胡 樂 辛 鵬 王 濤 梁昌玉 李從安

1. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081;2. 中國地質(zhì)大學(xué) (北京), 北京 100083;3. 新構(gòu)造運(yùn)動與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081;4. 長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430010

0 引言

新近紀(jì)硬土軟巖滑坡在西班牙、 新西蘭以及中國西北地區(qū)廣泛分布, 此類滑坡具有活動性強(qiáng)、致災(zāi)規(guī)模大的特點(diǎn), 易造成巨大經(jīng)濟(jì)損失 (Hart,2000; Yenes et al, 2009; 吳紅剛等, 2010; 石菊松等, 2013; 石玲等, 2013; 辛鵬等, 2015; 田尤等, 2015; 孟靜等, 2018)。 眾多學(xué)者圍繞硬土軟巖滑坡的滑動模式、 滑帶強(qiáng)度與物質(zhì)組成開展了大量的研究工作。 平推、 旋轉(zhuǎn)平推復(fù)合式滑動是此類滑坡的主要擴(kuò)展形式 (胡海濤等, 1965; 李保雄和苗天德, 2004; 李濱等, 2011, 2013; 耿興福和苗天德, 2014; 穆文平等, 2016)。 硬土軟巖滑坡易沿著其內(nèi)部高粘粒、 低強(qiáng)度的滑帶部位擴(kuò)展、 滑移。 同時(shí), 硬土軟巖滑坡滑帶的殘余強(qiáng)度與粘土礦物密切相關(guān), 滑體內(nèi)部分滑帶的粘粒含量可高達(dá)48%, 其殘余內(nèi)摩擦角低于10° (Lupini et al. , 1981; Skempton, 1985)。 辛鵬等 (2014,2020) 采用現(xiàn)場試驗(yàn)、 監(jiān)測等手段研究硬土軟巖滑坡滑帶不同部位的物質(zhì)成分, 測試發(fā)現(xiàn)滑帶內(nèi)粘粒含量最高可達(dá)到64.59%。 這些研究分析從微觀上揭示了硬土軟巖滑坡低角度滑動與滑帶粘粒含量的關(guān)系。

滑坡低角度啟動及滑移過程模擬是災(zāi)害早期識別研究的核心內(nèi)容。 離心模擬技術(shù)能提供與原型相似的應(yīng)力條件及運(yùn)動過程 (張敏和吳宏偉,2007; 田海等, 2015; 王維早等, 2016; 張澤林等, 2016; 裴向軍等, 2018; 湯明高等, 2020),因此, 這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于多類型的巖土質(zhì)滑坡研究。 如Ling (2009) 進(jìn)行不同坡度、 高度及砂土類型的降雨誘發(fā)滑坡啟動的離心模型試驗(yàn),通過分析斜坡破壞時(shí)的累計(jì)雨量及滑動面形態(tài)規(guī)律, 揭示了粘聚力的降低是滑坡啟動的內(nèi)在原因;程永輝等 (2011) 結(jié)合離心模擬技術(shù)探討粘粒含量為47.8%的土質(zhì)邊坡在降雨條件下失穩(wěn)機(jī)理,揭示土的膨脹變形對邊坡的穩(wěn)定性其控制作用;周躍峰 (2014) 利用離心機(jī)研究水位抬升誘發(fā)黃土-軟巖滑坡的滑移過程和力學(xué)機(jī)理, 通過分析坡體中孔隙水壓和位移的變化情況, 得出此類滑坡具有牽引式滑動的破壞特點(diǎn); 馮振等 (2014) 用離心機(jī)驗(yàn)證了雞尾山滑坡是由前緣關(guān)鍵塊體蠕滑誘發(fā)后部塊體滑移的破壞過程。 這些模擬試驗(yàn)證實(shí)巖土體間粘聚力較低時(shí), 滑體呈散體狀運(yùn)動,而當(dāng)巖土體為剛性塊體時(shí), 大部分滑體呈塊體狀滑移 (姚裕春等, 2004; 殷志強(qiáng)等, 2010; 白永健等, 2019)。 新近紀(jì)硬土軟巖具有富含粘粒、 低強(qiáng)度、 高粘聚力的特點(diǎn), 這種特殊性質(zhì)的巖土體對滑坡變形運(yùn)動的影響需要進(jìn)一步探明。 開展硬土軟巖質(zhì)滑坡的運(yùn)動過程的離心模擬試驗(yàn), 將有利于再現(xiàn)該類滑坡位移、 應(yīng)力擴(kuò)展過程, 從宏觀角度揭示西北地區(qū)典型硬土軟巖滑坡的變形機(jī)理,為該類滑坡的監(jiān)測預(yù)警與工程治理提供理論支撐。

此次研究以寶雞市蔡家坡硬土軟巖滑坡為原型, 開展兩組滑帶強(qiáng)度不同的模型試驗(yàn), 模擬分析此類滑坡滑移運(yùn)動過程, 揭示硬土軟巖滑坡的漸進(jìn)擴(kuò)展變形的幾何模式與控制因素, 為西北地區(qū)硬土軟巖滑坡的危險(xiǎn)性評估與防護(hù)治理等提供技術(shù)支撐。

1 模型設(shè)計(jì)與方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用長江水利委員會長江科學(xué)院CKY-200型土工離心機(jī) (圖1), 其離心系統(tǒng)主要由離心機(jī)主機(jī)系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)兩部分組成。

離心機(jī)主機(jī)系統(tǒng)主要參數(shù): 有效半徑3.7 m;有效容重200 g·t;加速度范圍: 0 ～200g, 無級調(diào)速, 調(diào)速精度0.1g; 加速度穩(wěn)定度≤±0.5%F. S/48 h (連續(xù)工作48 小時(shí)轉(zhuǎn)速誤差小于0.5%); 模型箱尺寸為1.0 m×0.4 m×0.8 m (長×寬×高), 一側(cè)采用透明的有機(jī)玻璃板。

圖1 CKY-200 型土工離心機(jī)Fig.1 CKY-200 geotechnical centrifuge

監(jiān)測系統(tǒng)由土壓力監(jiān)測、 位移監(jiān)測以及影像采集系統(tǒng)三部分組成。 土壓監(jiān)測采用尺寸為8 mm×2 mm (直徑×厚度), 量程為0.5 ～1.0 MPa, 精度為1% F. S (誤差為位移傳感器滿量程的1%) 的CST2008 微型土壓力傳感器; 位移監(jiān)測采用量程分別為-20～30 mm 和0～120 mm, 測量精度為0.01 mm離心機(jī)專用激光位移傳感器 (圖2); 此外, 高清攝像機(jī)詳細(xì)記錄滑坡的宏觀變形過程。

圖2 離心機(jī)專用傳感器Fig.2 Sensors for the centrifuge

1.2 試驗(yàn)對象及模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以寶雞市蔡家坡滑坡為原型, 滑坡物質(zhì)主要為黃土、 渭河五級階地礫石層及三門組的硬土軟巖, 滑帶位于三門組泥巖地層內(nèi)。 蔡家坡滑坡屬典型的硬土軟巖深層滑坡, 此類滑坡滑體根據(jù)受力狀態(tài)主要分為物質(zhì)解體的后部壓剪應(yīng)力區(qū)及物質(zhì)匯聚的前緣純剪應(yīng)力區(qū) (Varnes, 1978), 其下伏的硬土軟巖軟弱帶的剪切蠕變行為是邊坡失穩(wěn)的主要原因(吳禮舟等, 2017; 王磊等, 2019; 彭建兵等,2020)。 蔡家坡滑坡幾何條件為470 m×500 m×150 m(長×寬×高), 滑體平均厚度20 ～60 m, 坡度約為21°。 滑坡后緣滑面較陡, 約55°～75°, 滑坡中前部滑面發(fā)育較緩, 近水平狀, 厚度為4～6 m。

在關(guān)鍵性變量的物理力學(xué)參數(shù)相近情況下,離心試驗(yàn)的模型與地質(zhì)原型具有變形相似、 滑坡啟動機(jī)理和演變過程相同的特點(diǎn)。 受土工離心機(jī)容量及試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涑叽绲南拗? 試驗(yàn)中無法直接模擬滑坡地質(zhì)原型 (需300 g 以上的超大型土工離心機(jī)及大型模型箱才能實(shí)現(xiàn)), 故采用小比尺模型(不等應(yīng)力模型) 進(jìn)行模擬 (李龍起等, 2020)。綜合考慮離心機(jī)現(xiàn)實(shí)條件, 模型試驗(yàn)選用1 ∶120的模型比尺, 并將原始斜坡簡化為滑床、 滑體及滑帶三個(gè)部分。 試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?.0 m×0.4 m×0.5 m (長×寬×高), 坡面坡度21°, 其中軟弱帶平均厚約2 cm, 埋深約25.0 cm, 模型尺寸及監(jiān)測系統(tǒng)布置詳情如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)及傳感器布設(shè)簡圖Fig.3 Model structure and layout of sensors for tests

上部滑體、 下部滑床主要由未風(fēng)化的硬土軟巖組成。 試驗(yàn)中為消除模型箱邊界效應(yīng)和填料粒徑效應(yīng), 模型材料采用典型斜坡處現(xiàn)場未擾動的硬土軟巖經(jīng)過晾曬、 篩析, 按照預(yù)定含水率20%重塑而成。 試驗(yàn)通過體積控制法控制模型密度,使其與原型條件接近。 模型滑體和滑床的最大干密度分別為1.65 g/cm3和1.75 g/cm3, 相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 模型土體的配比及力學(xué)參數(shù)Table 1 Proportion and mechanical parameters of the slope model

中部滑帶主要由強(qiáng)風(fēng)化、 泥化的硬土軟巖組成。 試驗(yàn)中采用不同粘粒含量、 不同含水率的重塑土配置而成, 并通過直剪試驗(yàn)確定模型中滑帶物理力學(xué)參數(shù), 盡可能使其與原型邊坡中滑帶參數(shù)相似。 試驗(yàn)中滑帶物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 模型滑帶土參數(shù)Table 2 Mechanical properties of the landslide-influenced zones

1.3 試驗(yàn)流程

為模擬滑帶劣化狀態(tài)下硬土軟巖滑坡的變形過程, 設(shè)計(jì)兩組僅滑帶強(qiáng)度不同的T1 和T2 的對比試驗(yàn) (圖3), 具體試驗(yàn)條件如表3 所示。

表3 模型試驗(yàn)方案Table 3 Programs of the centrifugal tests

離心試驗(yàn)共分為試驗(yàn)準(zhǔn)備、 試驗(yàn)制模、 傳感器布置、 試驗(yàn)運(yùn)行模擬4 個(gè)階段。

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段: 制模前將模型箱清理干凈,在模型箱兩側(cè)間隔5 cm 畫出整個(gè)模型的輪廓線,并在四周涂抹凡士林減少摩擦力影響, 之后將模型箱螺絲擰緊, 以確保試驗(yàn)的安全運(yùn)行。

試驗(yàn)制模階段: 按表1 中設(shè)計(jì)的最大干密度分別計(jì)算每層所需的土體質(zhì)量, 分層擊實(shí), 并逐層鑿毛使得土體緊密接觸, 按設(shè)計(jì)進(jìn)行削坡, 并人為設(shè)置后緣原始陡傾滑面 (圖3)。

傳感器布置階段: 在滑帶不同應(yīng)力環(huán)境位置間隔30 cm 均勻布置土壓傳感器TY-1 至TY-3, 監(jiān)測不同離心加速度情況下土壓響應(yīng)情況。 其中TY-1 位于無應(yīng)變區(qū), TY-2, TY-3 位于剪切應(yīng)變區(qū);模型制備完成后, 在模型表面前中后緣布置激光位移傳感器分別捕捉試驗(yàn)過程中模型不同位置位移變化。 其中LDS-3, LDS-6 監(jiān)測水平位移變化,其余傳感器監(jiān)測豎向位移變化。

試驗(yàn)運(yùn)行模擬階段: 連接數(shù)據(jù)采集端口, 測試監(jiān)測系統(tǒng)。 運(yùn)行離心機(jī), 逐級加載, 每級加速度10g或20g, 監(jiān)測記錄每級加速度情況下的土壓、 位移及宏觀變形情況, 待每級加載過程中模型變形穩(wěn)定后繼續(xù)提高加速度至預(yù)定值; 達(dá)預(yù)定時(shí)間后, 停機(jī)、 拍照。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 裂縫擴(kuò)展過程

兩組試驗(yàn)中宏觀破壞規(guī)律可由高速攝像機(jī)錄制的全過程影像分析得出。 含較高強(qiáng)度滑帶的坡體在試驗(yàn)T1 中變形跡象不明顯, 始終未見裂縫擴(kuò)展, 而含低強(qiáng)度滑帶的坡體在試驗(yàn)T2 中則出現(xiàn)劇烈滑動現(xiàn)象, 坡體出現(xiàn)期裂縫, 并由模型中前部向后緣擴(kuò)展 (圖4)。 T2 試驗(yàn)破壞由4 個(gè)階段組成(圖5)。 首先, 模型坡體沿著后緣原有結(jié)構(gòu)面整體向下推移式緩慢蠕變, 坡體表面開始出現(xiàn)細(xì)小拉裂縫, 滑體沿原有滑面產(chǎn)生下座變形 (圖4a、 圖5a); 接著, 坡體在推移滑動時(shí), 坡體上裂縫在下滑力的作用下發(fā)育為深大拉裂縫, 離心時(shí)間為1200 s 時(shí), 中部平推區(qū)的拉裂縫貫通滑體達(dá)滑帶位置, 坡體前緣平推區(qū)第1 次劇烈快速滑動, 前緣擠壓區(qū)存在局部滑塌現(xiàn)象 (圖4b、 圖5b); 隨后,離心加載持續(xù)增加, 模型再次進(jìn)入緩慢蠕滑階段,因滑體臨空條件良好, 前緣局部滑塌擴(kuò)展形成前緣次級滑動塊, 中部平推區(qū)拉裂縫不斷擴(kuò)展為寬大位錯裂縫, 滑坡后緣拉張區(qū)亦開始出現(xiàn)新的裂縫, 在離心加速時(shí)間為2400 s 時(shí), 坡體前緣滑塊產(chǎn)生第2 次水平劇烈滑動 (圖4c、 圖5c); 最后,滑體前緣滑動后為后緣滑體提供新的臨空面, 坡體后緣拉裂縫不斷擴(kuò)展為寬大位錯裂縫, 在離心加載作用下, 坡體產(chǎn)生第3 次快速滑動 (圖4d、圖5d)。 最終, 整個(gè)模型呈多級水平塊狀滑塌破壞的特點(diǎn), 滑坡形成典型的牽引式破壞。

圖4 T2 試驗(yàn)裂縫擴(kuò)展圖Fig.4 Crack development of Test 2

圖5 T2 試驗(yàn)坡體破壞演化過程Fig.5 Slope failure process of Test 2

2.2 位移實(shí)時(shí)變化曲線

利用坡體表面激光位移傳感器可監(jiān)測滑坡前緣擠壓區(qū) (LDS-5)、 中部平推區(qū) (LDS-4)、 后緣拉裂區(qū) (LDS-2) 的豎向位移, 以及坡體前緣堆積區(qū) (LDS-6)、 后緣拉裂區(qū) (LDS-3) 的水平位移。兩組試驗(yàn)的位移隨時(shí)間及加速度的變化曲線如圖6、 圖7 所示。

試驗(yàn)T1 中坡體變形跡象不明顯, 整個(gè)離心加載過程中, 模型豎向位移與加速度保持良好的對應(yīng)關(guān)系, 呈現(xiàn)階躍式增加 (圖6a)。 離心加載過程中, 坡體發(fā)生沉降, 坡體豎向位移值最大分別為3.25 mm, 7.22 mm, 15.26 mm (指向坡內(nèi))。 坡體水平位移變化情況如圖6b 所示, 離心加速時(shí)間0 ～2500 s 內(nèi), 坡體中土顆粒間孔隙被壓縮, 坡體在離心加速度的作用下發(fā)生沉降使得坡體表面測點(diǎn)與傳感器之間的水平位移負(fù)向增大至-0.35 mm和-0.57 mm (指向坡內(nèi))。 隨著離心加載作用增加, 坡體在重力分量作用下向坡體外水平蠕變,LDS-3 和LDS-6 傳感器數(shù)值開始正向增大。 離心加速度120g時(shí), 坡體前緣、 后緣平位移值分別為0.05 mm 和0.55 mm, 坡體位移整體指向坡外。 試驗(yàn)過程中坡體位移未發(fā)生明顯突變, 坡體表面未出現(xiàn)位錯裂縫。

試驗(yàn)T2 中坡體在加載過程中位移變化規(guī)律與試驗(yàn)T1 不同 (圖7)。 加速度在0 ～10g期間, 坡體的水平位移和豎向位移近乎于0 mm, 坡體處于穩(wěn)定狀態(tài); 在加載時(shí)間為1200 s 時(shí), 坡體出現(xiàn)指數(shù)型增長的水平和豎向位移, 產(chǎn)生第1 次水平滑動。 滑體中部應(yīng)力集中產(chǎn)生拉裂縫導(dǎo)致滑體前緣堆積區(qū)水平位移 (LDS-6) 增量52 mm 明顯大于坡體后緣拉裂區(qū) (LDS-3) 位移增量12 mm。 同時(shí),坡體水平位移導(dǎo)致滑體中部平推區(qū)和前緣堆積區(qū)產(chǎn)生負(fù)向位移突變 (指向坡外), 超出激光位移傳感器LDS-4, LDS-5 量程 (-20 ～30 mm), 傳感器讀數(shù)不再變化。 滑坡后緣拉裂區(qū) (LDS-2) 產(chǎn)生下座現(xiàn)象, 豎向位移增量突變22.9 mm; 當(dāng)離心加速度為30 ～40g期間, 坡體前緣擠壓區(qū)崩塌向后擴(kuò)展、 加深并形成次級滑動, 坡體前緣再次產(chǎn)生25 mm 的水平位移增量, 坡體位移超出LDS-6 位移傳感器的量程, 滑坡產(chǎn)生第2 次水平滑動; 當(dāng)離心加速度為50 ～60g時(shí), 滑坡后緣拉裂區(qū)因前緣滑動產(chǎn)生較好的臨空面, 滑坡后緣再次產(chǎn)生32 mm水平位移增量。 滑坡后緣推動前緣滑體繼續(xù)向前滑動, 形成3 級滑動面。

對比T1, T2 試驗(yàn)結(jié)果, 滑帶強(qiáng)度控制了坡體的變形類型。 T1 試驗(yàn)中位移變化均勻, 呈現(xiàn)良好的變形連續(xù)性, T2 試驗(yàn)中位移變化因坡體漸變性劇烈滑動導(dǎo)致坡體位移多次突變。 同時(shí), T2 位移傳感器監(jiān)測的數(shù)值變化順序表明, 在坡體首次滑動后, 斜坡的破壞是由前緣向后緣發(fā)展的, 并最終形成滑塌破壞。

圖6 T1 試驗(yàn)位移隨時(shí)間及加速度變化曲線圖Fig.6 Displacements of Test 1 with time and acceleration

圖7 T2 試驗(yàn)位移隨時(shí)間及加速度變化曲線圖Fig.7 Displacement of Test 2 with time and acceleration

2.3 土壓實(shí)時(shí)變化曲線

通過在滑帶與滑床之間不同位置布置的土壓傳感器TY-1, TY-2, TY-3 對模型坡體土壓力進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測, 其變化情況如下。

試驗(yàn)T1 中坡體不同位置的土壓變化趨勢基本一致 (圖8a)。 坡體土壓均隨加速度的上升而增大, 主要原因?yàn)樵囼?yàn)中T1 坡體處于穩(wěn)定狀態(tài), 變形以蠕滑為主, 模型土壓受坡體變形的影響較小,其主要受到離心加速度的影響, 試驗(yàn)T2 中坡體土壓受到離心加速度和滑坡滑動過程的共同控制,隨加速度的增長而大致呈現(xiàn)增大趨勢, 同時(shí), 試驗(yàn)T2 中因坡體多次劇烈的滑動存在應(yīng)力集中和應(yīng)力解除現(xiàn)象, 進(jìn)而導(dǎo)致土壓增長幅度變大和階段性降低現(xiàn)象 (圖8b)。 在離心加速度為1 ～30g期間, 滑體中部平推區(qū)土壓 (TY-2) 高于滑體前緣匯聚區(qū)土壓 (TY-2) 和后緣拉裂區(qū)土壓 (TY-1),隨后恢復(fù)正常, 這主要是因?yàn)槠麦w沿著后緣結(jié)構(gòu)面向下滑動, 在滑坡中部平推區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中,土壓異常增大, 其后滑坡產(chǎn)生裂縫應(yīng)力釋放, 坡體土壓又受到重力影響恢復(fù)正常。 加載時(shí)間為4500 s 時(shí), 中部平推區(qū)土壓增長量 (210 kPa) 明顯高于坡體前、 后緣土壓增長量; 離心加速度40g以后, 盡管離心加速度上升導(dǎo)致滑體土壓增大,但滑體中部平推區(qū)土壓在離心加載時(shí)間4500 s、5500 s 時(shí)存在小幅度下降。 其主要原因是坡體前緣滑動后牽引后緣滑動, 坡體產(chǎn)生拉張裂隙, 導(dǎo)致滑坡坡體應(yīng)力釋放, 土壓下降。

圖8 T1、 T2 試驗(yàn)土壓隨時(shí)間及加速度變化曲線Fig.8 Curves of soil pressure with time and acceleration in Tests 1 and 2

3 硬土軟巖滑坡破壞機(jī)理討論

硬土軟巖滑坡的變形破壞過程具有 “間動式”特點(diǎn)。 滑帶強(qiáng)度低的試驗(yàn)T2 中, 在離心加速度增大過程中, 坡體表面的位移存在多次的突變和穩(wěn)定階段。 T2 試驗(yàn)變形過程及位移累積情況見表4。模型在0 ～30g(含30g) 滑帶塑性流動, 導(dǎo)致模型整體向前推移滑動。 當(dāng)離心加速度為30 ～40g,滑帶塑性流動帶動上覆滑體拉裂, 模型前緣水平位移增長幅度為20 mm, 后緣水平位移僅增長3.1 mm, 后緣位移增長幅度較小, 模型前緣率先產(chǎn)生滑動。 模型前緣滑動后, 在離心加速度為40 ～60g過程中, 模型后緣水平位移增量為39 mm, 模型后緣產(chǎn)生拉裂陷落帶, 模型后緣向臨空面水平“漂移”。 試驗(yàn)T2 揭露的硬土軟巖滑坡破壞過程具有典型的牽引式滑動特點(diǎn), 硬土軟巖滑坡具有前緣向后緣擴(kuò)展的趨勢。

表4 T2 試驗(yàn)變形過程及水平累積位移Table 4 Deformation process and horizontal cumulative displacements of Test 2

硬土軟巖的物質(zhì)組成與力學(xué)性質(zhì)控制了滑坡的漸進(jìn)擴(kuò)展。 與松散層黃土滑坡不同, 硬土軟巖滑坡呈現(xiàn)塊體狀滑動, 滑體并不完全解體。 在長距離滑動、 剪切過程中, 初始超固結(jié)的硬土軟巖引發(fā)滑體局部震裂、 豎向張裂隙擴(kuò)展, 強(qiáng)變形集中的滑帶剪脹、 顆粒破碎。 在長期的水力作用下,裂隙帶逐步發(fā)展為強(qiáng)度極低的軟弱帶。 由于斜坡坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象, 軟弱帶在自重條件下產(chǎn)生塑性大變形, 這種大變形會引起鎖固端解鎖, 初始被固定的塊體漸次出現(xiàn)滑移。 而上部硬土軟巖滑體因具有超固結(jié)特性, 其抗剪強(qiáng)度并沒有隨上覆土壓力的減少而降低, 而是保留了大部分強(qiáng)度,在下部軟弱帶產(chǎn)生位移變形同時(shí), 因自身粘聚力而保留部分塊體結(jié)構(gòu), 產(chǎn)生拉裂縫, 形成多級塊體。 例如在滑帶強(qiáng)度為殘余強(qiáng)度的試驗(yàn)T2 中, 模型中部土壓 (297.27 kPa) 明顯高于前后緣土壓(80.52 kPa, 182.34 kPa), 模型中部滑帶存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。 滑帶物質(zhì)在應(yīng)力作用下沿軟弱層面水平擠出, 滑帶產(chǎn)生的塑性變形會引起坡體整體活動, 并誘發(fā)上層滑體產(chǎn)生近垂直裂縫。 滑體裂縫逐步向后緣擴(kuò)展, 形成漸進(jìn)后退式水平滑動(圖9)。

圖9 模型最終破壞形態(tài)Fig.9 Final failure mode of the landslide in the centrifuge

鑒于上述模型試驗(yàn), 當(dāng)滑坡體內(nèi)存在近水平高粘粒、 低強(qiáng)度軟弱層時(shí), 因斜坡壓剪應(yīng)力區(qū)摩擦強(qiáng)度降低, 斜坡會逐級后退擴(kuò)展變形。 滑坡啟動與軟弱層的強(qiáng)度、 含水率相關(guān)。 軟弱帶變形、滑體拉裂、 多級塊狀滑動是該類滑體短距離擴(kuò)展的主要形式。 這種塊體的滑移與超孔隙水壓力激增無關(guān), 而滑坡體內(nèi)裂隙多少、 導(dǎo)水性強(qiáng)弱、 水量多少是主控因素。 因此, 在硬土軟巖斜坡的勘察中, 需厘清高粘粒軟弱層埋藏位置、 延伸長度,這樣才能準(zhǔn)確識別平推式滑坡的位置。

4 結(jié)論

文章以寶雞市典型滑坡為原型, 通過開展大型土工離心機(jī)試驗(yàn), 探討了中國西北地區(qū)硬土軟巖滑坡滑移過程的土壓、 位移變化規(guī)律, 分析了滑坡的滑移過程與變形機(jī)理, 得出如下結(jié)論。

(1) 當(dāng)滑帶土處于飽水狀態(tài)時(shí), 硬土軟巖質(zhì)滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài), 當(dāng)硬土軟巖滑體內(nèi)部軟弱帶的強(qiáng)度降低至殘余強(qiáng)度時(shí), 滑坡上覆的滑體會出現(xiàn)劇烈運(yùn)動, 引起邊坡失穩(wěn)破壞。

(2) 滑帶土處于殘余強(qiáng)度條件下的硬土軟巖滑坡, 其變形最強(qiáng)烈區(qū)域?yàn)榛瑤? 因硬土軟巖特殊的超固結(jié)特性, 滑體不會徹底碎裂化與粉塵化,且滑動過程中形成多個(gè)塊體, 滑坡整體呈現(xiàn)塊體狀平移滑動。

(3) 硬土軟巖滑坡變形是由滑帶控制的塊體多級平推狀滑動, 這種運(yùn)動形式與滑帶前緣應(yīng)力集中密切相關(guān)。 滑帶應(yīng)力集中導(dǎo)致滑帶產(chǎn)生塑性大變形, 并誘發(fā)上覆滑體拉裂, 臨近塊體逐次向滑坡后緣擴(kuò)展。

致謝:本文中的離心機(jī)試驗(yàn)在長江科學(xué)院胡波、 李波工程師悉心指導(dǎo)下完成, 在此謹(jǐn)致以誠摯謝意。