滑坡型泥石流的轉(zhuǎn)化機(jī)理研究

吳和秋，楊 龍，金鋼雄

(1.浙江省工程物探勘察設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310005;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;3.臺(tái)州市自然資源和規(guī)劃局黃巖分局，浙江 臺(tái)州 318200)

由于青藏高原的不斷隆升，我國(guó)西部新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，滑坡崩塌產(chǎn)生的大量松散堆積物為泥石流的形成提供了大量物源[1-2]。其中，滑坡型泥石流是最為普遍的泥石流類(lèi)型之一。滑坡一旦轉(zhuǎn)化為泥石流，運(yùn)動(dòng)距離將顯著增加，不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，而且嚴(yán)重威脅人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全[3]。因此，揭示滑坡型泥石流的轉(zhuǎn)化機(jī)理，為其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與防治提供理論支持，顯得十分必要。

目前對(duì)滑坡型泥石流的研究手段主要包括野外考察與觀(guān)測(cè)、模型和原位實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)巖土體測(cè)試實(shí)驗(yàn)等。其中，野外考察與觀(guān)測(cè)是滑坡型泥石流轉(zhuǎn)化機(jī)理研究的基礎(chǔ)。如李天池等[4]對(duì)降雨引發(fā)的四川南江縣白梅埡滑坡型泥石流進(jìn)行了實(shí)地考察，認(rèn)為滑坡型泥石流的形成條件是滑坡剪出口較高，斜坡具有較大的坡度，斜坡前部具有較大的滑動(dòng)空間；陳自生[5]對(duì)高位滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流進(jìn)行了分析，認(rèn)為其形成的關(guān)鍵因素在于滑體的碎屑化以及碎屑化過(guò)程中出現(xiàn)的造漿過(guò)程；謝洪等[6]對(duì)四川普格縣因暴雨引發(fā)的標(biāo)水巖滑坡型泥石流進(jìn)行了野外考察，認(rèn)為滑坡啟動(dòng)后，滑體在向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中繼續(xù)遭受地表水沖刷，使土體、石塊和水在運(yùn)動(dòng)中充分?jǐn)嚢瑁葑優(yōu)榇笮』祀s、結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)的黏性泥石流；田連權(quán)等[7-8]通過(guò)對(duì)蔣家溝泥石流源地觀(guān)測(cè)，將泥石流的形成分為土力類(lèi)和水力類(lèi)兩類(lèi)，并探討了水力類(lèi)泥石流的形成過(guò)程；喬建平[9]根據(jù)前人野外考察資料，將降雨型滑坡泥石流預(yù)警分為空間預(yù)警和時(shí)間預(yù)警兩大類(lèi)，并構(gòu)建了泥石流預(yù)警系統(tǒng)；魯?shù)篮榈萚10]對(duì)黃土梁滑坡型泥石流進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)查，認(rèn)為黃土梁滑坡在狹窄陡峭溝道中形成的大量松散堆積物為泥石流的形成提供了豐富的物源；邵海等[11]分析了新疆伊寧克孜勒賽黃土滑坡堵潰型泥石流成災(zāi)模式，認(rèn)為持續(xù)降雨引起的飽和黃土層液化及強(qiáng)度急劇降低是該泥石流形成的主要原因。模型和原位實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)巖土體測(cè)試是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滑坡型泥石流轉(zhuǎn)化機(jī)理進(jìn)行深入研究的主要手段。如李永益[12]通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)，提出滑坡型泥石流的轉(zhuǎn)化過(guò)程主要包括滑坡碎屑化、滑坡液化及空氣包裹等過(guò)程，其中滑坡液化的形式主要有滑帶液化、膨脹壓縮液化和震動(dòng)液化三種；Dai等[13]以香港火山巖的坡殘積土為研究對(duì)象，通過(guò)GDS三軸測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展了低圍壓下偏壓固結(jié)不排水剪和偏壓固結(jié)常剪應(yīng)力排水剪試驗(yàn)研究；Sassa[14]通過(guò)在高速環(huán)剪實(shí)驗(yàn)儀上的不排水加載試驗(yàn)，提出了一種流態(tài)化滑坡機(jī)理；Yoichi等[15]通過(guò)變坡度的水槽試驗(yàn)，研究了滑坡流態(tài)化問(wèn)題，并提出了滑坡流態(tài)化的三個(gè)階段，即上部坡體下滑引起砂層的壓實(shí)、飽和區(qū)產(chǎn)生超靜孔壓、發(fā)生快速剪切；張明等[16]以四川省達(dá)縣青寧鄉(xiāng)滑坡為研究對(duì)象，利用環(huán)剪試驗(yàn)?zāi)M青寧鄉(xiāng)滑坡失穩(wěn)以后滑體長(zhǎng)距離滑動(dòng)剪切的過(guò)程，認(rèn)為滑坡型泥石流的轉(zhuǎn)化機(jī)制除了超孔隙水壓力的作用外，還有軟弱基座效應(yīng)。在野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，陳曉清等[17]和胡明鑒等[18]選擇泥石流典型流域開(kāi)展了野外人工降雨下滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的起動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中土體水勢(shì)、體積含水量、孔隙水壓力和溫度等土體特征參數(shù)的變化，研究了降雨條件下滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的啟動(dòng)機(jī)制；李俊等[19]對(duì)扎木弄溝滑坡型泥石流的成因進(jìn)行了系統(tǒng)分析，認(rèn)為內(nèi)外動(dòng)力條件變化(凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、地震作用)是該滑坡型泥石流形成的主要原因；朱君星等[20]在大量統(tǒng)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)礦山排土場(chǎng)滑坡型泥石流進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，認(rèn)為礦山排土場(chǎng)滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流存在降雨臨界值。

滑坡體轉(zhuǎn)化為泥石流過(guò)程中土體物理力學(xué)參數(shù)的變化是揭示其轉(zhuǎn)化機(jī)理的重要前提，但是基于泥石流的突發(fā)性及其動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性、監(jiān)測(cè)手段的局限性等，目前的研究獲取的此類(lèi)參數(shù)還非常有限。因此，本文以蘇約克河流域內(nèi)典型滑坡型泥石流——喬庫(kù)而泥石流為研究對(duì)象，利用遙感影像、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)(包括顆粒分析、直剪和環(huán)剪試驗(yàn))等手段，獲取了喬庫(kù)而滑坡型泥石流啟動(dòng)過(guò)程中土體的顆粒級(jí)配、剪切強(qiáng)度、剪應(yīng)力、孔隙水壓力和垂向位移等變化曲線(xiàn)，分析其變化規(guī)律，以揭示喬庫(kù)而滑坡型泥石流的轉(zhuǎn)化機(jī)理。

1 喬庫(kù)而滑坡型泥石流概況

喬庫(kù)而滑坡型泥石流位于中國(guó)與吉爾吉斯斯坦邊境的蘇約克河流域，處于蘇約克河的西岸，距離烏恰縣托云鄉(xiāng)集鎮(zhèn)場(chǎng)址約15 km，主要的威脅對(duì)象為河流漫灘上的牧場(chǎng)。研究區(qū)地處喜馬拉雅西構(gòu)造結(jié)區(qū)，位于喜馬拉雅造山帶的西北端，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，區(qū)內(nèi)發(fā)育多條東西向及北西-南東向走滑、逆沖走滑斷層，巖漿活動(dòng)頻繁，巖漿巖分布范圍較廣。

喬庫(kù)而滑坡型泥石流區(qū)被一逆沖斷層橫切(見(jiàn)圖1)，斷層下盤(pán)為白堊系紅色砂泥巖，由于成巖時(shí)間短，其力學(xué)性質(zhì)較弱，風(fēng)化作用使巖體表面較為破碎，在其組成的斜坡坡腳處往往堆積有小規(guī)模的細(xì)粒崩坡積層；斷層上盤(pán)為黑色的砂巖、礫巖，斷層附近的巖體極為破碎，形成大量崩坡積物，是喬庫(kù)而滑坡型泥石流的主要物源[圖2(a)和(b)分別為泥石流溝北側(cè)和南側(cè)斷層面，為斷層破碎面附近山體，特別是上盤(pán)山體發(fā)生的崩塌滑坡堆積物堆積在坡腳，為泥石流提供了豐富的物源]。

圖1 喬庫(kù)而滑坡型泥石流平面圖Fig.1 Floor plan of Qiaokuer landslide debris flow

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，喬庫(kù)而滑坡型泥石流溝的整個(gè)匯水區(qū)(黃色虛線(xiàn))面積為4.42 km2，物源區(qū)(綠色虛線(xiàn))、流通區(qū)(藍(lán)色虛線(xiàn))和堆積區(qū)(紅色虛線(xiàn))如圖1所示。在物源區(qū)上游的廣大區(qū)域，雖然也有松散物源提供，但是物源量非常少，在本次研究中不予考慮，本次研究的對(duì)象主要為上述三個(gè)區(qū)域，根據(jù)這三個(gè)區(qū)域獲取的喬庫(kù)而滑坡型泥石流典型縱剖面圖見(jiàn)圖3。

圖2 喬庫(kù)而滑坡型泥石流溝斷層面及流通區(qū)細(xì)粒 物質(zhì)分布Fig.2 Distribution of fine material in fault plane and flow area of Qiaoquer landslide debris flow gully

圖3 喬庫(kù)而滑坡型泥石流典型縱剖面圖Fig.3 Typical longitudinal profile of Qiaokuer landslide debris flow

喬庫(kù)而滑坡型泥石流的物源區(qū)為臨近斷層面的上盤(pán)、溝谷南側(cè)破碎山體失穩(wěn)堆積在坡腳的滑坡及崩塌堆積物[圖2(b)]，根據(jù)估算，物源區(qū)堆積物的方量約為120萬(wàn)m3；流通區(qū)分布在斷層下盤(pán)的溝谷底部，長(zhǎng)度約為1 500 m,流通區(qū)的兩側(cè)為紅色砂泥巖組成的溝壁，由于成巖時(shí)間短，其強(qiáng)度較弱，風(fēng)化作用使其發(fā)生連續(xù)的小規(guī)模崩塌，松散細(xì)粒物質(zhì)堆積在坡腳[圖2(c)]，泥石流在流通的過(guò)程中不斷地鏟刮這些細(xì)粒物質(zhì)；堆積區(qū)面積約為0.11 km2，堆積物呈扇形堆積，平均厚度約為4 m，體積約為44萬(wàn)m3，以0.1 m以下的顆粒為主。

此外，受當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況的影響，本次研究缺乏喬庫(kù)而滑坡型泥石流此前爆發(fā)的相關(guān)資料,通過(guò)對(duì)物源區(qū)堆積物的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)堆積物具有多期次堆積的特征，說(shuō)明喬庫(kù)而滑坡型泥石流歷史上多次爆發(fā)，同時(shí)堆積物前緣有新近失穩(wěn)的跡象。

2 滑坡型泥石流堆積物土體顆粒級(jí)配的變化規(guī)律

為了獲取喬庫(kù)而滑坡型泥石流堆積物土樣在運(yùn)移過(guò)程中顆粒級(jí)配的變化規(guī)律，在如圖1所示物源區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)的B01、B03～B13共12個(gè)取樣點(diǎn)獲取了喬庫(kù)而滑坡型泥石流堆積物樣品進(jìn)行顆分試驗(yàn)，得到堆積物樣品的顆粒級(jí)配隨運(yùn)移距離的變化規(guī)律。其中，B01取自物源區(qū)；B03～B11取自于流通區(qū)；B12和B13取自堆積區(qū)。

采用篩分法獲得12個(gè)泥石流堆積物土樣的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4。

圖4 喬庫(kù)而滑坡型泥石流堆積物土樣的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線(xiàn)Fig.4 Variation curves of particle gradation in different parts of Qiaokuer landslide debris flow soil samples

由圖4可見(jiàn)，喬庫(kù)而滑坡型泥石流物源區(qū)堆積物土樣的顆粒較粗，以5～100 mm粒徑的顆粒為主；堆積區(qū)堆積物土樣的顆粒較細(xì)，以0.5 mm粒徑的顆粒為主；此外，B06和B07取樣點(diǎn)堆積物土樣同樣以5 mm以下粒徑的顆粒為主，主要是由于其取自于流通區(qū)溝谷兩側(cè)坡腳處的崩坡積物，物質(zhì)成分為來(lái)自于斷層破碎帶中紅色砂泥巖的風(fēng)化物。

上述顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表明：總體上B01、B03～B05、B08～B13這9個(gè)沿著泥石流運(yùn)移路徑上所獲取的堆積物土樣品，運(yùn)移的距離越遠(yuǎn)，土樣的顆粒級(jí)配越細(xì)。

3 滑坡型泥石流堆積物土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律

3. 1 試驗(yàn)工況

為了獲取喬庫(kù)而滑坡型泥石流堆積物土樣在不同含水率條件下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨運(yùn)移距離的變化規(guī)律，對(duì)B01、B03～B13共12個(gè)堆積物樣品進(jìn)行了不同含水率條件下的直剪試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水剪切，測(cè)試每個(gè)堆積物土樣在4種不同含水率條件下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)即土體黏聚力和內(nèi)摩擦角，共計(jì)60組試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泥石流啟動(dòng)之后，將不斷鏟刮流通區(qū)溝谷底部的飽和細(xì)粒土層及洼地的積水，導(dǎo)致土體在運(yùn)移過(guò)程中含水率不斷上升，直至達(dá)到飽和狀態(tài)。所以本次研究將直剪試驗(yàn)以及后續(xù)環(huán)剪試驗(yàn)土樣的含水率設(shè)置為從天然狀態(tài)到飽和狀態(tài)均勻分布的4種含水率狀態(tài)，4種不同的含水率分別設(shè)置為13%(天然)、20%、27%和35%(飽和)。每種含水率土樣設(shè)置4種法向荷載進(jìn)行直剪試驗(yàn)，4種不同的法向荷載分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237—1999)和本次試驗(yàn)的剪切盒尺寸，剔除樣品中2 mm以上粒徑的顆粒。

3. 2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5為測(cè)試獲取的B01、B03、B05、B10、B12、B13泥石流堆積物土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的變化曲線(xiàn)。

圖5 喬庫(kù)而滑坡型泥石流不同堆積物土樣抗剪強(qiáng)度 參數(shù)隨含水率的變化曲線(xiàn)Fig.5 Shear strength parameter variation curves of different debris soil samples with water content

由圖5可見(jiàn)，總體上來(lái)說(shuō)，該泥石流堆積物土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著含水率的增加而減小。

此外，為了獲取喬庫(kù)而滑坡型泥石流堆積物土體沿運(yùn)移路徑抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律，繪制了沿泥石流運(yùn)移路徑取得的B01、B03、B04、B09、B10、B11、B12、B013泥石流堆積物土樣的內(nèi)摩擦和黏聚力(飽和狀態(tài)下)與運(yùn)移距離的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6。

圖6 飽和狀態(tài)下喬庫(kù)而滑坡型泥石流堆積物土樣 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與運(yùn)移距離的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Relation curves of shear strength parameters and transport distance of debris soil samples in saturated state

由圖6可見(jiàn)，隨著運(yùn)移距離的增加,該泥石流堆積物土樣的內(nèi)摩擦角減小，但是其黏聚力略微增加，這主要是受到細(xì)粒物質(zhì)在運(yùn)移過(guò)程中不斷增加的影響；但總體來(lái)說(shuō)，泥石流堆積物土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著運(yùn)移距離的增加而減小。

4 滑坡型泥石流轉(zhuǎn)化過(guò)程中土體物理力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律

不同于傳統(tǒng)的直剪和三軸試驗(yàn)，環(huán)剪試驗(yàn)?zāi)軌虺掷m(xù)地長(zhǎng)距離剪切。為了獲取喬庫(kù)而滑坡型泥石流堆積物運(yùn)移過(guò)程中土體剪應(yīng)力、孔隙水壓力和垂向位移的變化規(guī)律，取喬庫(kù)而滑坡型泥石流物源區(qū)堆積物土樣進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，模擬堆積物長(zhǎng)距離剪切運(yùn)移的過(guò)程。試驗(yàn)土樣取自圖1中B01位置。

本次試驗(yàn)采用的是中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所引進(jìn)的美國(guó)GCTS公司生產(chǎn)的SRS-150型環(huán)剪儀，該環(huán)剪儀固結(jié)壓力為0～1 000 kPa，剪切速率為0.001～360°/min，最大剪切圈數(shù)/剪切距離為5圈/2.4 m。

4. 1 試驗(yàn)工況

為了獲取不同含水率條件下泥石流堆積物土樣剪應(yīng)力、孔隙水壓力和垂向位移隨剪切距離的變化規(guī)律，本次研究進(jìn)行了13%(天然)、20%、27%和35%(飽和)4種含水率條件下泥石流堆積物土樣的環(huán)剪試驗(yàn)。由于泥石流實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度較快，運(yùn)移過(guò)程中土體中的孔隙水難以及時(shí)排出，故試驗(yàn)中統(tǒng)一采用固結(jié)不排水剪切，剪切速率也采用儀器最大剪切速率360°/min(線(xiàn)速度為0.8 cm/s)，剪切距離選擇儀器允許的最大剪切位移2.4 m。由于缺乏喬庫(kù)而滑坡型泥石流歷史爆發(fā)數(shù)據(jù)，采用泥石流物源區(qū)堆積物平均厚度8 m作為其失穩(wěn)后滑體的厚度，據(jù)此計(jì)算出垂向荷載為100 kPa。因此，本次環(huán)剪試驗(yàn)在剪切方式、剪切速率、剪切距離和垂向荷載分別為固結(jié)不排水剪切、360°/min、2.4 m和100 kPa條件下，進(jìn)行不同含水率(13%、20%、27%和35%)條件下泥石流堆積物土樣的環(huán)剪試驗(yàn)。

4. 2 試驗(yàn)步驟

(1) 制樣：將B01土樣中大于5 mm粒徑的顆粒剔除，烘干后制成干密度為1.4 g/cm3、初始含水率分別為13%、20%、27%和35%的試樣。

(2) 固結(jié)：對(duì)試樣施加垂向荷載100 kPa進(jìn)行排水固結(jié)。

(3) 剪切：以恒定速度360°/min剪切試樣，剪切的過(guò)程中記錄剪應(yīng)力、孔隙水壓力、剪切距離和垂向位移值。

(4) 測(cè)試：測(cè)試試樣的顆粒級(jí)配。

4. 3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7(a)為工況1(天然土樣，即初始含水率為13%的土樣)下環(huán)剪試驗(yàn)所獲得的土樣垂向位移、孔隙水壓力和剪應(yīng)力隨剪切位移的變化曲線(xiàn)。

由圖7(a)可見(jiàn)，①剪切開(kāi)始后，土樣的垂向位移不斷增加，最終逐漸穩(wěn)定在約2 mm，表明此樣品為剪縮性土體；另外，顆粒剪切破碎也是土體體積不斷減小的原因，土樣的垂向位移隨著剪切位移的增加而增加;在剪切位移達(dá)到某一定值后，顆粒破碎逐漸停止，土樣垂向位移也趨于穩(wěn)定。②由于樣品中的初始含水率較低，土體體積的縮小并沒(méi)有引起孔隙水壓力的明顯變化。③土樣的剪應(yīng)力最開(kāi)始不斷升高達(dá)到峰值強(qiáng)度78.9 kPa，隨后土樣的剪應(yīng)力下降至73.5 kPa左右，然后土樣的剪應(yīng)力緩慢減小并逐漸穩(wěn)定在殘余強(qiáng)度70 kPa。剪應(yīng)力的變化主要是由顆粒破碎效應(yīng)導(dǎo)致的，直剪試驗(yàn)表明在此過(guò)程中土體的黏聚力雖略有上升，但其內(nèi)摩擦角降低，使得抗剪強(qiáng)度總體降低，表明在含水率較低、孔隙水壓力無(wú)明顯變化的情況下，土體顆粒破碎引起的抗剪強(qiáng)度變化不大。

圖7(b)為工況2(即初始含水率為20%的土樣)下環(huán)剪試驗(yàn)所獲得的土樣垂向位移、孔隙水壓力和剪應(yīng)力隨剪切位移的變化曲線(xiàn)。

由圖7(b)可見(jiàn)，與工況1相似，隨著剪切位移增大，土體顆粒不斷破碎，土樣的垂直位移逐漸增大，最終穩(wěn)定在1.5 mm左右；在這個(gè)過(guò)程中，受剪縮和顆粒破碎的影響，土體體積收縮、孔隙水壓力緩慢上升至6 kPa；土樣剪應(yīng)力在剪切開(kāi)始時(shí)迅速上升至81.3 kPa，隨后下降至75 kPa，并在剪切的過(guò)程中逐漸穩(wěn)定在65 kPa的殘余強(qiáng)度。與工況1相比，工況2含水率較高，剪切過(guò)程中土樣孔隙水壓力的變化較明顯，殘余抗剪強(qiáng)度也略低于工況1。

圖7 不同含水率條件下土樣剪應(yīng)力、孔隙水壓力和垂向位移隨剪切位移的變化曲線(xiàn)Fig.7 Variation curves of shear stress,pore water pressure and vertical displacement of soil samples with shear displacement under different water content conditions

圖7(c)為工況3(即初始含水率為27%的土樣)下環(huán)剪試驗(yàn)所獲得的土樣垂向位移、孔隙水壓力和剪應(yīng)力隨剪切位移的變化曲線(xiàn)。

由圖7(c)可見(jiàn)，土樣的垂直位移最終穩(wěn)定在1.3 mm左右；在剪切過(guò)程中，由于土體的體積收縮，孔隙水壓力升至34 kPa，相較于工況1、工況2變化較大；土樣剪應(yīng)力在達(dá)到峰值78.4 kPa以后，迅速下降至約73.5 kPa，但是由于土樣剪縮導(dǎo)致的孔隙水壓力上升，土樣剪應(yīng)力也逐漸下降至約19 kPa。與工況1、工況2相比，隨著土樣初始含水率的上升，在剪切過(guò)程中，工況3下土樣孔隙水壓力變化更為明顯，隨著孔隙水壓力的大幅上升，土樣剪應(yīng)力迅速下降，殘余抗剪強(qiáng)度明顯下降。

圖7(d)為工況4(飽和土樣，即初始含水率為35%的土樣)下環(huán)剪試驗(yàn)所獲得的土樣垂向位移、孔隙水壓力和剪應(yīng)力隨剪切位移的變化曲線(xiàn)。

由圖7(d)可見(jiàn)，土樣的垂直位移最終穩(wěn)定在1.65 mm左右，與前3種工況相差不大；在剪切過(guò)程中，土樣的孔隙水壓力上升至40 kPa；而土樣的剪應(yīng)力在剪切開(kāi)始迅速上升至81.4 kPa，隨后迅速下降至約65 kPa，并且隨著孔隙水壓力上升而逐漸下降至17 kPa。

由于本次試驗(yàn)采用的環(huán)剪儀器密封程度不好，在工況3和工況4的剪切過(guò)程中，當(dāng)土樣的孔隙水壓力上升到一定值時(shí)，上下剪切盒之間便會(huì)有泥漿(孔隙水和細(xì)的土顆粒混合形成)流出(見(jiàn)圖8)，且本次試驗(yàn)的條件為固結(jié)不排水剪切，剪切過(guò)程中由于土樣的剪縮效應(yīng)，導(dǎo)致其含水率和孔隙水壓力不斷上升，最終土體達(dá)到飽和狀態(tài)，而此時(shí)土樣的孔隙水壓力仍不斷上升，表明試驗(yàn)過(guò)程中隨著土樣不斷減縮，土樣內(nèi)部產(chǎn)生了超孔隙水壓力且已經(jīng)發(fā)生了一定程度的液化。比較工況3和工況4，因?yàn)楣r4所采用的為飽和土樣，如果剪切盒不發(fā)生泄漏，最終其孔隙水壓力應(yīng)該比工況3更高，而土樣的殘余剪應(yīng)力應(yīng)該比工況3更低，但是由于泥漿泄漏，最終工況3和工況4所獲得的土樣孔隙水壓力和殘余剪應(yīng)力均相差不大。

在上述4種工況下環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)束后，將土樣取出剪切盒風(fēng)干后進(jìn)行顆粒分析，其結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖8 土樣剪切過(guò)程中發(fā)生的泥漿流出現(xiàn)象Fig.8 Mud outflow during shearing of soil samples

圖9 環(huán)剪試驗(yàn)前后土樣的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線(xiàn)Fig.9 Grain gradation curves of soil samples before and after ring shear test

由圖9可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)環(huán)剪試驗(yàn)的土樣與原始土樣相比，其顆粒級(jí)配變細(xì)，說(shuō)明在土樣剪切的過(guò)程中發(fā)生了顆粒破碎現(xiàn)象；不同工況下剪切后的土體顆粒級(jí)配變化并不大，說(shuō)明4種工況下土體顆粒破碎的程度是相近的，因此可以判斷試樣初始含水率的差別和試驗(yàn)中土樣孔隙水壓力的變化是4種工況所獲得的土樣殘余剪切應(yīng)力相差較大的原因。

5 討 論

顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表明：從滑坡型泥石流物源區(qū)到堆積區(qū)，隨著運(yùn)移距離的增加，泥石流堆積物土體中的細(xì)顆粒含量不斷上升；同時(shí)，環(huán)剪試驗(yàn)?zāi)M了泥石流堆積物土體的長(zhǎng)距離剪切過(guò)程，環(huán)剪試驗(yàn)前后土樣顆粒級(jí)配的變化說(shuō)明了這一點(diǎn)。土體顆粒級(jí)配的變化主要有兩方面的原因：①在泥石流運(yùn)移的過(guò)程中，土體顆粒由于受到擠壓剪切作用而持續(xù)破碎，導(dǎo)致細(xì)顆粒增多；②在泥石流的流通區(qū)，溝谷兩側(cè)斷層破碎帶中的細(xì)粒砂泥巖風(fēng)化土層堆積在坡腳，泥石流在運(yùn)移過(guò)程中不斷鏟刮這些堆積物，導(dǎo)致細(xì)顆粒增多。

當(dāng)泥石流物源區(qū)的土體失穩(wěn)啟動(dòng)后，由于剪縮效應(yīng)和顆粒破碎，土體運(yùn)移過(guò)程中細(xì)顆粒不斷增加，孔隙水壓力不斷上升，產(chǎn)生超孔隙水壓力，土體的剪切強(qiáng)度不斷下降，甚至出現(xiàn)液化，逐漸轉(zhuǎn)化成為泥石流。環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于喬庫(kù)而滑坡型泥石流滑坡土體轉(zhuǎn)化為泥石流的臨界初始含水率在20%～27%之間的某個(gè)值，高于這個(gè)臨界值，土體在失穩(wěn)以后孔隙水壓力才會(huì)不斷上升并達(dá)到飽和狀態(tài)，產(chǎn)生超孔隙水壓力；土體初始含水率低于這個(gè)臨界值，則滑坡體無(wú)法轉(zhuǎn)化為泥石流。

本次的研究結(jié)論也從試驗(yàn)上直接論證了Hutchinson等[21]、Iverson等[22]的觀(guān)點(diǎn)：疏松土體組成的滑坡體轉(zhuǎn)化成泥石流的關(guān)鍵在于不排水效應(yīng)，在滑坡體與滑床的剪切過(guò)程中形成不排水環(huán)境，土體剪縮而引起孔隙水壓力增加，產(chǎn)生超孔隙水壓力，使土體抗剪強(qiáng)度消失或部分消失，甚至發(fā)生液化，從而轉(zhuǎn)化為泥石流。

6 結(jié) 論

受有限降水條件的影響，喬庫(kù)而滑坡型泥石流物源區(qū)堆積物失穩(wěn)后不能直接形成泥石流，而是首先形成滑坡，但是滑坡體在長(zhǎng)距離運(yùn)移過(guò)程中：一方面是由于受土體顆粒破碎和鏟刮作用的影響，導(dǎo)致土體運(yùn)移過(guò)程中細(xì)顆粒物質(zhì)逐漸增加，土體抗剪強(qiáng)度不斷降低；另一方面則是在剪縮效應(yīng)和顆粒破碎作用下，土體體積減小，孔隙水壓力上升產(chǎn)生超孔隙水壓力，使土體抗剪強(qiáng)度急劇下降甚至發(fā)生液化，最終轉(zhuǎn)化為泥石流。此外，對(duì)于喬庫(kù)而滑坡型泥石流而言，滑坡體轉(zhuǎn)化為泥石流的土體臨界初始含水率在20%～27%之間，而其低于20%，則滑坡體無(wú)法轉(zhuǎn)化為泥石流。