断层泥剪切力学行为与应变软化特征研究*

齐 群 包 含 兰恒星 晏长根 张科科

( ①长安大学公路学院 西安 710064)

( ②中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101)

0 引 言

黄土高原丘陵沟壑区工程与生态问题突出，延安南沟作为沟地治理示范区，区域内所发育的断裂带不仅影响沟地治理长期稳定性，也为滑坡、泥石流等地质灾害的发生创造了基础条件。作为影响断层工程特性的重要因素，对断层泥物理特性和力学行为的研究有助于解释并预测断层穿越区的灾变风险( Scholz，1987) 。

早在20 世纪80 年代，耿乃光等( 1985) 就对我国断层泥的物理力学性质作了初步探索，试验分析了5 大断裂带75 种断层泥的体积模量、弹性模量、抗压强度、抗剪强度和残余体积应变等力学参数。Morrow et al. ( 1982) 测量了200 MPa 围压范围内圣安德烈亚斯断裂带断层泥强度，试验表明黏土中弱结合水产生的假孔隙压力降低了断层泥强度。断层泥的矿物组构深刻地影响着其物理力学性质，近年来，Numeli et al. ( 2007) 通过开展5 ～150 MPa 法向应力下的双剪切试验，探究了摩擦强度与黏土矿物的关系，研究表明断层泥摩擦强度随黏土含量的增加而减小。李碧雄等( 2011) 利用常规土工试验方法研究了龙门山断裂带原状断层物质的物理力学性质，发现断层泥的颜色交界面是剪切薄弱面。张雷等( 2014) 研究了断层泥中黏土矿物的摩擦滑动特性及其对断层的影响，发现断层强度随黏土含量的增加而降低，黏土矿物分布差异会造成不同程度的断层强度弱化。另外，石英等非黏土矿物的微观形貌与断层活动性及活动方式密切相关。对断层泥中石英颗粒的形貌研究可以确定断层的强烈活动时间及滑动方式，并预测可能诱发的地震震级( 张欣等，2017) 。

断层泥的瞬时变形特征及与时间有关的力学性质都依赖于含水量的变化，断层泥具有明显的含水量力学效应( 周瑞光等，1998) 。Morrow et al.( 2000) 对15 种不同亲水性的单矿物断层泥进行三轴滑动试验，证明了断层泥摩擦强度与矿物吸水能力有关。Rempe et al. ( 2017) 对合成方解石断层泥开展了干湿条件下高速剪切试验，发现干断层泥在弱化前有持续的强化阶段，而湿断层泥几乎瞬间弱化。刘彬等( 2006) 通过对断层泥强度指标与含水率关系的研究，揭示了断层泥强度指标随含水率变化过程中拐点的存在，建立了拐点含水率与塑液限之间的关系。黄志全等( 2017) 通过对不同含水率的断层泥开展共振柱试验，发现断层泥的最大动剪切模量和阻尼比均随含水率的增加而减小。王鹏飞等( 2019) 对不同胶结度和含水率的断层泥进行了直剪试验，分析了含水率和胶结度对强度指标的影响，并发现不同胶结度断层泥黏聚力随含水率变化可分为3 个阶段。

1 地质背景与断层特征

神道沟断裂带位于陕西省延安市，属黄土高原丘陵沟壑区，黄土残塬及沟壑发育，为典型的黄土梁峁状丘陵地貌特征。研究区域内基底起伏变化复杂，地层主要为中生代沉积岩系，出露基岩地层有侏罗纪青灰色砂岩、上白垩系厚层粗砂岩和下白垩纪薄层细砂岩。砂岩中夹薄层页岩和泥岩，岩层近水平分布，于河道与沟道中多有出露。延安地区断裂的分布具有东西分带、南北成群的特点，断裂带的发育主要有两个方向，即NE 向和NW－NWW 向。

神道沟断裂带为走向NE 的正断层，沿沟壑发育于砂泥岩互层中，平均海拔高程为1213 m。断裂带所在区域属延安“治沟造地”工程综合治理区，断层泥采样点位于安塞南沟湫滩村南麓( 北纬36.578°，东经109.308°，海拔1121 m) ，研究区域及采样点见图1。断层的工程地质效应特殊，是形成山体滑坡的主导因素之一，采样点附近沿断层发育有4 处滑坡壁高、滑坡平台宽大的滑坡体。

图1 研究区域概况及采样点位置Fig. 1 The study area and the sampling point

作为断层活动的直接产物，断层泥中留有特殊的构造痕迹，广泛分布有滑动构造标志发育显著的滑动面( 晁洪太等，2001) 。新鲜断层泥颜色差异显著，滑动擦痕普遍发育，表现为明显的弧形波状( 图2) 。这揭示了断层的挤压形成机制，反映该断层为非走滑断层，这正与地质条件信息相吻合。根据颜色差异将其分为以下3 类: ( 1) 红色断层泥; ( 2) 灰绿色断层泥; ( 3) 整体呈黄绿色且混杂有红褐色泥质团块的复杂胶结断层泥( 简称杂色断层泥) 。上述3 种断层泥在所采集的样品中普遍存在，颜色的不均匀分布表征着断层泥形成过程的复杂性。

2 物理性质与矿物组构特征

通过颗粒分析试验、X 射线衍射试验( XRD) ，分别从粒度特征、矿物组成等方面对断层泥的物理性质和组构特征展开研究。

图2 断层泥颜色差异与滑动面特征Fig. 2 Color difference and sliding surface characteristics of fault gouges

2.1 颗粒级配

断层泥烘干后崩解性显著提高。将断层泥烘干后浸入水中，即可在短时间内完全崩解并有气泡逸出，崩解样品二次烘干后，可得到松散的断层泥颗粒。利用Bettersize-2000 型激光粒度分析仪获得3种断层泥的粒径分布及累积曲线( 图3) 。杂色断层泥和绿色断层泥粒径分布及累计曲线差别不大，粒径存在单一峰值; 而红色断层泥的粒径分布则呈现出双峰值现象。粗颗粒含量: 杂色断层泥＞绿色断层泥＞红色断层泥。

图3 断层泥颗粒分析曲线Fig. 3 Gradation curves of different fault gouges

断层泥颗粒的比表面积SSA、不均匀系数Cu、曲率系数Cs等颗粒分析参数及其他基本物性参数见表1。

2.2 矿物组成

通过XRD 矿物组成分析，既能揭示断层泥的颜色差异成因，也有助于探究断层泥力学行为异同。

3 种断层泥的衍射图谱及物相类型见图4。非黏土矿物中石英衍射峰强度最高，黏土矿物中则伊利石衍射峰强度最显著。本研究对图4 所示矿物类型均进行半定量分析( 表2) 。断层泥中非黏土矿物以石英、云母和长石为主，其中石英含量最高。黏土矿物以伊利石、高岭石和绿泥石为主，而蒙脱石含量极低( 未展示在表2 中) 。红色断层泥呈现出的深红色是因为含较多Fe3+的赤铁矿存在，绿色断层泥则因不含赤铁矿且绿泥石含量较高而呈现灰绿色。

普通投票方法可以分为均等投票和赋权投票两类，赋权投票是给投票专家赋予不同权重，均等投票则是以相同权重进行投票。根据应用背景需求，按投票原则又可以分为一票否决，一致表决，大数原则和阀值表决等[35]。对于回归问题，可以通过平均值，加权求和，中位数，最大数等方式进行整合[37]。

表1 断层泥颗粒分析参数与基本物性参数Table 1 Gradation parameters and physical parameters of fault gouges

图4 X 射线衍射图谱Fig. 4 X-ray diffraction patterns

3 断层泥环剪试验

3.1 试验设备与方法

利用GCTS 公司研制的Bromhead 型SRS-150环剪仪开展环剪试验( 图5) 。该仪器由剪切盒和控制柜两部分组成，剪切盒外径152 mm，内径97 mm，最大剪切应力为1300 kPa，剪切速度控制范围为0.001°～360°/min，最大法向应力可达1000 kPa。

图5 Bromhead 型环剪仪Fig. 5 Bromhead ring shear apparatus

为探究含水率影响下断层泥的力学响应，按一定梯度设置了5%、10%、15%和20% 4 组含水率，每组试验设定5 级法向应力( 100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 和500 kPa) 。按原始干密度制备3 种颜色的重塑断层泥样品，控制相同的剪切速率3°/min。

表2 断层泥矿物成分半定量分析(%)Table 2 Semiquantitative analysis of mineral component of fault gouges( %)

3.2 剪应力－剪切位移曲线分析

各含水率下3 种断层泥的剪应力与剪切位移关系曲线如图6 所示。

图6 断层泥剪应力－剪切位移曲线Fig. 6 Shear stress-shear displacement curves of fault gouges

在100 ～500 kPa 法向应力下，各含水率断层泥的剪应力－剪切位移曲线呈现相似的变化规律，峰值强度及峰后残余强度明显，表现出典型的应变软化特征。含水率作为影响断层泥剪切力学行为的主要因素，同一级法向应力下，不同含水率对应的抗剪强度值差异鲜明，应变软化程度也有所不同。当法向应力较低( 100 kPa) 时，20%含水率试样的峰值强度明显高于5%含水率试样，这表明上部荷载较低时，高含水率断层泥的抗滑动能力更佳。当法向应力较大时，低含水率下的抗剪强度则显著高于高含水率断层泥。

4 应变软化特征与抗剪强度参数分析

4.1 含水率对应变软化特征的影响

在环剪过程中，断层泥存在明显的应变软化。残余强度与峰值强度的比值“残余峰值比”可用于表征断层泥应变软化程度，各级含水率与法向应力下的“残余峰值比”见表3。

表3 3 种断层泥在各级含水率与法向应力下的“残余峰值比”Table 3 ″Residual strength/peak strength”of fault gouges under different water content and normal stress

将同含水率下“残余峰值比”取平均值，“残余峰值比”均值随含水率变化曲线如图7 所示。随着含水率的增大，红色断层泥和杂色断层泥的“残余峰值比”呈先减小后增大的趋势，含水率为15%时出现最小值; 绿色断层泥“残余峰值比”则一直减小，最小值出现在20%含水率。

当含水率为5%～15%时，逐渐接近红色和杂色断层泥的塑限含水率，随含水率的增大，应变软化特征趋强，峰值强度与残余强度差异更加显著。当含水率大于塑限含水率时，应变软化特征将趋弱，即表现为15%含水率的“残余峰值比”大于20%含水率试样。含水率低于20%时，绿色断层泥“残余峰值比”不断减小，应变软化特征愈发显著。谌文武等( 2016) 对20%、25%、30%和35%含水率的灰绿色和红色全风化重塑泥岩样进行了直剪试验，研究发现在20%～35%的高含水率状态下，随着含水率增大，峰值强度与残余强度逐渐接近，应变软化特征趋弱。因此，随着含水率的增大，断层泥应变软化特征呈现先增强后减弱的变化规律，其中塑限含水率是影响应变软化规律的转折点。

图7 “残余峰值比”均值随含水率变化曲线Fig. 7 “Residual peak ratio”varies with water content

环剪试验研究发现，随着粗颗粒含量的升高，应变软化特征趋弱( 刘动等，2014) 。5%和10%含水率对应的应变软化特征依次由杂色断层泥、绿色断层泥、红色断层泥增强，符合粗颗粒含量和应变软化特征间的关系。值得注意的是，含水率为15%时，杂色断层泥的应变软化程度显著高于绿色断层泥，如图7 的Ⅰ区域所示; 但含水率为20%时，绿色断层泥的应变软化程度大大超过了红色断层泥，如图7 的Ⅱ区域所示。由此可以说明，断层泥的应变软化特征同时受含水率和粗颗粒含量的影响，且含水率( 尤其塑限含水率) 的影响更为强烈。

4.2 抗剪强度参数分析

4.2.1 强度参数对应变软化特征的影响

通过库伦强度公式拟合获得各抗剪强度参数，包括黏聚力c( 峰值黏聚力cp、残余黏聚力cr) 和内摩擦角φ( 峰值内摩擦角φp、残余内摩擦角φr) 。3种断层泥的cp、cr和φp、φr随含水率变化情况如图8a、图8b 所示。

图8 3 种断层泥的c、φ 值随含水率变化曲线Fig. 8 c and φ of three fault gouges vary with water contents

5%～20%含水率下的cp和cr值都与含水率呈正相关关系。存在含水率ω1，使红色断层泥cp和cr值的相对大小发生变化，当含水率小于ω1时，cp小于cr; 含水率大于ω1时，cp则大于cr。同时，存在含水率ω2使杂色断层泥的cp和cr值关系发生变化。ω1和ω2分别接近红色断层泥和杂色断层泥的塑限含水率。然而，5%～20%含水率下绿色断层泥的cp值始终大于cr值，未出现相对大小变换。

与黏聚力不同，3 种断层泥的φp和φr值均随着含水率的增大而减小，且φp值始终大于φr值。在5%～15%的含水率范围内，杂色断层泥φr的衰减速率远高于φp，而当含水率大于15%时，φp的变化速率突增，φr则以较低速率衰减，15%含水率对应的φp和φr值相差最为显著。红色断层泥的φp和φr呈现出与杂色断层泥相同的变化规律。上文已提到塑限含水率对应的峰值强度和残余强度差值最大，在塑限含水率前，尽管红色和杂色断层泥的cr大于cp值，但φr的衰减速率远高于φp，致使峰值强度和残余强度差值不断增加，应变软化趋强; 含水率大于塑限后，φr衰减速率降低，φp衰减速率提高，残余强度又逐渐接近峰值强度值，应变软化趋弱。这表明峰残强度差值的变化受内摩擦角的影响更显著，内摩擦角是影响应变软化特征变化规律的主要力学指标。

4.2.2 非黏土矿物含量对内摩擦角变化规律的影响

土体力学特性研究中最常用的抗剪强度参数为残余内摩擦角φr( 许成顺等，2017) 。上述分析中指出，内摩擦角φ( φp和φr) 是影响应变软化特征变化速率的主要力学指标，下面以内摩擦角为例，从微观角度对抗剪强度参数的异同进行分析。

图9 非黏土矿物含量对内摩擦角影响Fig. 9 Influence of non-clay mineralcontent on φ

当含水率大于15%时，随着含水率的增大，红色和杂色断层泥φ 值的衰减速率均发生变化，绿色断层泥φ 值则始终保持相同的衰减速率。低含水率条件下，3 种断层泥内摩擦角的相对大小显著，这可能与石英等非黏土矿物含量有关。低含水率土中较少的自由水对非黏土矿物颗粒的润滑作用微弱，颗粒间的相互作用强，表现出较高的φp和φr值。根据XRD 分析和岩石光薄片观测，土中石英等非黏土矿物含量为:红色断层泥＞杂色断层泥＞绿色断层泥，5%和10%含水率的红色断层泥、杂色断层泥、绿色断层泥φ 值依次降低( 图9) 。随着含水率继续增大，更多自由水对颗粒表面的润滑作用增强，减小了颗粒间的摩擦咬合力，非黏土矿物颗粒含量对内摩擦角的影响降低，断层泥之间φ 值的相对关系不再显著。

5 结 论

本文通过微观测试手段和环剪试验，获得了断层泥的组构特征及不同含水率下的剪切力学行为，取得了如下结论:

( 1) 断层泥有明显的峰值强度和残余强度，应变软化特征显著。随着含水率增大，应变软化呈先增强后减弱的变化规律，塑限含水率是影响应变软化规律的转折点; 断层泥的应变软化特征同时受含水率和粗颗粒含量的影响，且含水率的影响更为强烈。

( 2) 断层泥的cp和cr与含水率呈正相关关系，φp和φr则随着含水率增大而减小。含水率接近塑限时，红色和杂色断层泥cp、cr的相对大小以及φp、φr的衰减速率都会发生变化，内摩擦角的变化是影响应变软化特征规律的主要力学指标。

( 3) 3 种断层泥内摩擦角的相对大小可通过黏土矿物和非黏土矿物含量来解释。5%和10%含水率条件下φ 值的大小关系显著，φ 值与非黏土矿物含量呈正相关关系。随着含水率继续增大，非黏土矿物含量的影响降低，断层泥φ 值关系不再显著。