蠕滑滑坡滑帶土強度及其參數特性試驗研究

吳岱諠，曹世超，吳 琦，王現國，閆亞景

（1.華北水利水電大學地球科學與工程學院，河南鄭州450046；2.河南省地礦局第二地質礦產調查院，河南鄭州450012）

在庫水位升降與周期性降雨影響下，庫岸滑坡常發生整體或者局部再變形、失穩現象，誘發滑坡復活［1-3］。庫岸滑坡復活過程中，地表變形量呈階躍式、周期性增大趨勢，說明老滑坡復活過程具有不同變形速率，呈間歇性［4-6］。滑坡發生滑動并進入殘余穩定狀態后巖土的抗剪強度具有隨蠕滑速度不同而不斷變化的特點，緩慢蠕滑過程中特定條件下滑帶土具有強度恢復的特性［7-9］。因此，開展不同變形速率下巖土體剪切性狀研究對于理清庫岸老滑坡復活或庫岸不穩定斜坡變形與失穩機制具有重要意義。滑坡是開放系統［10］，目前針對滑帶土殘余狀態后期隨外界自然因素和誘發因素（暴雨、水庫工程建設和地震等）改變下抗剪強度變化規律的研究較少［5，11］，已無法應對日益復雜的外界環境和工程的實際需求。

本文以金坪子滑坡Ⅱ區滑帶土為研究對象，通過室內環剪試驗研究不同剪切速率和含水率下滑帶土強度的變化規律，確定滑坡在發生滑動后其強度隨剪切速率的變化情況，以及滑坡受降雨等因素影響下強度隨含水率變化的特性，以期為滑坡穩定性分析、評價和防治工程中參數的選取奠定基礎。

1 滑坡概況及試驗方案

1.1 滑坡概況及試驗土樣

金坪子滑坡距金沙江下游烏東德水電站壩址約900 m，若產生大規模失穩可能會形成堰塞湖，影響發電系統的正常運行，因此應對其進行穩定性評價，預判其可能失穩方式以及失穩規模，并采取有效工程措施加以防范。根據滑坡地形地貌條件、形成發育歷史、變形破壞特點和穩定性現狀，將金坪子滑坡分為5個區（見圖1），由金坪子滑坡2005—2016年地表水平和垂直方向累計位移、各監測點平均位移速率等值線圖發現，滑坡整體處于持續活動狀態，但位移速率并不恒定［12］。因此試驗滑帶土取自有明顯蠕滑滑動的金坪子滑坡Ⅱ區——阿擺—熊家水井大溝蠕滑體。

圖1 金坪子滑坡分區

滑坡Ⅱ區體積約2 700萬m3，地形平均坡度為26°，呈“牽引式”蠕滑變形破壞特征，表層為松散白云巖塊石碎石土，下部以千枚巖碎屑土為主，試驗所用滑帶土取自前緣蠕滑體滑帶出露的試坑內。土樣為千枚巖碎屑土，灰黑色夾少量礫石，硬-可塑狀，結構緊密，礦物成分以黏土礦物為主，其中伊利石含量約占60%。嚴格按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）要求對土樣進行了基本物理性質試驗。

試驗測試得到土樣天然含水率為11%，密度為2.35 g/cm3，相對體積質量為2.81，干密度為2.13 g/cm3，滲透系數為 6.31×10-6cm/s，滲透性差，起隔水作用，土樣的液限為27.1%，塑限為13.3%，塑性指數為13.8。顆粒分析試驗由密度計法測得，黏粒含量約占29%，土樣的粉粒含量較高，級配良好（見圖2），結合上述試驗土樣最終確定為粉質黏土。

圖2 試樣粒徑分布曲線

1.2 試驗儀器及方案

1.2.1 試驗儀器

剪切速率、含水率、正應力等是影響滑帶土強度的重要因素，環剪試驗是測試滑帶土殘余強度的優選方法，本研究利用德國Wille公司生產的高精度全自動閉環控制ARS-3型靜態環剪儀對滑帶土試樣進行不同剪切速率、含水率下的剪切試驗。該儀器精度較高，為0.1%。試驗過程中剪切面積保持恒定，旋轉角或剪應變可無限增大，施加最大正應力、剪應力均為1 000 kPa，剪切速率為0.001～600.000 mm/min，最終獲得剪切強度和強度指標。

1.2.2 試驗方案

環剪試驗設定剪切速率為0.05、0.50、5.00 mm/min，均在每一級剪切速率下剪切至穩定殘余狀態后換下一級速率。試樣含水率分別為 13.2%、10.1%、7.2%，為準確測得土體的殘余強度，不同含水率下試驗剪切速率均為0.05 mm/min。由于土樣的滲透性較差，在滑動過程中可能來不及排水，因此進行了不排水剪切試驗和完全排水剪切試驗，以對比不同排水條件下的抗剪強度。

試驗采用重塑樣，試樣尺寸為外徑100 mm、內徑50 mm、高度20 mm。嚴格按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）相關規定制備試樣。將土樣風干、過篩，為了消除干密度對試驗結果的影響，試驗干密度統一采用2.13 g/cm3，加去離子水配置土樣，置于保濕缸24 h以上以保證土樣中水分均勻；將試樣分層裝入剪切盒并壓實，將上一層土表面刮毛以保證每層土充分接觸；飽和試樣采用抽真空飽和，飽和時間不少于12 h，飽和過程完成后，用制樣設備挖去環刀樣中心部分，將試樣裝入環剪儀中，在正應力分別為100、200、300、400 kPa下固結至穩定后進行剪切。為減少試驗過程中儀器密閉性不夠造成的水分流失，儀器外部用濕毛巾覆蓋。每組試樣設置平行試驗，共對32個試樣進行了試驗（見表1）。

表1 試驗試樣統計

2 試驗結果

2.1 變剪切速率下滑帶土抗剪強度

每級剪切速率下試樣剪切達到殘余狀態并穩定后換下一級速率，模擬速率由小到大波動改變情況下滑帶土剪應力的變化，試樣剪切應力與剪切位移關系曲線見圖3。由圖3可以看出，第一級0.05 mm/min速率剪切時，低正應力（100、200 kPa）條件下，試樣剪切呈明顯應變軟化型，在剪切初期，隨著位移的增加，剪應力呈快速增大趨勢，達到峰值后剪應力降低，有明顯的峰值和穩定殘余值；高應力（300、400 kPa）條件下，試樣的應變軟化現象不明顯，但隨著正壓力的增大，試樣達到穩定殘余狀態所需的位移變小。第一級速率剪切至穩定后變為第二級速率，或第二級速率變為第三級速率，速率增大一級，穩定剪應力出現一定上升，但隨著剪切位移的增大，又會降低到一個穩定的剪應力值，這一現象與Carrubba等［13］的研究結果相同。低正應力下，試樣剪應力的恢復較高正應力下的弱。

圖3 變速率下滑帶土剪應力變化曲線

由剪應力—位移曲線得到試樣在不同正應力下隨速率改變的峰值強度、殘余強度，見表2。可以看出，試樣抗剪強度的變化情況為，同一剪切速率下隨著正應力的增大峰值強度、殘余強度均增大。同一正應力下，隨著剪切速率的改變試樣的強度變化情況較為復雜。低正應力下，改變剪切速率后試樣的峰值強度均減小；高正應力下，第二次改變剪切速率后，試樣的峰值強度與前一級速率下峰值強度相差不大。經計算，各正應力下剪切速率為0.50 mm/min時的峰值強度比剪切速率為0.05 mm/min時的殘余強度增大5%～39%，5.00 mm/min時的峰值強度比0.50 mm/min時的殘余強度增大6%～23%。殘余強度的變化情況較峰值強度簡單，在改變剪切速率后均比前一級速率下的殘余強度稍小。

表2 不同正應力下試樣抗剪強度

以正應力為200 kPa下的峰值強度隨剪切速率的變化為例，當剪切速率由0.05 mm/min增大到0.50 mm/min時，新形成的峰值強度比第一次剪切的峰值強度小，而5.00 mm/min剪切速率下形成的峰值強度也較前一級速率下的峰值強度小。總體表現為改變剪切速率后有強度恢復發生，但其強度不會恢復到最初的峰值。正應力為400 kPa時，峰值強度卻隨著剪切速率的增大出現比上一級峰值強度更大的現象，增幅為1%～3%。

2.2 含水率對強度參數的影響

研究區雨季降水量豐富，暴雨較多，滑帶土的強度特性與含水率密切相關，隨著含水率的增大土體的抗剪強度減小。而強度的變化取決于土體的物質組成、微觀結構和形成機制等，因此滑帶土強度指標的確定是滑坡穩定性分析及治理的關鍵。

根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）中峰值強度和殘余強度的取值規定（剪應力—應變曲線上的最高點對應的抗剪強度值為峰值強度，最后剪應力的最小穩定抗剪強度值為殘余強度）。獲得不同正應力條件下滑帶土在不同含水率下的峰值強度、殘余強度，采用直線強度包絡線來擬合滑帶土試樣的峰值強度、殘余強度指標，進而獲得試樣的黏聚力、內摩擦角以及殘余黏聚力和殘余內摩擦角（見表3），各參數隨含水率變化趨勢見圖4。

表3 峰值強度與殘余強度指標

由圖4（a）可以看出，峰值黏聚力與含水率成線性負相關關系，即隨含水率的增大黏聚力線性減小；內摩擦角隨含水率的增大也呈線性減小趨勢，但在相同含水率增幅比例下，黏聚力的變化幅度比內摩擦角的變化幅度稍大。類似于峰值強度指標的變化趨勢，殘余強度參數中殘余黏聚力隨著含水率的增大而線性減小，但變化幅度比峰值黏聚力變化幅度稍小；殘余內摩擦角的變化幅度更小，其值為20°～21°。內摩擦角與顆粒的粗糙度和剪切過程中顆粒的滑動程度有關，同一種土體其內部粗糙度以及顆粒粒徑分布大致相同，含水率的增大起到一定潤滑作用，使內摩擦角減小。殘余內摩擦角主要是剪切面處土顆粒定向排列程度的體現，含水率增大，受自由水潤滑作用影響，剪切過程中細顆粒的定向排列更加明顯，因此摩擦角減小。土體中含有大量伊利石礦物，在大位移剪切下易發生定向排列，自由水對其影響程度并不是太大，因此殘余內摩擦角變化幅度很小。

土體中黏聚力與含水率變化有很大關系，隨著含水率的增大，越來越多的水聚集在土體中，顆粒的吸附水膜增厚，使顆粒間的作用力和膠結作用大大削弱，造成黏聚力減小。強度指標對土體強度的影響是難以區分的，但就本次研究的滑帶土來看，含水率主要通過影響黏聚力來控制土體強度。同一含水率下排水剪切和不排水剪切試驗獲得的滑帶土強度指標不同（見表3），不排水試驗下測得的強度參數值均比排水剪切試驗條件下測得的強度參數值小。從含水率來分析，不排水剪切時剪切面上的水排不出來，會聚集在剪切面上，使含水率增大，顆粒間的作用力減弱，強度減小。

滑帶土滲透性較差，使地下水聚集在千枚巖碎屑土層，隨著時間的推移，千枚巖碎屑土逐漸發生泥化、軟化，又經歷固結、壓密、碾磨和剪切的過程，物理力學性能逐漸劣化，內摩擦角、黏聚力隨之減小，抗剪強度大大降低。因此，滑體總是沿千枚巖碎屑土層蠕滑變形，在進行滑坡治理時建議以排水為主。

圖4 強度指標隨含水率變化曲線

3 討論與分析

剪切剛開始時無明顯的剪切帶，顆粒間的摩擦及混亂排列均需要克服較大的剪應力，所以剪應力增大很快；隨著剪切的進行，顆粒被剪碎、磨平，變得越來越光滑，剪應力降低，并且剪切過程中水分轉移，使剪切帶含水率增大，導致剪應力減小［14］。研究滑帶土中黏土顆粒以伊利石礦物為主，沿剪切方向易發生定向排列，使剪應力大幅度降低，這也是試樣從峰值強度降低到殘余強度出現應變軟化現象的原因之一。

每一級速率剪切穩定后變換下一級速率時出現的強度恢復現象，可以從以下兩個方面進行解釋。從剪切速率進行分析，采用第一級剪切速率剪切時土體經歷了由破壞到穩定，變換速率后，速度改變產生的超孔隙水壓力使剪切強度發生變化［6］；相較“溫柔”的低速率，高速率能使顆粒剪切得更徹底，顆粒的滾動和運移幅度更大，剪切方式也有可能發生變化，擾動已定向排列好的土顆粒使其發生變化［6］，因此剛變換大速率時在一段較小位移內可能會出現強度升高，但土體已經經歷過剪切至定向排列穩定階段，顆粒之間的摩擦和咬合作用降低，滑動摩擦力逐步減小，而正壓力未改變，繼續進行剪切后土樣直接達到殘余強度，不再有升高的趨勢。從土體結構來看，在長距離、大位移的環剪試驗中，剪切速率與含水率對滑帶土殘余強度的控制規律，實際上就是土體的物質結構對于兩者響應類型、程度的變化規律［5］。

滑帶土進入殘余狀態時剪切面處土顆粒沿剪切方向呈定向排列，土體內部已達到平衡狀態。若靜置不動，則土顆粒和水分子重新組合排列，形成新的結構，強度得到一定程度恢復。本次研究盡管沒有停止剪切，但滑帶土試樣的粒徑分布結果顯示顆粒成分主要為細粒（黏粒和粉粒），隨著剪切的進行，顆粒破碎使剪切面上黏粒含量增大，在上覆壓力作用下，沿早期剪切面發生顆粒的相互黏結，嵌合密實度增大，并且正應力越大土顆粒被壓得越緊密，從而導致被破壞的黏聚力隨時間產生部分修復，即強度有所恢復，形成新的強度［9］和新的平衡狀態。黏聚力的破壞是無法在短時間內恢復的，因此再生強度大部分發生在剪切速率改變后較短時間內，隨著剪切的進行強度增加幅度逐漸變緩并趨于穩定。

4 結 論

針對金坪子滑坡滑帶土進行了不同剪切速率、不同含水率、多級正應力水平下的室內環剪試驗，得到如下結論：剪切過程中滑帶土的應變軟化現象明顯，且正應力越大，土體達到穩定狀態所需的位移越小；剪切速率對滑帶土強度和滑坡變形特性有重要影響，滑帶土在殘余穩定狀態之后隨著剪切速率的增大，殘余強度均減小，但其峰值強度較上一級剪切速率下的殘余強度有一定程度的增大，且正應力越大，土體強度增加的幅度越大，但均在剪切一段位移后又重新降低；含水率對滑帶土的強度參數影響明顯，土體的峰值強度、殘余強度均隨含水率的增大而線性減小，但內摩擦角的減小幅度較黏聚力的小，究其原因可能在于，水的存在使滑帶土中原始膠結遭到削弱破壞后，黏結作用變差，黏聚力減小，抗剪強度降低，建議在進行滑坡治理時以排水為主。