吳岱諠，曹世超，吳 琦，王現(xiàn)國(guó)，閆亞景

（1.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450046；2.河南省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南鄭州450012）

在庫水位升降與周期性降雨影響下，庫岸滑坡常發(fā)生整體或者局部再變形、失穩(wěn)現(xiàn)象，誘發(fā)滑坡復(fù)活［1-3］。庫岸滑坡復(fù)活過程中，地表變形量呈階躍式、周期性增大趨勢(shì)，說明老滑坡復(fù)活過程具有不同變形速率，呈間歇性［4-6］?；掳l(fā)生滑動(dòng)并進(jìn)入殘余穩(wěn)定狀態(tài)后巖土的抗剪強(qiáng)度具有隨蠕滑速度不同而不斷變化的特點(diǎn)，緩慢蠕滑過程中特定條件下滑帶土具有強(qiáng)度恢復(fù)的特性［7-9］。因此，開展不同變形速率下巖土體剪切性狀研究對(duì)于理清庫岸老滑坡復(fù)活或庫岸不穩(wěn)定斜坡變形與失穩(wěn)機(jī)制具有重要意義?；率情_放系統(tǒng)［10］，目前針對(duì)滑帶土殘余狀態(tài)后期隨外界自然因素和誘發(fā)因素（暴雨、水庫工程建設(shè)和地震等）改變下抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律的研究較少［5，11］，已無法應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的外界環(huán)境和工程的實(shí)際需求。

本文以金坪子滑坡Ⅱ區(qū)滑帶土為研究對(duì)象，通過室內(nèi)環(huán)剪試驗(yàn)研究不同剪切速率和含水率下滑帶土強(qiáng)度的變化規(guī)律，確定滑坡在發(fā)生滑動(dòng)后其強(qiáng)度隨剪切速率的變化情況，以及滑坡受降雨等因素影響下強(qiáng)度隨含水率變化的特性，以期為滑坡穩(wěn)定性分析、評(píng)價(jià)和防治工程中參數(shù)的選取奠定基礎(chǔ)。

1 滑坡概況及試驗(yàn)方案

1.1 滑坡概況及試驗(yàn)土樣

金坪子滑坡距金沙江下游烏東德水電站壩址約900 m，若產(chǎn)生大規(guī)模失穩(wěn)可能會(huì)形成堰塞湖，影響發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此應(yīng)對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，預(yù)判其可能失穩(wěn)方式以及失穩(wěn)規(guī)模，并采取有效工程措施加以防范。根據(jù)滑坡地形地貌條件、形成發(fā)育歷史、變形破壞特點(diǎn)和穩(wěn)定性現(xiàn)狀，將金坪子滑坡分為5個(gè)區(qū)（見圖1），由金坪子滑坡2005—2016年地表水平和垂直方向累計(jì)位移、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均位移速率等值線圖發(fā)現(xiàn)，滑坡整體處于持續(xù)活動(dòng)狀態(tài)，但位移速率并不恒定［12］。因此試驗(yàn)滑帶土取自有明顯蠕滑滑動(dòng)的金坪子滑坡Ⅱ區(qū)——阿擺—熊家水井大溝蠕滑體。

圖1 金坪子滑坡分區(qū)

滑坡Ⅱ區(qū)體積約2 700萬m3，地形平均坡度為26°，呈“牽引式”蠕滑變形破壞特征，表層為松散白云巖塊石碎石土，下部以千枚巖碎屑土為主，試驗(yàn)所用滑帶土取自前緣蠕滑體滑帶出露的試坑內(nèi)。土樣為千枚巖碎屑土，灰黑色夾少量礫石，硬-可塑狀，結(jié)構(gòu)緊密，礦物成分以黏土礦物為主，其中伊利石含量約占60%。嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）要求對(duì)土樣進(jìn)行了基本物理性質(zhì)試驗(yàn)。

試驗(yàn)測(cè)試得到土樣天然含水率為11%，密度為2.35 g/cm3，相對(duì)體積質(zhì)量為2.81，干密度為2.13 g/cm3，滲透系數(shù)為 6.31×10-6cm/s，滲透性差，起隔水作用，土樣的液限為27.1%，塑限為13.3%，塑性指數(shù)為13.8。顆粒分析試驗(yàn)由密度計(jì)法測(cè)得，黏粒含量約占29%，土樣的粉粒含量較高，級(jí)配良好（見圖2），結(jié)合上述試驗(yàn)土樣最終確定為粉質(zhì)黏土。

圖2 試樣粒徑分布曲線

1.2 試驗(yàn)儀器及方案

1.2.1 試驗(yàn)儀器

剪切速率、含水率、正應(yīng)力等是影響滑帶土強(qiáng)度的重要因素，環(huán)剪試驗(yàn)是測(cè)試滑帶土殘余強(qiáng)度的優(yōu)選方法，本研究利用德國(guó)Wille公司生產(chǎn)的高精度全自動(dòng)閉環(huán)控制ARS-3型靜態(tài)環(huán)剪儀對(duì)滑帶土試樣進(jìn)行不同剪切速率、含水率下的剪切試驗(yàn)。該儀器精度較高，為0.1%。試驗(yàn)過程中剪切面積保持恒定，旋轉(zhuǎn)角或剪應(yīng)變可無限增大，施加最大正應(yīng)力、剪應(yīng)力均為1 000 kPa，剪切速率為0.001～600.000 mm/min，最終獲得剪切強(qiáng)度和強(qiáng)度指標(biāo)。

1.2.2 試驗(yàn)方案

環(huán)剪試驗(yàn)設(shè)定剪切速率為0.05、0.50、5.00 mm/min，均在每一級(jí)剪切速率下剪切至穩(wěn)定殘余狀態(tài)后換下一級(jí)速率。試樣含水率分別為 13.2%、10.1%、7.2%，為準(zhǔn)確測(cè)得土體的殘余強(qiáng)度，不同含水率下試驗(yàn)剪切速率均為0.05 mm/min。由于土樣的滲透性較差，在滑動(dòng)過程中可能來不及排水，因此進(jìn)行了不排水剪切試驗(yàn)和完全排水剪切試驗(yàn)，以對(duì)比不同排水條件下的抗剪強(qiáng)度。

試驗(yàn)采用重塑樣，試樣尺寸為外徑100 mm、內(nèi)徑50 mm、高度20 mm。嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）相關(guān)規(guī)定制備試樣。將土樣風(fēng)干、過篩，為了消除干密度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)干密度統(tǒng)一采用2.13 g/cm3，加去離子水配置土樣，置于保濕缸24 h以上以保證土樣中水分均勻；將試樣分層裝入剪切盒并壓實(shí)，將上一層土表面刮毛以保證每層土充分接觸；飽和試樣采用抽真空飽和，飽和時(shí)間不少于12 h，飽和過程完成后，用制樣設(shè)備挖去環(huán)刀樣中心部分，將試樣裝入環(huán)剪儀中，在正應(yīng)力分別為100、200、300、400 kPa下固結(jié)至穩(wěn)定后進(jìn)行剪切。為減少試驗(yàn)過程中儀器密閉性不夠造成的水分流失，儀器外部用濕毛巾覆蓋。每組試樣設(shè)置平行試驗(yàn)，共對(duì)32個(gè)試樣進(jìn)行了試驗(yàn)（見表1）。

表1 試驗(yàn)試樣統(tǒng)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 變剪切速率下滑帶土抗剪強(qiáng)度

每級(jí)剪切速率下試樣剪切達(dá)到殘余狀態(tài)并穩(wěn)定后換下一級(jí)速率，模擬速率由小到大波動(dòng)改變情況下滑帶土剪應(yīng)力的變化，試樣剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線見圖3。由圖3可以看出，第一級(jí)0.05 mm/min速率剪切時(shí)，低正應(yīng)力（100、200 kPa）條件下，試樣剪切呈明顯應(yīng)變軟化型，在剪切初期，隨著位移的增加，剪應(yīng)力呈快速增大趨勢(shì)，達(dá)到峰值后剪應(yīng)力降低，有明顯的峰值和穩(wěn)定殘余值；高應(yīng)力（300、400 kPa）條件下，試樣的應(yīng)變軟化現(xiàn)象不明顯，但隨著正壓力的增大，試樣達(dá)到穩(wěn)定殘余狀態(tài)所需的位移變小。第一級(jí)速率剪切至穩(wěn)定后變?yōu)榈诙?jí)速率，或第二級(jí)速率變?yōu)榈谌?jí)速率，速率增大一級(jí)，穩(wěn)定剪應(yīng)力出現(xiàn)一定上升，但隨著剪切位移的增大，又會(huì)降低到一個(gè)穩(wěn)定的剪應(yīng)力值，這一現(xiàn)象與Carrubba等［13］的研究結(jié)果相同。低正應(yīng)力下，試樣剪應(yīng)力的恢復(fù)較高正應(yīng)力下的弱。

圖3 變速率下滑帶土剪應(yīng)力變化曲線

由剪應(yīng)力—位移曲線得到試樣在不同正應(yīng)力下隨速率改變的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度，見表2?？梢钥闯?，試樣抗剪強(qiáng)度的變化情況為，同一剪切速率下隨著正應(yīng)力的增大峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度均增大。同一正應(yīng)力下，隨著剪切速率的改變?cè)嚇拥膹?qiáng)度變化情況較為復(fù)雜。低正應(yīng)力下，改變剪切速率后試樣的峰值強(qiáng)度均減小；高正應(yīng)力下，第二次改變剪切速率后，試樣的峰值強(qiáng)度與前一級(jí)速率下峰值強(qiáng)度相差不大。經(jīng)計(jì)算，各正應(yīng)力下剪切速率為0.50 mm/min時(shí)的峰值強(qiáng)度比剪切速率為0.05 mm/min時(shí)的殘余強(qiáng)度增大5%～39%，5.00 mm/min時(shí)的峰值強(qiáng)度比0.50 mm/min時(shí)的殘余強(qiáng)度增大6%～23%。殘余強(qiáng)度的變化情況較峰值強(qiáng)度簡(jiǎn)單，在改變剪切速率后均比前一級(jí)速率下的殘余強(qiáng)度稍小。

表2 不同正應(yīng)力下試樣抗剪強(qiáng)度

以正應(yīng)力為200 kPa下的峰值強(qiáng)度隨剪切速率的變化為例，當(dāng)剪切速率由0.05 mm/min增大到0.50 mm/min時(shí)，新形成的峰值強(qiáng)度比第一次剪切的峰值強(qiáng)度小，而5.00 mm/min剪切速率下形成的峰值強(qiáng)度也較前一級(jí)速率下的峰值強(qiáng)度小?？傮w表現(xiàn)為改變剪切速率后有強(qiáng)度恢復(fù)發(fā)生，但其強(qiáng)度不會(huì)恢復(fù)到最初的峰值。正應(yīng)力為400 kPa時(shí)，峰值強(qiáng)度卻隨著剪切速率的增大出現(xiàn)比上一級(jí)峰值強(qiáng)度更大的現(xiàn)象，增幅為1%～3%。

2.2 含水率對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

研究區(qū)雨季降水量豐富，暴雨較多，滑帶土的強(qiáng)度特性與含水率密切相關(guān)，隨著含水率的增大土體的抗剪強(qiáng)度減小。而強(qiáng)度的變化取決于土體的物質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制等，因此滑帶土強(qiáng)度指標(biāo)的確定是滑坡穩(wěn)定性分析及治理的關(guān)鍵。

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）中峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的取值規(guī)定（剪應(yīng)力—應(yīng)變曲線上的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度值為峰值強(qiáng)度，最后剪應(yīng)力的最小穩(wěn)定抗剪強(qiáng)度值為殘余強(qiáng)度）。獲得不同正應(yīng)力條件下滑帶土在不同含水率下的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度，采用直線強(qiáng)度包絡(luò)線來擬合滑帶土試樣的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度指標(biāo)，進(jìn)而獲得試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角以及殘余黏聚力和殘余內(nèi)摩擦角（見表3），各參數(shù)隨含水率變化趨勢(shì)見圖4。

表3 峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度指標(biāo)

由圖4（a）可以看出，峰值黏聚力與含水率成線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨含水率的增大黏聚力線性減??；內(nèi)摩擦角隨含水率的增大也呈線性減小趨勢(shì)，但在相同含水率增幅比例下，黏聚力的變化幅度比內(nèi)摩擦角的變化幅度稍大。類似于峰值強(qiáng)度指標(biāo)的變化趨勢(shì)，殘余強(qiáng)度參數(shù)中殘余黏聚力隨著含水率的增大而線性減小，但變化幅度比峰值黏聚力變化幅度稍??；殘余內(nèi)摩擦角的變化幅度更小，其值為20°～21°。內(nèi)摩擦角與顆粒的粗糙度和剪切過程中顆粒的滑動(dòng)程度有關(guān)，同一種土體其內(nèi)部粗糙度以及顆粒粒徑分布大致相同，含水率的增大起到一定潤(rùn)滑作用，使內(nèi)摩擦角減小。殘余內(nèi)摩擦角主要是剪切面處土顆粒定向排列程度的體現(xiàn)，含水率增大，受自由水潤(rùn)滑作用影響，剪切過程中細(xì)顆粒的定向排列更加明顯，因此摩擦角減小。土體中含有大量伊利石礦物，在大位移剪切下易發(fā)生定向排列，自由水對(duì)其影響程度并不是太大，因此殘余內(nèi)摩擦角變化幅度很小。

土體中黏聚力與含水率變化有很大關(guān)系，隨著含水率的增大，越來越多的水聚集在土體中，顆粒的吸附水膜增厚，使顆粒間的作用力和膠結(jié)作用大大削弱，造成黏聚力減小。強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)土體強(qiáng)度的影響是難以區(qū)分的，但就本次研究的滑帶土來看，含水率主要通過影響?zhàn)ぞ哿砜刂仆馏w強(qiáng)度。同一含水率下排水剪切和不排水剪切試驗(yàn)獲得的滑帶土強(qiáng)度指標(biāo)不同（見表3），不排水試驗(yàn)下測(cè)得的強(qiáng)度參數(shù)值均比排水剪切試驗(yàn)條件下測(cè)得的強(qiáng)度參數(shù)值小。從含水率來分析，不排水剪切時(shí)剪切面上的水排不出來，會(huì)聚集在剪切面上，使含水率增大，顆粒間的作用力減弱，強(qiáng)度減小。

滑帶土滲透性較差，使地下水聚集在千枚巖碎屑土層，隨著時(shí)間的推移，千枚巖碎屑土逐漸發(fā)生泥化、軟化，又經(jīng)歷固結(jié)、壓密、碾磨和剪切的過程，物理力學(xué)性能逐漸劣化，內(nèi)摩擦角、黏聚力隨之減小，抗剪強(qiáng)度大大降低。因此，滑體總是沿千枚巖碎屑土層蠕滑變形，在進(jìn)行滑坡治理時(shí)建議以排水為主。

圖4 強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率變化曲線

3 討論與分析

剪切剛開始時(shí)無明顯的剪切帶，顆粒間的摩擦及混亂排列均需要克服較大的剪應(yīng)力，所以剪應(yīng)力增大很快；隨著剪切的進(jìn)行，顆粒被剪碎、磨平，變得越來越光滑，剪應(yīng)力降低，并且剪切過程中水分轉(zhuǎn)移，使剪切帶含水率增大，導(dǎo)致剪應(yīng)力減?。?4］。研究滑帶土中黏土顆粒以伊利石礦物為主，沿剪切方向易發(fā)生定向排列，使剪應(yīng)力大幅度降低，這也是試樣從峰值強(qiáng)度降低到殘余強(qiáng)度出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象的原因之一。

每一級(jí)速率剪切穩(wěn)定后變換下一級(jí)速率時(shí)出現(xiàn)的強(qiáng)度恢復(fù)現(xiàn)象，可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行解釋。從剪切速率進(jìn)行分析，采用第一級(jí)剪切速率剪切時(shí)土體經(jīng)歷了由破壞到穩(wěn)定，變換速率后，速度改變產(chǎn)生的超孔隙水壓力使剪切強(qiáng)度發(fā)生變化［6］；相較“溫柔”的低速率，高速率能使顆粒剪切得更徹底，顆粒的滾動(dòng)和運(yùn)移幅度更大，剪切方式也有可能發(fā)生變化，擾動(dòng)已定向排列好的土顆粒使其發(fā)生變化［6］，因此剛變換大速率時(shí)在一段較小位移內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度升高，但土體已經(jīng)經(jīng)歷過剪切至定向排列穩(wěn)定階段，顆粒之間的摩擦和咬合作用降低，滑動(dòng)摩擦力逐步減小，而正壓力未改變，繼續(xù)進(jìn)行剪切后土樣直接達(dá)到殘余強(qiáng)度，不再有升高的趨勢(shì)。從土體結(jié)構(gòu)來看，在長(zhǎng)距離、大位移的環(huán)剪試驗(yàn)中，剪切速率與含水率對(duì)滑帶土殘余強(qiáng)度的控制規(guī)律，實(shí)際上就是土體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)于兩者響應(yīng)類型、程度的變化規(guī)律［5］。

滑帶土進(jìn)入殘余狀態(tài)時(shí)剪切面處土顆粒沿剪切方向呈定向排列，土體內(nèi)部已達(dá)到平衡狀態(tài)。若靜置不動(dòng)，則土顆粒和水分子重新組合排列，形成新的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度得到一定程度恢復(fù)。本次研究盡管沒有停止剪切，但滑帶土試樣的粒徑分布結(jié)果顯示顆粒成分主要為細(xì)粒（黏粒和粉粒），隨著剪切的進(jìn)行，顆粒破碎使剪切面上黏粒含量增大，在上覆壓力作用下，沿早期剪切面發(fā)生顆粒的相互黏結(jié)，嵌合密實(shí)度增大，并且正應(yīng)力越大土顆粒被壓得越緊密，從而導(dǎo)致被破壞的黏聚力隨時(shí)間產(chǎn)生部分修復(fù)，即強(qiáng)度有所恢復(fù)，形成新的強(qiáng)度［9］和新的平衡狀態(tài)。黏聚力的破壞是無法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)的，因此再生強(qiáng)度大部分發(fā)生在剪切速率改變后較短時(shí)間內(nèi)，隨著剪切的進(jìn)行強(qiáng)度增加幅度逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

針對(duì)金坪子滑坡滑帶土進(jìn)行了不同剪切速率、不同含水率、多級(jí)正應(yīng)力水平下的室內(nèi)環(huán)剪試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：剪切過程中滑帶土的應(yīng)變軟化現(xiàn)象明顯，且正應(yīng)力越大，土體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的位移越??；剪切速率對(duì)滑帶土強(qiáng)度和滑坡變形特性有重要影響，滑帶土在殘余穩(wěn)定狀態(tài)之后隨著剪切速率的增大，殘余強(qiáng)度均減小，但其峰值強(qiáng)度較上一級(jí)剪切速率下的殘余強(qiáng)度有一定程度的增大，且正應(yīng)力越大，土體強(qiáng)度增加的幅度越大，但均在剪切一段位移后又重新降低；含水率對(duì)滑帶土的強(qiáng)度參數(shù)影響明顯，土體的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度均隨含水率的增大而線性減小，但內(nèi)摩擦角的減小幅度較黏聚力的小，究其原因可能在于，水的存在使滑帶土中原始膠結(jié)遭到削弱破壞后，黏結(jié)作用變差，黏聚力減小，抗剪強(qiáng)度降低，建議在進(jìn)行滑坡治理時(shí)以排水為主。