黏粒含量对泥石流源区砾石土体强度影响的实验研究

杨成林 陈宁生 邓明枫 周 伟

（1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都610041；2.中国科学院研究生院，北京100049）

黏粒是指粒径＜0.005mm的土颗粒。黏粒含量是影响泥石流尤其是黏性泥石流形成运动的一个重要参数。据统计，世界范围内的黏性泥石流黏粒的质量分数大多在5%左右［1］。例如1999年12月15～16日委内瑞拉中部暴发的黏性泥石流，粒径＜0.063mm的颗粒质量分数为1.3%～14.2%［2］；美国南加州森林火灾后，1997～1998年暴发泥石流的30条黏性泥石流沟，泥石流堆积物中＜0.005mm的黏粒质量分数大部分在5%左右［3］；美国圣海伦火山黏性泥石流中＜0.005 mm的黏粒颗粒质量分数一般大于10%［4］。中国云南蒋家沟泥石流的黏粒质量分数大都在8%～10%左右［5］。中国中尼公路沿线典型的15条泥石流沟中泥石流源区和泥石流体的黏粒质量分数变化于0.69%～17.2%［6］。

黏粒含量与泥石流的形成、运动过程息息相关。泥石流的运动需要一个基础黏粒含量［7，8］，同时一定的黏粒含量还有利于降低泥石流运动的阻力［9］，并影响着泥石流的搬运距离和泥石流堆积扇的发育。国内外很多学者在泥石流启动力学模型［10－13］、泥石流运动和堆积模型的研究中［9］，都考虑了流体的黏粒含量。

本文通过泥石流源区不同黏粒含量砾石土体的强度实验，分析黏粒含量对土体强度的影响。这对于完善砾石土强度的土力学理论，以及研究黏粒含量对泥石流启动的影响具有重要意义。

1 实验方法与内容

为了揭示黏粒含量对泥石流源区砾石土体强度的影响，实验土体选择云南东川蒋家沟大凹子支沟的变质板岩坡积物。采用人工制样的方法配置了不同黏粒含量的土样，通过三轴剪切方式测试其在相同密度、围压和饱和条件下的静强度变化规律，分析砾石土体湿陷性、孔压、强度等与黏粒含量的关系。

1.1 实验指标确定

实验指标包括实验土体的黏粒含量、剪切方式、围压设定、试样饱和、固结方法和试样破坏标准。

1.1.1 黏粒含量选择

从目前黏粒含量与泥石流关系研究的成果［14－16］归纳总结出中国及世界上具有代表性的泥石流土源的黏粒含量范围，确定9组砾石土试样的黏粒含量（质量分数）分别为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

为了全面分析泥石流源区土体启动的特征，设置2种不同条件的三轴剪切实验进行对比研究，实验中轴向应力的加载速率设定为1.5mm／min。

a.不固结不排水剪切（UU）：模拟暴雨条件下泥石流源区浅层砾石土体因滑坡直接转化为泥石流的破坏过程，缺乏充足的固结排水时间。

b.固结排水剪切（CD）：模拟长期降雨条件下泥石流堆积区处于弱固结状态的浅层砾石土体再次启动产生泥石流的过程。

1.1.3 围压设定

天然状态下，测试区坡体表层砾石土含水量（质量分数）在5.0%～10.0%，平均土体重力密度约17.9kN／m3；土体在20cm深处受到的上覆自重压力为3.58kPa，在雨季饱和土体的自重压力会增加。由于本实验模拟自然降雨条件下砾石土的强度实验，故实验条件应尽可能符合野外实际条件。根据对实验源区表层土体天然状态下的受力分析以及实验目的要求，设定围压为5.0kPa。

1.1.4 试样饱和

为了模拟野外长期强降雨浸泡过程，实验过程中全体试样均在饱和状态下进行剪切实验。设定饱和围压20.0kPa、反压10.0kPa。一般说来，均匀砂土饱和后试样饱和度B检测值应为1.0；而砾石土由于围压增量施加到试样后，砾石颗粒的不均匀性及孔隙的通透性不同，导致孔压的增量明显滞后，测试的B检测值偏低，砾石土完全饱和（在仪器上饱和后取下试样观测，试样液化并自动流水）测得的B值也仅为0.6～0.7。

1.1.5 试样固结

实验中坡面砾石土处于弱固结状态，其φ值处于自然休止角范围，只受自重应力的作用，没有附加应力。故设定实验固结应力比K＝1∶1，固结时间20min，固结围压5.0kPa，反压0kPa。

1.1.6 破坏标准

1.2 试样制备

1.2.1 源区土体参数

实验土体采自大凹子沟海拔高度为1 490～1 498m的沟道右岸坡地上，平均坡度35°。大凹子沟源区地处干热河谷，地势陡峭，基岩为震旦系的变质板岩和千枚岩，岩质较软，风化强烈，实验土源所在区域多年平均降雨量700mm，夏季降雨集中，日照充足，蒸发量大，年均蒸发量变化于1 700～3 700mm，植被稀少。实验土源区土体均经过大规模的崩塌滑坡，多次迁移并堆积在坡脚，非雨季时，土体干燥、孔隙发育。

实验土体在当地天然气候下经过4个月的风干，风干状态含水率（质量分数）4.76%，降雨条件下达到饱和状态的含水量（质量分数）约为14.3% ～20.7%；土 体 干 密 度 1.311～1.432 g／cm3，孔隙比0.837～0.925。实验土体基本参数与原始颗粒组成如表1、表2。

表1 实验土样基本参数Table 1 The characters of experiment soil samples

表2 实验土样（砾石土）原始颗粒组成Table 2 Grain composition of experiment soil samples

1.2.2 试样参数设计

实验土体充分晾干后剔除粒径＞30mm（实验仪器的上限粒径）的颗粒，原状松散坡积物中30mm以上的砾石质量分数约为7.2%。由于其含量较低，对土体整体性质的可能影响较小。将土体筛分为粒度＞2mm的粗粒组和＜2mm的细粒组。按照大凹子沟原状砾石土中粗粒土58.16%、细粒土41.84%、黏粒6.37%的比例，将粗粒土和细粒土的比例组合按黏粒含量与细粒土和粗粒土的百分比关系进行配比（表3），配置成黏粒的质量分数分别为1.00%，2.50%，3.75%，5.00%，6.25%，7.50%，10.00%，12.50%，15.00%的9组试样（图1）。

图1 实验土体颗粒组成Fig.1 Grain composition curves of the experiment soil

根据实验设计要求，将土体制备成所需的试样进行实验。根据实验设计的9种黏粒含量，一共制作试样27个。每个试样按1∶2的宽高比制样，试样直径150mm、高300mm，土料分3层击实，击实后的试样原状见图2。

图2 不同黏粒含量试样原状Fig.2 The pictures of experiment samples

使用英国产动三轴实验系统GDS（DYNTTS）进行三轴剪切测试实验，实验的应力、应变、孔压与围压采取全程自动化记录。

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2 实验结果与分析

2.1 湿陷性

分析3组27个不同黏粒含量的试样在围压20kPa、反压10kPa条件下浸水饱和后的垂直湿陷性，发现黏粒含量对砾石土的湿陷性有较大影响。其中砾石含量高、黏粒含量低的砾石土的湿陷性小，而砾石含量低、黏粒含量高的粉质黏土湿陷性也小，黏粒含量和垂直湿陷率的关系呈抛物线形。黏粒的质量分数在3.75%～7.50%范围内砾石土湿陷性较大；其中以黏粒的质量分数为5.00%左右的砾石土湿陷性最大，实验中的平均垂直湿陷率达到6.83%（图3）。

表3 试样基本参数Table 3 The character of the experiment samples

图3 黏粒含量－平均垂直湿陷率关系曲线Fig.3 The collapsibility curve of each sample

2.2 孔隙水压力

在相同地质环境条件下，颗粒组成影响土体的渗透性，这种渗透性影响着土体的黏聚力、内摩擦角以及其孔隙水压力的变化，成为控制土体力学性质的重要参数。

孔隙水压力是影响土体抗剪强度的重要参数，对砾石土破坏、产流具有重要影响。试样剪切过程中必然引起孔隙水压力的变化，剪切前的固结程度和排水条件对实验中的孔隙水压力变化有重要影响。

由于不同黏粒含量试样有可能在轴向应变尚未达到10%就发生破坏，难于准确记录试样破坏时的孔压增量；所以，室内强度实验的孔压增量数据并不能完全反映野外砾石土体破坏启动过程中的孔压变化，只能反映试样在破坏过程中孔压的变化趋势。

通过实验得到了9组试样分别在UU和CD剪切条件下孔隙水压力的变化情况（图4）。

不固结不排水剪切条件（UU）下，试样的孔隙水压力随黏粒含量的增加而先增大后减小，但黏粒含量低的砾石土的孔隙水压力降低幅度明显高于高黏粒含量的土体。不排水剪切实验中，试样将通过内部应力的自动调整，即以增长正孔隙水压力与减小有效应力来保持不变，故剪切过程中出现正的孔隙水压力。实验中黏粒含量－孔压增量关系曲线总体上呈抛物线形，当黏粒的质量分数为3.75%～7.50%时，试样砾石土的孔压增量较大。

图4 黏粒含量－孔压增量关系曲线Fig.4 The relationship between the clay content and pore pressure increment

固结排水剪切条件（CD）下，黏粒的质量分数低于12.5%时试样的孔隙水压力有随黏粒含量而增加的趋势，而黏粒含量的继续增加将不利于孔隙水压力的上升。由于固结排水剪切需要排水，故与外界大气相连通，在剪切时孔隙水压力将迅速消散，出现负值。实验中黏粒的质量分数为6.25%～12.5%时，试样砾石土的孔压增量较大。

2.3 剪应力

剪应力是评估土体破坏的重要参数，对评估砾石土破坏、产流具有重要意义。通过UU和CD剪切实验，获得9组试样轴向应变为15%时的剪应力如图5所示。

图5 黏粒含量－剪应力关系曲线Fig.5 The relationship between clay content and shearing stress

2.3.1 UU 剪切

UU剪切中，黏粒的质量分数在1.00%～6.25%之间时，试样的黏粒含量－剪应力关系曲线呈波浪状起伏，黏粒的质量分数为2.50%和5.00%试样的有效应力较低，其中又以黏粒的质量分数在5%左右的砾石土有效应力最低，仅为1.22kPa，其极限强度也最小。当黏粒的质量分数大于6.25%时，砾石土的有效应力和极限强度均随黏粒含量的增加而增大，在黏粒的质量分数为15.00%时达到极大值4.41kPa。

在试样密度相同的情况下，砾石含量高、黏粒含量低的试样孔隙率较高，饱和后孔隙水压的作用十分明显，试样的有效应力最低，极限强度小；而黏粒含量高的试样相对孔隙率小，饱和后试样的有效应力相对较高，因此极限强度较大。

2.3.2 CD剪切

在CD剪切中，试样的黏粒含量－剪应力关系曲线总体呈抛物线形。当黏粒的质量分数在1.00%～5.00%之间时，试样的有效应力随黏粒含量的增加而减小，黏粒的质量分数为5.00%～7.50%的砾石土强度较低，尤以黏粒的质量分数为5.00%的砾石土有效应力最低，仅为1.58 kPa，其极限强度也最小。当黏粒的质量分数＞5.00%时，砾石土的有效应力和极限强度开始随着黏粒含量的增加而增大，在黏粒的质量分数为15.00%时达到极大值5.60kPa。

砾石含量高、黏粒含量低的试样孔隙率高，渗透性好，在固结排水的情况下，饱和试样中的孔隙水压力在轴向应力作用下降低，使试样的有效应力提高。黏粒含量高的试样相对孔隙率小，试样饱和后的有效应力也相对较高；而黏粒含量在一定范围内的砾石土，试样饱和后的渗透性降低，孔隙水压力在轴向应力作用下逐渐上升，试样的有效应力明显降低，出现一个剪应力最低的砾石土级配范围。

2.4 砾石土体强度与黏粒含量的关系

不固结不排水剪切实验更符合泥石流源区浅层砾石土体因滑坡直接转化为泥石流的破坏过程［17］，而固结排水剪切实验较符合泥石流堆积区处于弱固结状态的浅层砾石土体再次启动产生泥石流的破坏过程。根据以上实验的成果，可以分析得出不同条件下砾石土体强度与黏粒含量关系，如式（1）、式（2）。

泥石流源区砾石土由滑坡转化为泥石流：

泥石流堆积物再启动：

其中：x为砾石土中的黏粒含量，τ为砾石土体的最大剪应力。

式（1）、式（2）反映了黏粒含量对泥石流源区砾石土强度的影响，中等黏粒含量（质量分数为3.75%～7.50%）砾石土在破坏过程中的最大剪应力较小，强度较低，尤以黏粒质量分数为5.00%左右的砾石土强度最低，在相同条件下最容易被破坏。

3 不同黏粒含量砾石土体的破坏机制

低黏粒含量的土体，黏聚力相对较小，土体强度主要由内摩擦角决定，当孔压达到一定值时，颗粒间有效应力降低，由此导致土体抗剪强度的内摩擦分力减小，土体更易发生破坏。但由于黏粒含量过低，黏粒不足以堵塞土内孔隙通道，孔隙压力容易消散，故孔压增量小，难以抵消土体抗剪强度，所以固结排水剪切实验中质量分数低于2.50%的黏粒含量的土体破坏的剪应力较大。

对于中等黏粒含量的土体（质量分数为3.75%～7.50%），在降雨过程中，土体中的黏粒吸水膨胀，堵塞土体孔隙，使孔隙连通性大为降低。土体表层含水量增加，容重增加，孔隙水压力增加，同时孔隙水压力可以通过表层传递到含水量较低的中下层。随着孔隙水压力的剧增，土体强度剧减，部分土体发生开裂、滑溜；加上黏粒良好的封闭性，内部的孔压迅速上升，土体易于破坏而启动。

实验中黏粒质量分数＞12.50%的土体由于透水性较低，土层上部的应力不易传递到下部，降雨过程中土体孔压上升的幅值较中等黏粒含量的土体小。尽管加之容重增加，下滑力增加，但由于黏粒含量较高，土体的黏聚力较强，上部土体不易发生破坏。

综上所述，黏粒含量过低的砾石土体较难启动，在相同条件下（形成时代、埋深、胶结类型等）低黏粒含量土体暴发泥石流需要更大的能量条件，即强降雨和较大的坡度；黏粒含量过高的砾石土体黏聚力较强，不易发生大规模破坏；中等黏粒含量的砾石土最易发生破坏，可能启动暴发大规模的破坏性较强的泥石流。

4 结论与讨论

通过对泥石流源区砾石土的强度实验，获得试样的黏粒含量与湿陷性、剪应力、孔隙水压力等的关系。

a.在保持围压不变的情况下，砾石含量高、黏粒含量低的砾石土湿陷性小，而砾石含量低、黏粒含量高的粉质黏土湿陷性也小，黏粒含量与垂直湿陷率的关系曲线呈抛物线形。黏粒的质量分数在3.75%～7.50%范围内的砾石土湿陷性较大；其中尤其以黏粒的质量分数在5.00%左右的砾石土湿陷性最大，平均垂直湿陷率达到6.83%。

b.UU及CD剪切实验中黏粒含量－孔压增量关系曲线总体上呈抛物线形。UU实验中黏粒的质量分数为3.75%～7.50%时，试样的孔压增量较大。CD实验中黏粒的质量分数为12.5%时，试样的孔压增量最大。

c.在不同启动条件下砾石土体强度与黏粒含量有着类似的抛物线关系，中等黏粒含量砾石土在破坏过程中需要的最大剪应力较小。

d.黏粒含量过低的砾石土体的孔压增量较小，黏粒含量高的砾石土体的黏聚力难以降低；而中等黏粒含量（3.75%～7.50%）的砾石土，在相同条件下最易破坏，有可能启动暴发规模较大、破坏性较强的泥石流。

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