巖溶區薄層滑帶土物質組成及力學性質弱化特征探究

鐘年鳳 穆成林 魏瑩瑩 王鑫雨 漆琦 王余丹

滑帶土的物質組成以及力學性質是滑坡穩定性評價以及治理的基礎參數，尤其是力學性質弱化更是研究的重點赫爾關鍵點。文章以黔西巖溶區巖質滑坡層間滑帶土為研究對象，進行物質成分分析和重塑土的不同含水率的力學性質的直剪試驗，獲取峰、殘值參數。試驗成果表明：滑帶土含有角粒、粗粒等（>2 mm）約占18.5 %，細黏土約占81.5 %，礦物成分以伊利石、伊蒙混層、石英為主，滑帶土的物質組成決定力學性質;含水率對滑帶土力學性質影響顯著，隨著含水率增加而降低，其中峰值摩擦角φp以w=20 %為拐點，呈現由快變慢的非線性降低。研究成果展示了滑帶土力學性質的弱化特征，下一步將通過微觀結構的變化深入揭示形成機理等。

滑帶土; 力學性質; 弱化特征; 巖溶區

P642.22?? A

[定稿日期]2021-05-28

[基金項目]國家自然科學基金（項目編號：41902296）;四川師范大學創新訓練（項目編號：S202010636141）

[作者簡介]鐘年鳳（2000～），女，本科，主要研究方向土木工程安全評價。

[通信作者]穆成林（1985～），男，博士，講師，主要研究方向為工程地質與環境地質。

我國西南地區巖溶發育，近年來隨著基礎建設的快速發展，直接或間接誘發了大量的工程滑坡（邊坡）變形失穩，造成了巨大損失。研究滑坡（邊坡）的關鍵之一是滑帶土的物質組成及力學性質，因為涉及穩定性評價以及治理方案研究等。目前，大量學者對滑帶土的研究積累的豐富的經驗和資料。例如，劉動等（2014）利用環剪儀研究了粗顆粒含量對滑帶土殘余強度指標的影響;趙能浩等（2014）將影響滑帶土強度的主要內因歸結為粒度組分、含水量和礦物成分，并將滑帶的演化過程分為3個階段闡述了滑坡滑動的控制機理;張曉麗等（2016）對不同黏粒含量的原狀土進行抗剪強度試驗研究，得出峰值強度后的抗剪強度降低幅度隨黏粒含量的增加而明顯增大的結論;曹世超等以金坪子滑坡滑帶為研究對象，分了物質成分以及力學性質演化規律，闡述了隨著黏粒含量的增加，滑帶土應變軟化現象更加明顯; 而滑帶土殘余強度、峰值強度隨著黏粒含量的增加，呈現非線性降低規律;劉虎虎等對三峽庫區順層滑坡的滑帶進行了物質組成分析，利用重塑土樣進行了滑帶土的蠕變試驗，討論了帶土埋深及含水率對其蠕變特性的影響機制。

綜上所述，滑帶土的物質組成以及力學性質是研究滑坡的基礎，并且力學性質的弱化是目前研究的重點和關鍵點，直接關乎滑坡穩定性評價以及后期的治理等。本文以黔西巖溶區巖質滑坡的滑帶土為研究對象，分析物質組成，通過室內的直剪試驗獲取了不同含水率條件下的峰、殘余強度參數，并分析弱化特征，為巖溶區內的滑坡研究提供了可靠的基礎依據。

1 研究對象及試驗方案

1.1 研究對象

研究區位于位于滇東高原向黔中山區丘陵過渡的傾斜地帶，地質構造復雜，低中高山以及侵蝕地貌，地表巖體風化嚴重且溶蝕作用明顯，地表水和地下水都較豐富，地層巖性以白云巖、白云質灰巖為主以及部分泥質灰巖為主，屬于三疊系中-下統關嶺組（T2g）、夜郎組（T1y）。畢節市大方縣郭家組滑坡于2020年8月12日發生蠕變失穩破壞，滑帶深度為5.5～6.0 m，現場以開挖探槽取樣。滑帶土厚度50～10.0 cm，雜色或紫紅色為主，成軟塑狀，夾雜不規則角粒，表層劃痕明顯，且存在積水現象。取樣過程嚴格按照相應規范要求，并及時運送實驗室進行相關試驗。

1.2 試驗方案

根據研究的目的及內容，試驗分為兩步驟：物質組成和力學性質。

物質組成：按照GB-T 50123-1999《土工試驗方法標準》規程將部分試樣風干并碾散，過篩（>2 mm），將小于2 mm的試樣利用MS2000激光粒度分析儀對天然滑帶土進行了粒度級配分析。MS2000激光粒度分析儀能精確測量粒徑小于2 mm顆粒物質，最后將相關數據進行拼接，得到滑帶土顆粒級配曲線;同時按照規范取部分試樣進行X射線粉晶衍射試驗，得到滑帶土礦物成分。

剪切試驗：其余試樣同樣按照規范要求進行，將制取試樣土風干、碾碎、過篩、分組，并均勻給試樣噴灑水，攪拌均勻，靜置24 h以上，制作6組不同含水量試樣：其含水量分別為10 %、14 %、18 %、22 %、26 %和30 %。試驗儀器采用試驗儀器采用DJY-4L型四聯等應變直剪儀。根據滑帶深度確定前期固結壓力為350 kPa，因此試驗的豎向法向壓力依次設置為150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa。峰值強度試驗試驗剪切速率為 0.03 mm/min，剪切位移為6 mm;殘余強度試驗剪切速率為0.02 mm/min，反復剪切3～4次，位移量達到32 mm結束試驗。

2 試驗成果

2.1 滑帶土物質組成

通過上述試驗方案，對滑帶土進行物質組成分析：大于2 mm的顆粒約占總重量的18.5 %，小于2 mm約占81.5 %，又分為黏粒、粉粒和砂粒，具體見表1。礦物成分組成見表2。

2.2 力學性質

按照上述試驗方案進行滑帶土抗剪切試驗，獲取在6種不同含水量在4種法向應力作用下以含水量w=18 %的試樣為典型案例，繪制應力-位移圖，見圖1～圖4;并獲取全部試樣的峰值、殘余強度參數值，見表3。

2.3 試驗成果分析

（1）滑帶土中含有角粒以及小于2 mm的粉質黏土，其中，粉粒和黏粒質量比最大，共計約占81.5 %，因此，在滑坡實際失穩破壞中，滑帶透水性差，具有較好的滯水性。同時，根據礦物成分試驗，滑帶土中黏土總量中（伊利石、高嶺石、伊蒙混層）約占60 %，具有吸水性、保水性較好的特征，使得滑帶土含水量增加，為滑帶長時間保持高含水率提供了物質基礎。例如，在開挖坑槽取樣過程中，滑帶土表層積水現象。

（2）滑帶土室內剪切實驗中，剪應力隨著法向應力的增大而增大，達到一定應力時，呈現應力不變而變形持續增大，且應力-應變曲線沒有明顯的轉折點，整體呈現蠕變特征，這與該滑坡的實際失穩破壞過程中呈現的蠕滑現象是一致的。

（3）滑帶土剪切試驗獲取的峰值強度具有隨含水率增大而逐漸減小的特征。其中，內摩擦角峰值φp值在含水率w=（10 %～20 %）區間呈近似直線式快速下降趨勢，而在w=（20 %～30 %）呈直線式緩慢下降趨勢，以含水率w=20 %為拐點。內摩擦角殘余值φr在試驗含水率區間呈現近似直線緩慢下降，見圖3。

（4）滑帶土的殘余強度同樣隨著含水率的增加而呈現下降趨勢。粘聚力峰值cf隨著含水率的增加呈直線式快速下降;粘聚力殘余值cr隨含水率增加而呈直線式緩慢下降，見圖4。

（5）滑帶土含有大比重的黏土顆粒，低含水率條件下黏土顆粒之間水膜較薄或者面積較小，剪切作用時顆粒之間相對位移主要是顆粒間的擠壓、摩擦、咬合以及顆粒重新組排，形成較大的剪切阻力，即強度參數較大;隨著含水率增加，吸水礦物質顆粒周圍形成較厚水膜等，剪切作用時顆粒之間通過水膜相對滑移，降低了剪切阻力，即強度參數較小。

（6）在獲取滑帶土剪切強度峰值過程中，滑面顆粒自然排列，剪切過程中形成定向排列，擠壓、摩擦以及咬合等阻力大幅度降低，殘余強度參數比峰值參數小。同時，當含水率較大時，滑帶土在經過剪切后，剪切面存在滲水現象，含水率越高滲水越明顯，因此隨著含水率的增大，強度參數逐漸降低。

（7）滑帶土內摩擦角強度峰值、殘余值的比值隨著含水率的增加而逐漸降低。隨著含水率的增加，摩擦角峰值φp與摩擦角殘余值φr比值以此為：1.86、1.82、1.80、1.72、1.53、1.51，平均值為1.714;而粘聚力峰值、殘余值的比值隨著含水率的增加而變化幅度較小，隨著含水率的增加，粘聚力峰值cp與粘聚力殘余值cr比值以此為：3.80、3.76、3.83、3.71、3.70、3.76，平均值為3.762。

3 結論

（1）通過對黔西地區薄層滑帶土取樣物質組成試驗，成果顯示滑帶土主要礦物質成為伊利石、高嶺石、伊蒙混層等，具有吸水性質較好，同時黏粒含量較大。滑帶土的物質組成決定了其具有透水性差，力學性質隨含水率的增加而呈現弱化特征。

（2）摩擦角、粘聚力峰值都具有隨含水率的增大而降低的特征。其中，摩擦角峰值φp值在含水率w=20 %為拐點，含水率w=（10 %～20 %）區間呈近似直線式快速下降趨勢，w=（20 %～30 %）呈直線式緩慢下降趨勢。

（3）摩擦角、粘聚力殘余值都具有隨含水率的增大而降低的特征，但基本都呈直線式。摩擦角強度峰值、殘余值的比值隨著含水率的增加而逐漸降低，平均值為1.714;而粘聚力峰值、殘余值的比值隨著含水率的增加而變化幅度較小，平均值3.762。

（4）滑帶土強度的軟化特征是目前滑坡研究的重點，此次通過室內試驗通過剪切強度的峰值、殘余值的演化規律進行了初步研究。下一步將根據不同含水率條件下強度弱化時的滑帶土微觀結構（孔隙、水、顆粒骨架）演變深入揭示內在形成機理。

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