變形到剪切破壞的整個過程中，所需的剪應力不斷增加。其主要原因是在剪切過程中，土樣顆粒間的空隙率不斷減小，顆粒間的咬合摩擦強度增加，致使其抗剪強度增強。

2）對于粗顆粒含量較多的粉質粘土，經過多次剪切之后，其抗剪強度在一定范圍內有所增加，且內摩擦角對其抗剪強度的影響占主導作用。正應力越大，反復剪后抗剪強度增加得越明顯。

3）滑帶土的剪切變形特性對滑坡的穩定性具有重要影響，相較于應變軟化型滑帶土，應變硬化型滑帶土的抗滑能力在同等正應力作用下更強，且經過滑動之后，滑帶土的抗滑能力會有一定程度的增加。在宏觀上表現為，滑坡經過短距離滑動后出現暫時穩定狀態，在外界條件改變后又發生滑動。受該類型滑帶土的影響，這種暫時穩定狀態往往多次重復出現。且此類型滑坡產生大規模高速滑動的幾率較小。

參考文獻：

[1]

陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學[M].北京：清華大學出版社，1994.

[2]Duncan J M，Chang C.Nonlinear analysis of stressand strain in soils [J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1970，96（SM5）：1629-1653.

[3]Kondner R L.Hyperbolic stress-strain response：Cohesive soils [J].Journal of Soil Mechanics and Foundation Division，1963，89（1）：115-143.

[4]Schanz T，Vermeer P A，Bonnier P G.The hardening soil model：Formulation and verification [J].Beyond 2000 in Computational Geotechnics. Balkema，Rotterdam，1999：281-297.

[5]徐明，宋二祥.粗粒土的一種應變硬化模型[J].巖土力學，2010，31（9）：2967-2972.

Xu M，Song E X.A strain hardening model for rockfills [J].Rock and Soil Mechanics，2010，31（9）：2967-2986.

[6]何利軍，孔令偉.土的應力應變關系的一種描述模式[J].工程地質學報，2010，18（6）：900-905.

He L J，Kong L W.Uniform expression of stress-strain relationship of soil [J].Journal of Engineering Geology，2010，18（6）：900-905.

[7]孟召平，彭蘇萍，張慎河.不同成巖作用程度砂巖物理力學性質三軸試驗研究[J].巖土工程學報，2003，25（2）：140-143.

Meng Z P，Peng S P，Zhang S H.Triaxial test on physical and mechanical properties of sandstone for different diagenesis degree [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25（2）：140-143.

[8]孟召平，王保玉，謝曉彤，等.煤巖變形力學特性及其對滲透性的控制[J].煤炭學報，2012，37（8）：1342-1347.

Meng Z P，Wang B Y，Xie X T.Mechanical properties of coal deformation and its influence on permeability [J].Journal of China Coal Society，2012，37（8）：1342-1347.

[9]Andrés N L，Victor N K.Improved shape hardening function for bounding surface model for cohesive soils [J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2014：1-10.

[10]李守定，李曉，吳疆，等.大型基巖順層滑坡滑帶形成演化過程與模式[J].巖石力學與工程學報，2007，26（12）：2473-2480.

Li S D，Li X，Wu J.Evolution process and pattern of sliding zone in large consequent bedding rock landslide [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（12）：2473-2480.

[11]黃潤秋.20世紀以來中國的大型滑坡及其發生機制[J].巖石力學與工程學報，2007，26（3）：433-454.

Huang R Q.Large-scale landslides and their sliding mechanisms in China since the 20th century [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（3）：433-454.

[12]廖秋林，李曉，李守定，等.三峽庫區千將坪滑坡的發生、地質地貌特征、成因及滑坡判據研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（17）：3146-3153.

Liao Q L，Li X，Li S D，et al.Occurrence， geology and geomorphy characteristics and origin of qianjiangping landslide in Three Gorges Reservoir Area and study on ancient langslide criterion [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（17）：3146-3153.

[13]Massey C I，Petley D N.Patterns of movement in reactivated landslides [J].Engineering Geology，2013，159：1-19.

[14]Miao H B，Wang G H.Mechanism of the slow-moving landslides in jurassic red-strata in the Three Gorges Reservoir， China [J].Engineering Geology，2014，171：59-69

[15]di Maio C.Plastic and viscous shear displacements of a deep and very slow landslide in stiff clay formation [J]. Engineering Geology，2013，162：53-66

[16]趙曉菊，凌華，傅華，等.級配對堆石料顆粒破碎及力學特性的影響[J].水利與建筑工程學報，2013（4）：175-178.

Zhao X J，Ling H，Fu H.Effect of grain size composition on particle breakage and mechanical properties of rock-fill materials [J].Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2013（4）：175-178.

[17]Luo H Y，William L C.Effects of particle size and moisture on the compressive behavior of dense Eglin sand under confinement at high strain rates [J].International Journal of Impact Engineering，2014，65：40-55

[18]Sadrekarimi A.Influence of fines content on liquefied strength of silty sands [J].Soil Dynamic sand Earthquake Engineering， 2013，55：108-119

[19]房營光.土體強度與變形尺度特性的理論與試驗分析[J].巖土力學，2014，35（1）：41-47.

Fang Y G.Theoretical and experimental investigation on size effect characteristic of strength and deformation of soil [J].Rock and Soil Mechanics，2014（1）：41-47.

[20]房營光，馮德鑾，馬文旭，等.土體介質強度尺度效應的理論與試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2013，32（11）：2359-2367.

Fang Y G，Feng D L，Ma W X.Theoretical and experimental study of size effect of soil strength [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32（11）：2359-2367.