趙先濤，向 杰，唐紅梅，梁學(xué)戰(zhàn)，胡 君

（重慶交通大學(xué) 巖土工程研究所，重慶 400074）

從2008年9月28日三峽水庫進行175m蓄水試驗至2009年3月18日，受試驗性蓄水和退水的影響，僅重慶庫區(qū)發(fā)生了166處地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)（險）情，其中以滑坡為主，崩滑體總體積約6024萬立方米，影響人數(shù)11535人，經(jīng)濟損失約5億元。

滑坡的形成是水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造以及人類活動等諸多致災(zāi)因子耦合作用的結(jié)果。其中水是影響滑坡失穩(wěn)破壞的最主要因素之一，相關(guān)科學(xué)問題已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。李建華等基于非飽和三軸試驗系統(tǒng)，對不同含水量的非飽和膨脹土的強度特性進行了研究[1]。王洪興等通過對滑帶土粘土礦物X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)粘土礦物本身的脹縮性導(dǎo)致滑帶土抗剪強度降低，影響滑坡穩(wěn)定性[2]。SEYYED MOHAMMAD MOUSAVI等基于非線性遺傳算法，研究了土的抗剪強度參數(shù)與其影響因素的敏感性關(guān)系[3]。ChongShi Gu等基于三維非穩(wěn)定飽和 非飽和滲流場的有限元模型，揭示了邊坡巖土體穩(wěn)定性隨降雨入滲過程的變化規(guī)律[4]。Jian-hua Deng等采用GDS三軸試驗系統(tǒng)研究不同含水量條件下的角礫巖力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)含水量對其影響顯著[5]。張存根和張懷靜采用常規(guī)直剪儀研究含水量對粉質(zhì)粘土的抗剪強度指標的影響，得出了粘結(jié)力隨含水量呈現(xiàn)冪指數(shù)增長，然后呈線性降低，而內(nèi)摩擦角隨含水量呈現(xiàn)線性降低[6]。趙慧麗等基于室內(nèi)三軸試驗對含水量變化對非飽和土體抗剪強度變化進行了深入研究，認為含水量對其強度影響很大[7]。邊加敏和王保田研究了含水量隨非飽和土抗剪強度參數(shù)的影響，構(gòu)建了非飽和土強度計算式[8]。Wei-Min Ye等基于雙變量強度理論研究非飽和土的抗剪強度特性，揭示了非飽和土粘聚力和吸力存在線性關(guān)系[9]。C.Malaya和S.Sreedeep深入研究了土體吸力和含水量的關(guān)系，得到不同參數(shù)影響的曲線[10]。

文獻分析表明，滑坡土體抗剪強度特性與粘土土體含水量、礦物成分之間存在響應(yīng)關(guān)系。本文針對神女溪滑坡，基于X射線衍射試驗和應(yīng)變控制式直剪試驗探討其土體特性，對于實現(xiàn)類似滑坡迅速而準確的分析具有積極意義。

1 神女溪滑坡概況

神女溪滑坡位于長江三峽巫峽神女溪南岸，滑坡平面呈蚌殼狀，后緣高程312～322m，前緣高程135m左右?；w平均寬度約325m，縱長約225m，滑體厚度50m左右，面積（斜面積）約7.31×104m2，體積約366×104m3，主滑方向26°，屬大型深層牽引式土質(zhì)滑坡（見圖1）。滑坡區(qū)地形南高北低，斜坡陡峻，為單面斜坡；為老崩滑堆積體構(gòu)成的斜坡地形，東西兩側(cè)發(fā)育沖溝。滑坡土層為第四系崩滑堆積 （）的碎石土，下伏基巖由三疊系下統(tǒng)大冶組灰白色泥質(zhì)灰?guī)r（T1d）和嘉陵江灰?guī)r（T1j）組成（見圖2）。構(gòu)造上處于官渡向斜北西翼，次級構(gòu)造發(fā)育。

圖1 神女溪滑坡平面圖

圖2 神女溪滑坡1-1’剖面圖

2 滑坡土體物理礦物學(xué)特征

從神女溪滑坡不同高程表層土中取樣4組（見圖2），因第二和第三取樣點位置較近，故僅取第二取樣點土體進行試驗，對樣品按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTGE40-2007）進行液、塑限聯(lián)合測定（見表1），并對各土樣進行粒度分析試驗和礦物成分分析的X射線粉晶衍射分析試驗。

表1 試驗土樣特性

2.1 土體粒度成分分析

試驗土樣為碎石土，土表顏色呈橙黃色，屬于第四系崩滑堆積物。陸源碎屑顆粒的粒度成分和它的分布情況受流水能量的控制，與崩塌沉積物形成環(huán)境極為密切[11]。本試驗采用篩分法測定土體的顆粒粒度成分，揭示神女溪滑坡土體粒度分布規(guī)律及粒度參數(shù)特征，為反演其形成環(huán)境提供重要佐證。

由圖3可以清楚地看到，神女溪滑坡碎屑土的粒度成分累計曲線呈“低斜多段式”，其總體斜率較低，無確定粗細截點，由多條不同斜率的較短折線段組成，包括：低斜率（15°～30°）、含量低（低于15%）的滾動總體，相對較高斜率（約65°）、較高含量（60%）的跳躍總體和低斜率（5°～20°）的懸浮總體，粒度分布范圍較廣（d值為0.075～40mm），顯示其分選性較差，反映動蕩環(huán)境中能量不穩(wěn)定的重力流特點。

從土樣的粒度成分累計曲線（圖3），可以進一步求得土的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)，判別土體的均一性。

圖3 土體粒度成分累計曲線

式中：d60，d30，d10表示相應(yīng)于累計百分含量分別為60%，30%，10%的粒徑，mm。

則該土樣粒徑屬于Cc＝1～3，Cu＞5范圍，為級配良好的土，根據(jù)土工試驗規(guī)范，對于含碎石的粗粒土，土和石的分界粒徑為2mm，則該土樣土土石比為2∶3。

2.2 土體礦物成分分析

2.2.1 試驗原理 任何結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的化學(xué)組成成分和結(jié)構(gòu)特點。由于晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)點的排列的重復(fù)周期與X射線波長屬于同一量級，故當(dāng)X射線通過晶體時，可以產(chǎn)生特定的衍射圖形，對應(yīng)一系列特定的面間距d和相對強度I／I1值。所以任何一種結(jié)晶物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)d和I／I1是其晶體結(jié)構(gòu)的必然反映。不同物相混在一起時，它們各自的衍射數(shù)據(jù)將同時出現(xiàn)，互不干擾地疊加在一起，因此可根據(jù)各自的衍射數(shù)據(jù)來鑒定各自不同的物相[12]。

2.2.2 試驗設(shè)備 本試驗采用的設(shè)備是X射線粉晶衍射儀，是利用輻射探測器自動測量和記錄衍射線的儀器，依據(jù)布拉格方程，利用已知波長的X射線照射在樣品表面，獲得衍射圖譜，從而得到所要信息。該衍射儀的主要性能參數(shù)如下：

靶：Cu靶，36kV，20mA，石墨彎晶單色器；

狹縫：發(fā)散，決定于掃描始角，防散射，接收：常用0.3mm；

掃描范圍：5°～65°；采數(shù)步寬：0.01；

掃描方式：連續(xù)；掃描速度：8°／min；

滿足規(guī)定要求。

2.2.3 試驗結(jié)果分析 1）定性分析

物相分析法是根據(jù)X射線照射到晶體所產(chǎn)生的可用衍射線的方向及強度表征的衍射特征來鑒定晶體物相的方法。

通過對滑坡土樣進行X射線粉晶衍射掃描，得到未經(jīng)分析的粗略圖譜；然后通過Jade5分析軟件在衍射儀掃描圖譜的基礎(chǔ)上進行試驗數(shù)據(jù)的初步處理，繼PDF卡片庫對X射線粉晶衍射圖譜進行圖譜的平滑和背底扣除之后[13]。根據(jù)衍射角度的大小、對應(yīng)衍射波峰的位置和礦物含量高低，分析得到試驗土樣的衍射圖譜（見圖4）。

圖4 天然狀態(tài)下土體X射線粉晶衍射圖譜

經(jīng)過多次土樣X射線粉晶衍射掃描，對比分析和物相檢索之后，得到了神女溪滑坡土體所含主要礦物成分。

陸源碎屑物況物：石英、方解石等礦物；

粘土礦物：蒙脫石和云母類礦物。

2）定量分析

物相定量分析的原理是根據(jù)每種礦物的衍射線強度隨其相含量的增加而提高，由強度值計算可以確定各礦物組分的含量。

定量分析采取內(nèi)標法進行計算：

式中，Ii為各衍射峰強度；Ki為各物相的最強線與剛玉的最強線的比強度，即所謂的“參考比強度”（RIR）；Ii和Ki的值均可從物相分析后的卡片庫里獲取。

根據(jù)式（3）的內(nèi)標法計算礦物成分含量，可得天然狀態(tài)下神女溪滑坡土體的礦物組成含量（見表2）。

表2 礦物成分定量分析

通過定量分析知，親水性礦物如鎢華礦，蒙脫石含量較高，在神女溪蓄水期間，親水性礦物具有脹縮性，滑帶土體脹縮具有可逆性和循環(huán)性，不斷降低滑帶土的強度[14]。同時脹縮的往返進行，易在土體內(nèi)部形成裂縫，裂縫一旦貫通，會使水滲入滑帶，降低滑帶土體的強度，更易誘發(fā)滑坡失穩(wěn)破壞。

3 含水量對土體抗剪強度參數(shù)的影響

3.1 試樣分析及試驗方法設(shè)計

3.1.1 取樣與制樣 ①取采自神女溪滑坡4個不同高程的表層土樣；②風(fēng)干、研磨、過篩、加水、攪拌、保濕、密封；③擊實器擊實土樣，采用分層擊實法，試驗中共分三層擊實，每層按照規(guī)定次數(shù)擊實；④采用環(huán)刀制樣，環(huán)刀高為20mm，直徑為61.8mm。

3.1.2 試驗工況 圖5是一種粉質(zhì)黏土的典型水土特征曲線，曲線上有兩個特征點A＊和B＊。按Fredlund等人分析[15]，A＊點稱為進氣值，即當(dāng)吸力增大到一定值時，空氣開始進入土體中。B＊點稱為殘余含水率，當(dāng)土中含水量低到該值以后，吸力會隨含水量的微小變化而劇烈地增大，但這時其工程意義已不再突出，因為土體在含水量趨近或達到縮限時，水的作用面積在土體中所占的比例已很小，因此土體的體積變化甚微，而強度則因土體較大的吸力而具有很高的值。所以，上述兩特征點之間的狀態(tài)是關(guān)鍵所在。

故試驗的含水量控制在10%～35%。神女溪滑坡土體在不同含水量條件下的抗剪強度參數(shù)的敏感性試驗中含水量設(shè)計為：12%，14%，16%，18%，分別模擬庫岸滑坡土體隨庫水位上升過程中的含水量。

為了能夠只研究含水量這一單因素對滑坡土體抗剪強度參數(shù)的影響，本次試驗中將影響土體抗剪強度的其他主要因素如干密度、試驗方法等均設(shè)定同組土樣相同。

圖5 一種粉質(zhì)黏土的典型水土特征曲線

根據(jù)所采用土樣的試驗特點，為最大限度模擬神女溪滑坡現(xiàn)場情況下的實際環(huán)境，決定采用不固結(jié)不排水條件下的直接剪切試驗研究土體抗剪強度指標與含水量的響應(yīng)關(guān)系。試驗共取4個高程的土樣分別在設(shè)計的含水量下進行直剪試驗，共計64組。

3.1.3 試驗過程 首先從制備好的4種土樣中分別取出10～30g，放入質(zhì)量為m0的稱量盒，稱盒加濕土質(zhì)量m1。然后將試樣放入烘箱烘干，稱量烘干后的試樣和盒的質(zhì)量m2?？砂聪率接嬎阍嚇雍浚?/p>

式中：w為含水量，%；m0為稱量盒質(zhì)量，g；m1為盒加濕土質(zhì)量，g；m2為盒加干土質(zhì)量，g。

試驗使用的直剪儀為ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，將制備好的試樣裝入剪切盒中，試樣上下兩面均放上濾紙和透水石。同一含水量中，每種土樣取4個分別在正應(yīng)力為100kPa，200kPa，300kPa，400kPa條件下，獲取最大剪應(yīng)力。

3.2 試驗結(jié)果分析

為了能夠使得試驗數(shù)據(jù)更清晰、更具條理性，筆者將試驗中四種土樣的含水量與抗剪強度各參數(shù)詳細列出，并歸納列于表3中。

表3 不同含水量條件下的土體強度參數(shù)

續(xù)表

3.2.1 含水量與抗剪強度包線的關(guān)系 為了定性地分析神女溪滑坡土體的抗剪強度對含水量的敏感性響應(yīng)關(guān)系，筆者首先對4種土樣按照不同含水量的抗剪強度進行了數(shù)據(jù)處理，整理在同一個圖表內(nèi)，其相互關(guān)系見圖6～圖9。

圖6 SR1土樣含水量與抗剪強度關(guān)系曲線

圖7 SR2土樣含水量與抗剪強度關(guān)系曲線

圖8 SR4土樣含水量與抗剪強度關(guān)系曲線

圖9 SR5土樣含水量與抗剪強度關(guān)系曲線

上圖給出了土樣SR1至SR5的抗剪強度與含水量關(guān)系曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

1）抗剪強度隨著含水量的增大而減小，但減小的幅度隨著含水量的不同存在一定差異。

當(dāng)土體的含水量較高時，土粒周圍的水化膜厚度比較大，土顆粒間的水分主要為外層結(jié)合水，甚至自由水，擴散層對土顆粒之間的吸力有削弱作用，使得粒間的分子引力減弱，土體處于可塑狀態(tài)，壓縮性增強，抗剪強度減?。浑S著土體含水量的減小，土體的可塑性逐漸呈現(xiàn)減弱趨勢，當(dāng)含水量約為12.09%時，土體粘結(jié)性較好，顆粒之間的水分主要是強結(jié)合水，并且土顆粒之間距離較小，顆粒間存在較大分子引力，要使土體破壞，必須克服很大的分子引力，此時土體破壞是結(jié)構(gòu)的破壞，因此土體具有較高的抗剪強度。

2）含水量對抗剪強度參數(shù)的影響主要集中表現(xiàn)在對土體粘結(jié)力c及內(nèi)摩擦角φ的影響上，從上面圖中可以清楚地發(fā)現(xiàn)，含水量越大粘結(jié)力越小，但隨含水量的增大不成比例減小，含水量越大，粘結(jié)力減小越慢；而內(nèi)摩擦角呈遞減趨勢，但變化不顯著。

3.2.2 含水量與抗剪強度指標之間的關(guān)系 為了深入探究含水量對神女溪滑坡土體抗剪強度參數(shù)的影響，在初步得到含水量與抗剪強度定性關(guān)系的基礎(chǔ)上，筆者分別對含水量與粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角之間的定量關(guān)系開展了進一步的研究。結(jié)果見圖10，11。

圖10 含水量與粘結(jié)力的關(guān)系曲線

圖11 含水量與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線

含水量與抗剪強度指標之間的擬合公式及相關(guān)系數(shù)見表4。

表4 含水量與粘聚力及內(nèi)摩擦角擬合公式

續(xù)表

從表格統(tǒng)計結(jié)果可以看到含水量w與粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ之間的關(guān)系進行擬合是滿足要求的，相關(guān)系數(shù)較高，達到0.905以上。

綜合c與w的擬合曲線關(guān)系可以表達為：

φ與w之間呈線性關(guān)系，即：

式（5）、（6）中a，b，d，m，n均為函數(shù)的系數(shù)。

試驗結(jié)果表明神女溪滑坡土體的抗剪強度指標與含水量存在一定響應(yīng)關(guān)系：

1）粘結(jié)力與含水量近似成二次曲線關(guān)系，隨含水量增加迅速降低，當(dāng)含水量達到約18.21%時，粘結(jié)力變化趨于穩(wěn)定。由庫倫定律可知，粘結(jié)力是土體抗剪強度的重要組成部分。它是由粘土顆粒粒子間通過離子鍵相互連接而形成的。由于土顆粒粒徑較小，比表面積大，且粒間距離小，顆粒表面具有較強的分子引力；分布于粒子外層的具有較強粘結(jié)性的結(jié)合水，使土體顆粒之間通過這種具有粘性的結(jié)合水膠結(jié)在一起，從而為土體的剪切破壞提供抗力。研究表明，在設(shè)計含水量范圍內(nèi)，隨著含水量的增加，粒子外層水化膜厚度也增加，結(jié)合水的粘滯性減弱，土顆粒的粘結(jié)力減小即土體剪切抗力削弱。

2）內(nèi)摩擦角與含水量近似成線性關(guān)系，但隨含水量增加而減小的幅度不顯著。內(nèi)摩擦角也是土體抗剪強度的重要組成部分，主要來自于顆粒間的相互擠壓和咬合作用，從而形成摩擦阻力，抵抗土體變形破壞。在含水量較低時，土粒表面擴散層厚度較小，結(jié)合力強，實際顆粒表面變成密接，嵌合作用強烈，內(nèi)摩擦角較大；當(dāng)含水量增大時，土粒表面擴散層厚度增大，水分在土粒表面起到潤滑劑作用，使內(nèi)摩擦角φ減小。

4 結(jié) 論

1）神女溪滑坡土體礦物成分主要含有方解石、石英和粘土礦物，粘土礦物中親水性礦物對滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響。

2）在設(shè)計含水量范圍內(nèi)，神女溪滑坡土體的抗剪強度在不同含水量條件下存在一定關(guān)系，即含水量越高，抗剪強度越低，降低的幅度隨著含水量的不同存在一定差異。

3）粘結(jié)力與含水量關(guān)系近似二次曲線關(guān)系；而內(nèi)摩擦角與含水量近似線性關(guān)系，即

4）含水量對抗剪強度的影響，主要通過影響土體的粘結(jié)力降低抗剪強度。

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