鄭苗苗, 鄭 泓, 李同錄

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪工程學(xué)院, 西安 710054; 2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站, 西安 710054)

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關(guān)中西部大型黃土滑坡滑帶土的物理力學(xué)特性研究

鄭苗苗1，2, 鄭 泓1, 李同錄1

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪工程學(xué)院, 西安 710054; 2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站, 西安 710054)

選取寶雞市金臺(tái)區(qū)為研究區(qū)域，通過對(duì)比分析三門組黏土與三趾馬紅土2類滑帶土的成分、結(jié)構(gòu)、物理及力學(xué)性質(zhì)，揭示滑坡發(fā)生的物理力學(xué)特征。對(duì)兩類滑帶土取樣，通過移液管全分散法分析兩類黏土黏粒含量，并進(jìn)行黏土礦物X射線衍射定量測(cè)試，經(jīng)掃描電鏡放大觀察微觀結(jié)構(gòu)，用威廉姆斯膨脹判別法判別膨脹性，采用105℃恒溫烘干后的試樣和天然含水量2種試樣，放入注入清水的容器中進(jìn)行崩解性試驗(yàn)，在天然和飽和2種狀態(tài)下進(jìn)行室內(nèi)慢剪試驗(yàn)。結(jié)果表明，二者均屬于中等—強(qiáng)膨脹性土，遇水易崩解；兩類黏土峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度差異大，粘聚力平均降低2/3，含水量對(duì)其強(qiáng)度影響明顯，飽和狀態(tài)下，內(nèi)聚力較天然狀態(tài)降低30%，內(nèi)摩擦角降低25%。說明滑坡發(fā)生時(shí)，黏土的峰殘差值形成較大的下滑推力，導(dǎo)致滑體沿著滑床面瞬間高速滑動(dòng)。

黃土滑坡; 滑帶土; 物理特性; 內(nèi)摩擦角; 粘聚力; 上新世黏土

陜西關(guān)中渭北黃土塬南緣是大型黃土滑坡的高發(fā)區(qū)，寶雞市金臺(tái)區(qū)市區(qū)北坡長22 km，寬0.5～0.9 km的黃土塬邊地帶分布有滑坡體27處，占金臺(tái)區(qū)滑坡總數(shù)的70%。由于這些滑坡僅1983年就造成110人死亡。因此，這類大型滑坡帶一直受有關(guān)學(xué)者的關(guān)注，并開展了一些研究。胡海濤等[1]認(rèn)為河流侵蝕和下切是形成渭北高陡斜坡和大型滑坡發(fā)生的外動(dòng)力因素，黃土下部的三門系黏土是該區(qū)域斜坡的易滑地層，現(xiàn)今斜坡的穩(wěn)定性與地下水的作用有關(guān)；胡廣韜[2]認(rèn)為地下水的轉(zhuǎn)換以及渭河周期側(cè)蝕作用誘發(fā)了一系列老滑坡，而新滑坡形成與塬邊斜坡內(nèi)地下水作用有關(guān)；李濱等[3-4]認(rèn)為蠕滑—滑移—拉裂是渭北塬邊滑坡的主要變形運(yùn)動(dòng)方式，具體破壞模式包括擴(kuò)展式旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)、漸滅式旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)和復(fù)合式旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)。龍建輝等[5]認(rèn)為黃土滑坡滑帶土的蠕變變形分為3個(gè)階段：等速蠕變、加速蠕變和蠕變破壞。李瑞娥[6]研究了黃土滑坡滑帶土的微觀與宏觀特征、變形破壞模式。

近年來的地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，渭北黃土塬邊厚層黃土下部廣泛分布有兩類地層，雖然關(guān)于這兩類地層的時(shí)代與成因存在著一定爭(zhēng)議，但總體上認(rèn)為這類地層是上新世末期至早更新世的過渡。地層一類是紅色黏土沉積，由于其中發(fā)現(xiàn)三趾馬動(dòng)物群，稱之為“三趾馬紅黏土”；另一類是灰黃色、灰綠色、紅色黏土、砂質(zhì)黏土及砂礫石河湖相沉積地層，為三門組沉積(圖1)[4,7-9]。

這兩類地層是渭北黃土塬邊大型滑坡的基座，也是滑帶地層。因此，選取寶雞市金臺(tái)區(qū)為研究區(qū)域，并通過試驗(yàn)認(rèn)識(shí)和對(duì)比分析兩類地層的成分、結(jié)構(gòu)及物理和力學(xué)性質(zhì)對(duì)揭示大型滑坡的發(fā)生具有重要的意義。

圖1　渭北黃土塬邊大型滑坡滑帶地層

1　滑帶土的物質(zhì)組成

研究區(qū)的三趾馬紅土和三門組黏土屬于上新世硬黏土，成巖時(shí)間短、膠結(jié)程度差、強(qiáng)度低，且具有脹縮性，其物質(zhì)組成和物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1　兩類黏土的物質(zhì)組成和物理化學(xué)性質(zhì)

1.1粒度成分

通過移液管全分散法粒度分析表明，兩類黏土黏粒含量比黃土高，其中三趾馬紅土黏粒和膠粒含量明顯大于三門組硬黏土，三門組黏土的黏粒(<0.005 mm)含量約35%～45%，最低27.3%，膠粒(<0.002 mm)含量平均約26%～40%；三趾馬紅土的黏粒(<0.005 mm)含量一般在40%～50%，最低的37.1%，膠粒(<0.002 mm)含量平均約32%～45%，最低膠粒含量30.2%。當(dāng)然，由于局部沉積環(huán)境的差異，不同類型的黏土黏粒含量在垂直和水平方向上常有一定變化，即使同一層硬黏土也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

1.2黏土礦物成分

黏土礦物X射線衍射定量測(cè)試通常采用以下3種樣品方法處理，然后分別對(duì)3種樣品進(jìn)行定量測(cè)定。(1)d<2 μm的懸液制成的定向片樣品；(2) 乙二醇飽和處理的d<2 μm的懸液制成的定向片樣品；(3) 550℃條件下加熱2 h的d<2 μm的黏粒制成的定向片樣品[10-13]。黏土礦物組成綜合測(cè)定結(jié)果表明，三門組黏土和三趾馬紅黏土礦物都是以蒙脫石或伊利石/蒙脫石混層礦物為主，伊利石、高嶺石、綠泥石等共生組合(表2，圖2)。三門組黏土的黏土礦物以伊利石/蒙脫石混層礦物為主，且具有結(jié)晶程度差的特點(diǎn)，次要黏土礦物為伊利石，同時(shí)含有少量高嶺石、綠泥石等(圖2A)。伊利石/蒙脫石混層礦物占黏土礦物的相對(duì)含量的55%～82%，其混層比約為45%，屬中等混合比礦物，次要礦物伊利石相對(duì)含量占12%～31%，同時(shí)伴生6%～7%左右的高嶺石和綠泥石。伊利石/蒙脫石混層礦物占天然干土重的18.0～23.9%(絕對(duì)含量)，伊利石占3.3%～13.5%，高嶺石占1.7%～6.1%。三趾馬紅土以Ca—蒙脫石為主，在黏粒中普遍含有伊利石、高嶺石(圖2B)，其中蒙脫石主要以中—高混層比的伊利石/蒙脫石混層礦物形式存在，混層比為40%～70%，相對(duì)含量55%～75%，絕對(duì)含量22.0%～34.0%，次要礦物伊利石相對(duì)含量15%～31%，同時(shí)伴生的高嶺石相對(duì)含量4%～14%，還有少量綠泥石存在。

1.3結(jié)構(gòu)特征

(1) 細(xì)觀結(jié)構(gòu)。受沉積環(huán)境的影響，兩類黏土層中存在大量不同性質(zhì)、規(guī)模和成因的裂隙，包括構(gòu)造節(jié)理裂隙、卸荷裂隙、淋濾裂隙、脹縮裂隙、凍融裂隙和風(fēng)化裂隙等。裂隙之間的互相穿插、切割形成立體的網(wǎng)絡(luò)裂隙系統(tǒng)，這些裂隙往往導(dǎo)致黏土工程性質(zhì)降低。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黏土層間或與上覆黃土之間發(fā)育有明顯的層間剪切帶，三門組黏土常與砂礫石層交互沉積，這種組合導(dǎo)致一些軟硬程度差異懸殊的層面存在，在外力作用下極易形成層間剪切帶，剪切帶厚度一般5～10 cm，總體產(chǎn)狀平緩，由于黏土中蒙脫石、伊利石等膨脹性礦物含量較高，因此地下水對(duì)層間剪切帶的物理力學(xué)性質(zhì)的弱化作用明顯。而三趾馬紅土與上覆厚層黃土之間存在不整合面，表層受強(qiáng)烈風(fēng)化剝蝕和侵蝕作用強(qiáng)度降低，黃土覆蓋之后在新構(gòu)造活動(dòng)環(huán)境中極易發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)，形成層間剪切帶。

表2兩類黏土的黏土礦物定量分析結(jié)果

黏土名稱編號(hào)<2μm/%黏土礦物相對(duì)含量/%II/SCKI/S混層比/%黏土礦物絕對(duì)含量/%II/SCK143.63155—144513.523.9—6.1三門組229.0256267457.318.01.72.0黏土339.0226576508.625.42.72.3427.61282—6453.322.6—1.7138.22667—7409.925.6—2.7237.9157537555.728.41.12.7333.0177247455.623.81.32.3三趾馬436.1197236456.926.01.12.2紅土538.5187624556.929.30.81.5631.9216946406.722.01.31.9735.0226378407.722.12.52.8842.53155—14705.234.0—2.6

注：I/S為伊利石、蒙脫石混層礦物，I為伊利石，K為高嶺石，C為綠泥石。

圖2　兩類黏土X射線衍射曲線

(2) 微觀結(jié)構(gòu)。譚羅榮等[14]將膨脹土中的微觀結(jié)構(gòu)分為6種類型：絮凝結(jié)構(gòu)、定向排列結(jié)構(gòu)、粒狀堆積結(jié)構(gòu)、膠粘結(jié)構(gòu)、紊流結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)。對(duì)于大多數(shù)膨脹性硬黏土而言，微觀結(jié)構(gòu)往往是幾種結(jié)構(gòu)的綜合[15-16]。

研究區(qū)黏土樣品經(jīng)掃描電鏡放大2 000倍，其試驗(yàn)結(jié)果顯示(圖3—4)，三門組黏土的微觀結(jié)構(gòu)類型主要有絮凝結(jié)構(gòu)、膠粘結(jié)構(gòu)、紊流結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)；三趾馬紅土的微觀結(jié)構(gòu)類型主要有絮凝結(jié)構(gòu)、定向排列結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于黏土黏粒含量高，黏土礦物以蒙脫石或中高混合比的伊利石/蒙脫石混層礦物為主，高嶺石含量較少，因此粒狀堆積結(jié)構(gòu)較少。從掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果可以看出，黏土的微觀結(jié)構(gòu)格架中微孔隙或微裂隙較為發(fā)育，為水的下滲提供通道，當(dāng)水入滲時(shí)，呈邊—面、面—面緊密疊置的蒙脫石、伊利石黏粒片吸水，水化膜增厚膨脹，反之，水分蒸發(fā)流失，黏粒片水膜減薄收縮，這就是膨脹土脹縮的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)。

圖3　三門組黏土樣品掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果

圖4　三趾馬紅土樣品掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果

2　滑帶土的物理特性

2.1物理性質(zhì)

從表3中可以看出，三門組黏土的天然含水量為12.3%～24.2%，平均17.5%，三趾馬紅土天然含水量為12.1%～20.5%，平均16.0%；三門組黏土的天然容重1.9～2.2 g/cm3，平均2.0 g/cm3，干容重1.7～1.8 g/cm3，平均1.7 g/cm3，孔隙比0.4～0.7，平均0.6，三趾馬紅土天然容重2.0～2.1 g/cm3，平均2.1 g/cm3，干容重1.6～1.9 g/cm3，平均1.8 g/cm3，孔隙比0.4～0.6，平均0.5?？梢钥闯觯瑑深愷ね撂烊缓慷驾^高，且比較接近，與中新世泥巖相比密度較低，說明固結(jié)較差，高含水量和低密度預(yù)示著黏土一般具有較低的強(qiáng)度。三門組黏土液限27.2%～49.9%，平均38.9，塑性指數(shù)13.7～23.0，平均18.4，液性指數(shù)-0.4～0.2，平均-0.2；三趾馬紅土液限36.7%～57.3%，平均44.1，塑性指數(shù)17.8～33.0，平均23.3，液性指數(shù)-0.5～0.1，平均-0.2，均為硬黏土。

表3　兩類黏土物理性質(zhì)測(cè)試統(tǒng)計(jì)表

注:括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為平均值。

2.2膨脹性

采用了威廉姆斯膨脹判別法[8-11]進(jìn)行判別(圖5)，結(jié)果表明，上新世三門組黏土和三趾馬紅土都屬于中等—強(qiáng)膨脹性土。

圖5　兩類黏土膨脹勢(shì)判別圖

2.3崩解性

采用105℃恒溫烘干后的試樣和天然含水量的試樣放入注入清水的容器中進(jìn)行試驗(yàn)(圖6)，觀察試塊隨時(shí)間碎裂的過程。結(jié)果表明，兩類黏土在干燥和天然狀態(tài)下的崩解性極強(qiáng)，干燥試樣的崩解速度更快，崩解耐久性極差，三趾馬紅土和三門組硬黏土干燥試樣在1 h內(nèi)全部崩解，天然試樣則在6 h內(nèi)全部崩解。三趾馬紅土和三門組黏土的黏土礦物多以蒙脫石或伊利石/蒙脫石混層這種親水性強(qiáng)、膨脹性強(qiáng)礦物為主、伊利石、高嶺石、綠泥石等共生組合，膠結(jié)程度差，伴有裂隙及微裂縫存在，因此水入滲孔隙或裂隙時(shí)，細(xì)小顆粒的吸附水膜便會(huì)增厚，引起土體體積的膨脹，在土體內(nèi)部就產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，部分膠結(jié)物會(huì)被稀釋、軟化或溶解，繼而導(dǎo)致土體顆粒的碎裂解體。

3　強(qiáng)度參數(shù)

為了全面了解兩類黏土作為滑帶土的強(qiáng)度特性，結(jié)合區(qū)域滑帶土的發(fā)育特點(diǎn)，對(duì)天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的上新世三門組黏土和三趾馬紅土進(jìn)行相應(yīng)的直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的DSJ-2型電動(dòng)四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀，采用慢剪法，剪切速率0.02 mm/min，垂向壓力分別為100，200，300，400 kPa，每次剪切位移8 mm。

圖6　兩類黏土崩解試驗(yàn)曲線

試驗(yàn)進(jìn)行了天然和飽和情況下的室內(nèi)慢剪試驗(yàn)，三門組黏土和三趾馬紅土試驗(yàn)土樣的主要物理性質(zhì)指標(biāo)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表4，抗剪強(qiáng)度曲線如圖7—8所示。天然含水率條件下，三門組黏土和三趾馬紅土的強(qiáng)度相對(duì)較高，而飽和后，粘聚力和內(nèi)摩擦角均明顯降低，而兩種狀態(tài)下的殘余強(qiáng)度更低，粘聚力平均降低2/3，這對(duì)于滑坡而言，提供了滑坡所形成的軟弱地層，從而形成滑帶。

表4兩類黏土慢剪試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

土樣天然狀態(tài)峰值(均值)C/kPaφ/(°)殘余(均值)C/kPaφ/(°)飽和狀態(tài)峰值(均值)C/kPaφ/(°)殘余(均值)C/kPaφ/(°)三門組黏土128.234.936.122.798.528.132.617.4三趾馬紅土115.134.348.921.275.626.429.415.6

注：表中數(shù)值均為10組以上試驗(yàn)參數(shù)平均值。

圖7上新世三門組硬黏土的抗剪強(qiáng)度曲線圖8三趾馬紅土的抗剪強(qiáng)度曲線

試樣剪應(yīng)力(τ)—剪切位移(u)曲線如圖9—10所示。

(1) 不論是較高的正應(yīng)力還是較低的正壓力作用，天然和飽和含水狀態(tài)下三門組硬黏土變形曲線為強(qiáng)軟化型，即當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)，應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)，隨后應(yīng)變?cè)僭黾佣鴳?yīng)力減小，存在一個(gè)殘余強(qiáng)度；

(2) 在較高或較低的正應(yīng)力作用下，天然和飽和狀態(tài)下的三趾馬紅土的剪應(yīng)力(τ)—剪切位移(u)曲線為軟化型，應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)，隨后應(yīng)變?cè)僭黾佣鴳?yīng)力減小趨勢(shì)欠明顯。

圖9　上新世三門組硬黏土的剪應(yīng)力(τ)-剪切位移(u)曲線

圖10　三趾馬紅土的剪應(yīng)力(τ)-剪切位移(u)曲線

4　結(jié) 論

(1) 兩類黏土成巖時(shí)間短，膠結(jié)程度差、強(qiáng)度低、具有明顯的脹縮特性。黏土普遍具有黏粒含量高的特點(diǎn)，三門組黏土的黏粒含量約35%～45%，三趾馬紅土的黏粒含量一般約為40%～50%；黏土礦物測(cè)試表明，兩類黏土都是以蒙脫石或伊利石/蒙脫石混層礦物為主，由于蒙脫石或伊利石/蒙脫石混層礦物都屬于膨脹性黏土礦物，因此黏土的膨脹性是比較顯著的。

(2) 從細(xì)觀和微觀角度來看，兩類黏土中普遍存在大量裂隙，這為地下水的下滲提供通道，從而導(dǎo)致脹縮現(xiàn)象出現(xiàn)。

(3) 從黏土的物理性質(zhì)來看，黏土天然含水量較高，固結(jié)較差，而且屬于中等—強(qiáng)膨脹性土，而且遇水極易崩解，強(qiáng)度會(huì)迅速降低。

(4) 黏土的慢剪試驗(yàn)來看，兩類黏土峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度差值很大，僅粘聚力而言，平均降低2/3；含水量對(duì)硬黏土的強(qiáng)度影響也十分明顯，飽和狀態(tài)下，兩類硬黏土強(qiáng)度較天然狀態(tài)內(nèi)聚力下降30%左右，內(nèi)摩擦角下降25%左右，主要原因是一方面隨含水量的增加，結(jié)合水膜的粘滯阻力減小，使得顆粒間的摩擦力隨之降低，另一方面，當(dāng)原狀土飽和后，電橋連接被削弱，可溶鹽逐步溶解，因而使得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度迅速降低。因此，滑坡發(fā)生時(shí)，黏土的峰殘差值形成較大的下滑推力，導(dǎo)致滑體沿著滑床面瞬間高速滑動(dòng)，這很好地解釋了渭河北岸大型高速的多級(jí)旋轉(zhuǎn)滑坡產(chǎn)生的原因。

致謝:本研究得到中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所李濱副研究員(博士)的大力支持，在此表示誠摯的感謝。

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Study on Physical-Mechanical Properties of Sliding Soil of Large-Scale Loess Landslides in Western Guanzhong

ZHENG Miaomiao1，2, ZHENG Hong1, LI Tonglu1

(1.SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang′anUniversity,Xi′an710054,China;2.ShannxiInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Xi′an710054,China)

We selected Jintai District of Baoji City as the study area to reveal the physical and mechanical characteristics of landslide by comparison and analysis of the composition, structure, physical and mechanical properties with two kinds of sliding zone soil: Sanmen group red clay and Hipparion laterite. We sampled of two kinds of sliding zone to analyze the clay contents of two kinds of clay soils by pipette the dispersion method, and to do the X-ray diffraction quantitative test for clay minerals, to observe the microstructure after amplification by scanning electron microscopy, to discriminate the expansibility with Williams expansion criterion, to do the disintegration test with one sample after drying with 105℃ constant temperature and the other sample with natural water content, and to do the indoor slow shear test in both natural and saturated state. The results show that these two kinds of clay soils belong to the medium to strong expansive soil, easily collapse after wetting. There is a great difference between the peak strength and residual strength of two kinds of clay soils. Cohesion is an average reduction of 2/3, and the strength has obvious effect with containing water. The cohesive force decreased by 30% and the internal friction angle decreased by 25%, showing that the peak residual value of the clay causes the larger down thrust when landslides occurs, and leads to instant sliding at high speed sliding along the sliding bed surface.

loess landslides; sliding soil; physical properties; internal friction angle; cohesion; Pliocene clay

2014-10-30

2015-04-01

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目“黃土重大災(zāi)害及災(zāi)害鏈的發(fā)生、演化機(jī)制與防控理論”(2014CB744701);國家自然科學(xué)資助項(xiàng)目(41372329，40772181)

鄭苗苗(1984—),女,陜西西安人,工程師,博士研究生,主要從事地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)工程研究。E-mail:zhengmiaomiao07@126.com

P642.22

A

1005-3409(2016)01-0343-06