楊成林 陳寧生 鄧明楓 周 偉

（1.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，成都610041；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049）

黏粒是指粒徑＜0.005mm的土顆粒。黏粒含量是影響泥石流尤其是黏性泥石流形成運動的一個重要參數(shù)。據(jù)統(tǒng)計，世界范圍內(nèi)的黏性泥石流黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多在5%左右［1］。例如1999年12月15～16日委內(nèi)瑞拉中部暴發(fā)的黏性泥石流，粒徑＜0.063mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.3%～14.2%［2］；美國南加州森林火災(zāi)后，1997～1998年暴發(fā)泥石流的30條黏性泥石流溝，泥石流堆積物中＜0.005mm的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大部分在5%左右［3］；美國圣海倫火山黏性泥石流中＜0.005 mm的黏粒顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般大于10%［4］。中國云南蔣家溝泥石流的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大都在8%～10%左右［5］。中國中尼公路沿線典型的15條泥石流溝中泥石流源區(qū)和泥石流體的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化于0.69%～17.2%［6］。

黏粒含量與泥石流的形成、運動過程息息相關(guān)。泥石流的運動需要一個基礎(chǔ)黏粒含量［7，8］，同時一定的黏粒含量還有利于降低泥石流運動的阻力［9］，并影響著泥石流的搬運距離和泥石流堆積扇的發(fā)育。國內(nèi)外很多學(xué)者在泥石流啟動力學(xué)模型［10－13］、泥石流運動和堆積模型的研究中［9］，都考慮了流體的黏粒含量。

本文通過泥石流源區(qū)不同黏粒含量礫石土體的強度實驗，分析黏粒含量對土體強度的影響。這對于完善礫石土強度的土力學(xué)理論，以及研究黏粒含量對泥石流啟動的影響具有重要意義。

1 實驗方法與內(nèi)容

為了揭示黏粒含量對泥石流源區(qū)礫石土體強度的影響，實驗土體選擇云南東川蔣家溝大凹子支溝的變質(zhì)板巖坡積物。采用人工制樣的方法配置了不同黏粒含量的土樣，通過三軸剪切方式測試其在相同密度、圍壓和飽和條件下的靜強度變化規(guī)律，分析礫石土體濕陷性、孔壓、強度等與黏粒含量的關(guān)系。

1.1 實驗指標(biāo)確定

實驗指標(biāo)包括實驗土體的黏粒含量、剪切方式、圍壓設(shè)定、試樣飽和、固結(jié)方法和試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.1 黏粒含量選擇

從目前黏粒含量與泥石流關(guān)系研究的成果［14－16］歸納總結(jié)出中國及世界上具有代表性的泥石流土源的黏粒含量范圍，確定9組礫石土試樣的黏粒含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為1.00%，2.50%，3.75%， 5.00%， 6.25%， 7.50%，10.00%，12.50%，15.00%。

1.1.2 剪切方式

為了全面分析泥石流源區(qū)土體啟動的特征，設(shè)置2種不同條件的三軸剪切實驗進行對比研究，實驗中軸向應(yīng)力的加載速率設(shè)定為1.5mm／min。

a.不固結(jié)不排水剪切（UU）：模擬暴雨條件下泥石流源區(qū)淺層礫石土體因滑坡直接轉(zhuǎn)化為泥石流的破壞過程，缺乏充足的固結(jié)排水時間。

b.固結(jié)排水剪切（CD）：模擬長期降雨條件下泥石流堆積區(qū)處于弱固結(jié)狀態(tài)的淺層礫石土體再次啟動產(chǎn)生泥石流的過程。

1.1.3 圍壓設(shè)定

天然狀態(tài)下，測試區(qū)坡體表層礫石土含水量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在5.0%～10.0%，平均土體重力密度約17.9kN／m3；土體在20cm深處受到的上覆自重壓力為3.58kPa，在雨季飽和土體的自重壓力會增加。由于本實驗?zāi)M自然降雨條件下礫石土的強度實驗，故實驗條件應(yīng)盡可能符合野外實際條件。根據(jù)對實驗源區(qū)表層土體天然狀態(tài)下的受力分析以及實驗?zāi)康囊?，設(shè)定圍壓為5.0kPa。

1.1.4 試樣飽和

為了模擬野外長期強降雨浸泡過程，實驗過程中全體試樣均在飽和狀態(tài)下進行剪切實驗。設(shè)定飽和圍壓20.0kPa、反壓10.0kPa。一般說來，均勻砂土飽和后試樣飽和度B檢測值應(yīng)為1.0；而礫石土由于圍壓增量施加到試樣后，礫石顆粒的不均勻性及孔隙的通透性不同，導(dǎo)致孔壓的增量明顯滯后，測試的B檢測值偏低，礫石土完全飽和（在儀器上飽和后取下試樣觀測，試樣液化并自動流水）測得的B值也僅為0.6～0.7。

1.1.5 試樣固結(jié)

實驗中坡面礫石土處于弱固結(jié)狀態(tài)，其φ值處于自然休止角范圍，只受自重應(yīng)力的作用，沒有附加應(yīng)力。故設(shè)定實驗固結(jié)應(yīng)力比K＝1∶1，固結(jié)時間20min，固結(jié)圍壓5.0kPa，反壓0kPa。

1.1.6 破壞標(biāo)準(zhǔn)

1.2 試樣制備

1.2.1 源區(qū)土體參數(shù)

實驗土體采自大凹子溝海拔高度為1 490～1 498m的溝道右岸坡地上，平均坡度35°。大凹子溝源區(qū)地處干熱河谷，地勢陡峭，基巖為震旦系的變質(zhì)板巖和千枚巖，巖質(zhì)較軟，風(fēng)化強烈，實驗土源所在區(qū)域多年平均降雨量700mm，夏季降雨集中，日照充足，蒸發(fā)量大，年均蒸發(fā)量變化于1 700～3 700mm，植被稀少。實驗土源區(qū)土體均經(jīng)過大規(guī)模的崩塌滑坡，多次遷移并堆積在坡腳，非雨季時，土體干燥、孔隙發(fā)育。

實驗土體在當(dāng)?shù)靥烊粴夂蛳陆?jīng)過4個月的風(fēng)干，風(fēng)干狀態(tài)含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）4.76%，降雨條件下達(dá)到飽和狀態(tài)的含水量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）約為14.3% ～20.7%；土 體 干 密 度 1.311～1.432 g／cm3，孔隙比0.837～0.925。實驗土體基本參數(shù)與原始顆粒組成如表1、表2。

表1 實驗土樣基本參數(shù)Table 1 The characters of experiment soil samples

表2 實驗土樣（礫石土）原始顆粒組成Table 2 Grain composition of experiment soil samples

1.2.2 試樣參數(shù)設(shè)計

實驗土體充分晾干后剔除粒徑＞30mm（實驗儀器的上限粒徑）的顆粒，原狀松散坡積物中30mm以上的礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7.2%。由于其含量較低，對土體整體性質(zhì)的可能影響較小。將土體篩分為粒度＞2mm的粗粒組和＜2mm的細(xì)粒組。按照大凹子溝原狀礫石土中粗粒土58.16%、細(xì)粒土41.84%、黏粒6.37%的比例，將粗粒土和細(xì)粒土的比例組合按黏粒含量與細(xì)粒土和粗粒土的百分比關(guān)系進行配比（表3），配置成黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.00%，2.50%，3.75%，5.00%，6.25%，7.50%，10.00%，12.50%，15.00%的9組試樣（圖1）。

圖1 實驗土體顆粒組成Fig.1 Grain composition curves of the experiment soil

根據(jù)實驗設(shè)計要求，將土體制備成所需的試樣進行實驗。根據(jù)實驗設(shè)計的9種黏粒含量，一共制作試樣27個。每個試樣按1∶2的寬高比制樣，試樣直徑150mm、高300mm，土料分3層擊實，擊實后的試樣原狀見圖2。

圖2 不同黏粒含量試樣原狀Fig.2 The pictures of experiment samples

使用英國產(chǎn)動三軸實驗系統(tǒng)GDS（DYNTTS）進行三軸剪切測試實驗，實驗的應(yīng)力、應(yīng)變、孔壓與圍壓采取全程自動化記錄。

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2 實驗結(jié)果與分析

2.1 濕陷性

分析3組27個不同黏粒含量的試樣在圍壓20kPa、反壓10kPa條件下浸水飽和后的垂直濕陷性，發(fā)現(xiàn)黏粒含量對礫石土的濕陷性有較大影響。其中礫石含量高、黏粒含量低的礫石土的濕陷性小，而礫石含量低、黏粒含量高的粉質(zhì)黏土濕陷性也小，黏粒含量和垂直濕陷率的關(guān)系呈拋物線形。黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.75%～7.50%范圍內(nèi)礫石土濕陷性較大；其中以黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.00%左右的礫石土濕陷性最大，實驗中的平均垂直濕陷率達(dá)到6.83%（圖3）。

表3 試樣基本參數(shù)Table 3 The character of the experiment samples

圖3 黏粒含量－平均垂直濕陷率關(guān)系曲線Fig.3 The collapsibility curve of each sample

2.2 孔隙水壓力

在相同地質(zhì)環(huán)境條件下，顆粒組成影響土體的滲透性，這種滲透性影響著土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角以及其孔隙水壓力的變化，成為控制土體力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)。

孔隙水壓力是影響土體抗剪強度的重要參數(shù)，對礫石土破壞、產(chǎn)流具有重要影響。試樣剪切過程中必然引起孔隙水壓力的變化，剪切前的固結(jié)程度和排水條件對實驗中的孔隙水壓力變化有重要影響。

由于不同黏粒含量試樣有可能在軸向應(yīng)變尚未達(dá)到10%就發(fā)生破壞，難于準(zhǔn)確記錄試樣破壞時的孔壓增量；所以，室內(nèi)強度實驗的孔壓增量數(shù)據(jù)并不能完全反映野外礫石土體破壞啟動過程中的孔壓變化，只能反映試樣在破壞過程中孔壓的變化趨勢。

通過實驗得到了9組試樣分別在UU和CD剪切條件下孔隙水壓力的變化情況（圖4）。

不固結(jié)不排水剪切條件（UU）下，試樣的孔隙水壓力隨黏粒含量的增加而先增大后減小，但黏粒含量低的礫石土的孔隙水壓力降低幅度明顯高于高黏粒含量的土體。不排水剪切實驗中，試樣將通過內(nèi)部應(yīng)力的自動調(diào)整，即以增長正孔隙水壓力與減小有效應(yīng)力來保持不變，故剪切過程中出現(xiàn)正的孔隙水壓力。實驗中黏粒含量－孔壓增量關(guān)系曲線總體上呈拋物線形，當(dāng)黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.75%～7.50%時，試樣礫石土的孔壓增量較大。

圖4 黏粒含量－孔壓增量關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between the clay content and pore pressure increment

固結(jié)排水剪切條件（CD）下，黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于12.5%時試樣的孔隙水壓力有隨黏粒含量而增加的趨勢，而黏粒含量的繼續(xù)增加將不利于孔隙水壓力的上升。由于固結(jié)排水剪切需要排水，故與外界大氣相連通，在剪切時孔隙水壓力將迅速消散，出現(xiàn)負(fù)值。實驗中黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.25%～12.5%時，試樣礫石土的孔壓增量較大。

2.3 剪應(yīng)力

剪應(yīng)力是評估土體破壞的重要參數(shù)，對評估礫石土破壞、產(chǎn)流具有重要意義。通過UU和CD剪切實驗，獲得9組試樣軸向應(yīng)變?yōu)?5%時的剪應(yīng)力如圖5所示。

圖5 黏粒含量－剪應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 The relationship between clay content and shearing stress

2.3.1 UU 剪切

UU剪切中，黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.00%～6.25%之間時，試樣的黏粒含量－剪應(yīng)力關(guān)系曲線呈波浪狀起伏，黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.50%和5.00%試樣的有效應(yīng)力較低，其中又以黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%左右的礫石土有效應(yīng)力最低，僅為1.22kPa，其極限強度也最小。當(dāng)黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6.25%時，礫石土的有效應(yīng)力和極限強度均隨黏粒含量的增加而增大，在黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.00%時達(dá)到極大值4.41kPa。

在試樣密度相同的情況下，礫石含量高、黏粒含量低的試樣孔隙率較高，飽和后孔隙水壓的作用十分明顯，試樣的有效應(yīng)力最低，極限強度??；而黏粒含量高的試樣相對孔隙率小，飽和后試樣的有效應(yīng)力相對較高，因此極限強度較大。

2.3.2 CD剪切

在CD剪切中，試樣的黏粒含量－剪應(yīng)力關(guān)系曲線總體呈拋物線形。當(dāng)黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.00%～5.00%之間時，試樣的有效應(yīng)力隨黏粒含量的增加而減小，黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.00%～7.50%的礫石土強度較低，尤以黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.00%的礫石土有效應(yīng)力最低，僅為1.58 kPa，其極限強度也最小。當(dāng)黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞5.00%時，礫石土的有效應(yīng)力和極限強度開始隨著黏粒含量的增加而增大，在黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.00%時達(dá)到極大值5.60kPa。

礫石含量高、黏粒含量低的試樣孔隙率高，滲透性好，在固結(jié)排水的情況下，飽和試樣中的孔隙水壓力在軸向應(yīng)力作用下降低，使試樣的有效應(yīng)力提高。黏粒含量高的試樣相對孔隙率小，試樣飽和后的有效應(yīng)力也相對較高；而黏粒含量在一定范圍內(nèi)的礫石土，試樣飽和后的滲透性降低，孔隙水壓力在軸向應(yīng)力作用下逐漸上升，試樣的有效應(yīng)力明顯降低，出現(xiàn)一個剪應(yīng)力最低的礫石土級配范圍。

2.4 礫石土體強度與黏粒含量的關(guān)系

不固結(jié)不排水剪切實驗更符合泥石流源區(qū)淺層礫石土體因滑坡直接轉(zhuǎn)化為泥石流的破壞過程［17］，而固結(jié)排水剪切實驗較符合泥石流堆積區(qū)處于弱固結(jié)狀態(tài)的淺層礫石土體再次啟動產(chǎn)生泥石流的破壞過程。根據(jù)以上實驗的成果，可以分析得出不同條件下礫石土體強度與黏粒含量關(guān)系，如式（1）、式（2）。

泥石流源區(qū)礫石土由滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流：

泥石流堆積物再啟動：

其中：x為礫石土中的黏粒含量，τ為礫石土體的最大剪應(yīng)力。

式（1）、式（2）反映了黏粒含量對泥石流源區(qū)礫石土強度的影響，中等黏粒含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.75%～7.50%）礫石土在破壞過程中的最大剪應(yīng)力較小，強度較低，尤以黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.00%左右的礫石土強度最低，在相同條件下最容易被破壞。

3 不同黏粒含量礫石土體的破壞機制

低黏粒含量的土體，黏聚力相對較小，土體強度主要由內(nèi)摩擦角決定，當(dāng)孔壓達(dá)到一定值時，顆粒間有效應(yīng)力降低，由此導(dǎo)致土體抗剪強度的內(nèi)摩擦分力減小，土體更易發(fā)生破壞。但由于黏粒含量過低，黏粒不足以堵塞土內(nèi)孔隙通道，孔隙壓力容易消散，故孔壓增量小，難以抵消土體抗剪強度，所以固結(jié)排水剪切實驗中質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2.50%的黏粒含量的土體破壞的剪應(yīng)力較大。

對于中等黏粒含量的土體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.75%～7.50%），在降雨過程中，土體中的黏粒吸水膨脹，堵塞土體孔隙，使孔隙連通性大為降低。土體表層含水量增加，容重增加，孔隙水壓力增加，同時孔隙水壓力可以通過表層傳遞到含水量較低的中下層。隨著孔隙水壓力的劇增，土體強度劇減，部分土體發(fā)生開裂、滑溜；加上黏粒良好的封閉性，內(nèi)部的孔壓迅速上升，土體易于破壞而啟動。

實驗中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞12.50%的土體由于透水性較低，土層上部的應(yīng)力不易傳遞到下部，降雨過程中土體孔壓上升的幅值較中等黏粒含量的土體小。盡管加之容重增加，下滑力增加，但由于黏粒含量較高，土體的黏聚力較強，上部土體不易發(fā)生破壞。

綜上所述，黏粒含量過低的礫石土體較難啟動，在相同條件下（形成時代、埋深、膠結(jié)類型等）低黏粒含量土體暴發(fā)泥石流需要更大的能量條件，即強降雨和較大的坡度；黏粒含量過高的礫石土體黏聚力較強，不易發(fā)生大規(guī)模破壞；中等黏粒含量的礫石土最易發(fā)生破壞，可能啟動暴發(fā)大規(guī)模的破壞性較強的泥石流。

4 結(jié)論與討論

通過對泥石流源區(qū)礫石土的強度實驗，獲得試樣的黏粒含量與濕陷性、剪應(yīng)力、孔隙水壓力等的關(guān)系。

a.在保持圍壓不變的情況下，礫石含量高、黏粒含量低的礫石土濕陷性小，而礫石含量低、黏粒含量高的粉質(zhì)黏土濕陷性也小，黏粒含量與垂直濕陷率的關(guān)系曲線呈拋物線形。黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.75%～7.50%范圍內(nèi)的礫石土濕陷性較大；其中尤其以黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5.00%左右的礫石土濕陷性最大，平均垂直濕陷率達(dá)到6.83%。

b.UU及CD剪切實驗中黏粒含量－孔壓增量關(guān)系曲線總體上呈拋物線形。UU實驗中黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.75%～7.50%時，試樣的孔壓增量較大。CD實驗中黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%時，試樣的孔壓增量最大。

c.在不同啟動條件下礫石土體強度與黏粒含量有著類似的拋物線關(guān)系，中等黏粒含量礫石土在破壞過程中需要的最大剪應(yīng)力較小。

d.黏粒含量過低的礫石土體的孔壓增量較小，黏粒含量高的礫石土體的黏聚力難以降低；而中等黏粒含量（3.75%～7.50%）的礫石土，在相同條件下最易破壞，有可能啟動暴發(fā)規(guī)模較大、破壞性較強的泥石流。

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