泾阳Q2黄土剪切带微观结构研究

高红灵 李昊 李晓军 李卫珂 唐皓 陈伟

摘 要：黄土地区滑带土剪切过程中的微观结构特性研究是黄土滑坡滑动机制的研究重点。针对目前研究中滑带土微观分析尺度单一且对剪切过程中的土体矿物组分分析研究几乎没有的现状。文中基于自主研发的分离式环刀纯剪切仪，采用剪切试验和扫描电镜试验相结合的方式，开展了47.5 μm剪切位移下黄土剪切带的多尺度（微米级到毫米级）结构的微观结构与矿物特性表征。结果表明：在仅施加47.5 μm位移下，剪切缝已完全贯穿，最大缝宽155.95 μm，最小缝宽11.5 μm，形成了良好的导水通道。剪切缝中的矿物在剪切作用下，矿物颗粒脱离原来的位置并且在剪切缝中被挤压，揉搓，剪破，变成更小的矿物颗粒;摩擦作用使得剪切缝两侧剪切面的微小矿物颗粒被揉搓脱落，剪切缝宽变大，在剪切缝两侧颗粒的矿物属性无法对应。剪切缝中有团聚体形成骨架支撑的现象，显示剪切缝在形成过程中不仅仅存着滑动摩擦，还存在着颗粒的滚动摩擦。文中所观察到的颗粒的滚动摩擦现象为解释滑坡，如远程高速滑坡的滑动机制提供了新思路。

关键词：滑带土;纯剪切仪;微观结构;电镜扫描

中图分类号：TU 435

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）02-0253-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0209開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on micro-structure of slide-zone of Jingyang Q2 loess

GAO Hong-ling1，LI Hao2，LI Xiao-jun2，LI Wei-ke1，TANG Hao2，CHEN Wei2

（1.Qinghai Bureau of Coal Geology，Xining 810012，China;

2.College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：The microstructure characteristics of slip zone soil during the shearing process is the focus of research on the mechanism of loess landslides.

Due to the facts that the microstructure analysis of slip zone soil only has a single scale and there was nearly no research on the analysis of mineral composition during shearing，

this paper explored the characteristics of

the multi-scale（micron to millimeter）structure and the mineralogical characteristic of loess shear zone under 47.5 μm shear displacement based onthe separated ring knife pure shearing instrument developed by ourselves and scanning electron microscope（SEM），using the shear test and scanning electron microscope tese.

The results show that：by applying only 47.5 μm displacement，the shear crack has been completely penetrated.The maximum and minimum seam width is 155.95um，11.5 μm，forming a good water guiding channel.It was found that under the shearing action，the mineral particles in the middle of the shear joint were removed from the original position and the frictional resistance was increased in the shear joint to change into the mineral particles.It issqueezed，smashed，cut and turned into smaller mineral particles.The mineral particles are separated from the original position in the shear fracture，but the mineral properties of the particles on both sides of the shear fracture can not be matched.The fact that aggregates form skeleton support in the shear joint shows that there exist not only sliding friction but also rolling friction of particles in the process of shear joint formation.The examination of rolling friction of particles provides a new idea for explaining the sliding mechanism of landslides，such as long-distance high-speed landslides.

Key words：slip zone soil;pure shear apparatus;micro-structure;scanning electron microscope

0 引 言

滑带土剪切过程中的微观结构特性研究是黄土滑坡滑动机理的研究重点[1]。大量研究表明，滑坡的活动状态与滑带土的应力状态和强度的变化关系密切相关，这些变化又最终取决于滑带土的类型、微观结构特征、物质组分和形成机理等[2-6]。许多学者为阐述滑坡滑动机理，从不同状态的原状黄土和破坏后滑带土的矿物组成及微观结构变化方面进行了研究。

侯晓坤等采用无影灯为OLYMPUS显微镜提供光源，采集了原状黄土不同景深的显微图像，并观察了原状黄土中土体颗粒之间的接触关系

[7]。许健等利用掰断法对经过不同冻融循环次数的Q3原状黄土进行了样品制备，通过电镜扫描试验的微观图片对不同冻融后Q3黄土的骨架颗粒形态、连接方式、孔隙形态进行了观察[8]。吴凯等利用环境扫描电子显微镜（ESEM）对延安的压实黄土（Q3和Q2黄土混合）进行微观结构测试，得到不同干密度黃土微观结构图片[9]。

B P Wen et al通过光学显微镜、背散射电子显微镜、扫描电镜和X射线光谱仪进行滑带土化学组成的微观分析和微观结构的观察，发现滑带土在剪切破坏过程会产生扩张变形，内部粗颗粒随机排列，细颗粒会出现局部定向排列现象[10]。

Chen等使用通过偏振显微镜（PM）和扫描电子显微镜（SEM）技术捕获的图像来研究滑动区域黄土的微观结构[11]。陈剑等利用偏光显微镜观察滑带土矿物类型、含量及颗粒排列特征，利用扫描电镜观察其微裂隙和微孔隙发育情况[12]。

赵能浩等剖析了土质滑坡滑带土的主要粒度组分、矿物组成及其矿物特性，分析了其影响滑带土强度的原因[15]。刘伟通过扫描电镜试验和X射线衍射试验对天水3处黄土-泥岩接触面微结构进行分析

[16]。鲁莎针对三峡的黄土滑坡的滑带土，利用掰断法制样，进行了电镜扫描。通过不同放大倍数，观察到滑带土表面分布有平行但疏松的擦痕，擦痕的深度较浅[17]。其矿物颗粒排列紧密但仍有孔隙，有絮状结构形成。谌文武等对黄土-泥岩接触面滑坡的滑带土力学性质和滑带土微观结构特征进行了研究，分析了滑带土的力学变化特征及其变形内在机理[18]。

Erginal A E et al对滑带土进行X衍射分析其矿物组成，并对滑动面进行电镜扫描，观察滑动面上的微观结构[19]。Regmi A D选取Sangrumba滑坡的岩石和土壤样品进行X射线分析试验和扫描电镜试验，分析了其矿物成分和微观形态[20]。刘动等利用扫描电镜发现剪切面土颗粒微观形态具有明显的分形特征[21]。蒋明镜等对珠海海积软土剪切带内外以及带边缘微观结构分别进行定量分

析，发现剪切带内与其边缘的颗粒排列差异明显[22]。

这些研究对滑带土微观特质的了解起到了促进作用。但目前的研究方法中滑带土微观测试手段较为单一;对滑带土微观分析尺度单一;对土体在剪切过程中的矿物组分分析研究几乎没有。故文中选取泾阳南塬滑坡多发区的Q2黄土为研究对象，结合自主发明的纯剪切仪，进行剪切测试的同时制备了微观样品，并利用扫描电镜观测土体剪切带的微观结构，分析剪切带的微观特性，对边坡稳定性分析和滑坡机理研究有一定参考意义。

1 试验设备

纯剪切仪由加载装置、数据采集装置、纯剪切装置组成（图1）。加载装置采用杠杆式加载方式。数据采集是由数显千分表采集竖直位移，并存储到计算机中。

纯剪切装置设计示意图如图2所示。纯剪切装置由左右两对固定夹条和中间一对加载夹条组成。试验过程中，左右两对固定夹条位置始终固定不变，加载夹条在垂直外荷载作用下相对固定移动。与纯剪切装置相配套的环刀是由四瓣弧形部分拼接成的高20 mm，内径61.8 mm，壁厚2 mm的圆形环刀，在制取松软原状滑带土试样时，将其四瓣环刀拼接，并用胶带纸缠绕环刀一圈，固定环刀。试验测试时，将制备松软土样，装入条带式剪切装置后，割开胶带纸，取掉两侧大瓣环刀（a，a′），保留两小瓣环刀（b，b′）（图2）。该装置避免了试样在测试过程中被推出环刀而使样品受到扰动，可用于野外直接制取滑带土试件。

2 剪切缝SEM试验

2.1 SEM样品制备

为尽可能模拟滑带土的形成条件，选择在高含水率条件下进行剪切带样品制备（图3）。选取干密度1.45 g/cm3，含水率为26%的原状土样，进行纯剪试验，开展一次加载后剪切面的微观观测。对样品施加荷载，环刀内土样受剪切作用，出现2条剪切带。将配置好的固化剂溶液滴入剪切缝内，1 h滴入1次，直至环氧树脂溶液不再入渗，以使其固化。将试样静置24 h后，放入恒温箱。待其烘干后取出，沿着剪切带的垂直方向进行切割，对切割后剪切带所在的剖面进行打磨、抛光后，对剪切缝所在平面进行喷金处理。

2.2 电镜扫描试验

本试验采用JSM-6390A型扫描电子显微镜。通过导电胶带将喷金样品固定在呈样台上，将呈样台放入扫描仪中，抽真空后开始试验。

对剪切带边缘的矿物形貌特征和矿物成分进行放大500倍扫描，获取高分辨率的SEM微观结构图像。

同时对滑带土样品中的矿物元素Al，Ca，Fe，K，Mg，Na，Si进行EDS试验，得到能谱扫描图像。

利用Photoshop软件对试验得到的能谱图像进行图像处理，将不同元素的能谱扫描图像赋予不同的颜色。然后把经过图像处理后7种元素的能谱扫描图像叠加在底图上，得到彩色的图像如图4所示。根据前期建立的黄土矿物标准色库[23]，叠加后的彩色图像（图5）上的颗粒的颜色和矿物是对应的。因此，可以直接根据颜色判断颗粒的矿物类别，并对不同矿物形态特征进行观察。

3 剪切带多尺度结构性分析

利用图像自带比例尺标定得到1号剪切缝发生的剪切位移为47.5 μm（图6）。

对扫描得到的黑白图进行拼接后，将填充在颗粒间的固化剂剔除掉，得到微观结构颗粒分布图，同时对缝宽进行测量（图7）。

统计缝宽共25条，最大缝宽为D22，宽度155.95 μm.最小缝宽为D7，宽度11.5 μm.根据统计的缝宽求得平均缝宽为50.98 μm.剪切缝整体形态呈现犬牙交错状，在缝长为950 μm处出现分叉，且缝宽长度不一，发展无规律（表1）。

将叠加后的彩色片子拼接后得到剪切缝多尺度微观结构矿物组分分布图。为方便观察剪切缝微观结构，将剪切缝多尺度微观结构矿物组分分布图的部分部位进行放大（图8）.

剪切缝100～200 μm处长石1和长石2都处于剪切缝中间（图8（a））。受剪切作用的影响，颗粒发生移动。长石1的长轴方向与水平方向夹角约30°.长石2的长轴方向近乎平行于剪切缝的产生方向，认为颗粒是在剪切作用下，发生移动形成。

剪切缝缝长300 μm处有1，2，4，8，9长石颗粒，3，6，7石英颗粒，5，8碳酸盐颗粒分布位置如图8（b）所示。9个颗粒呈圆环状分布，颗粒之间均没有紧密接触，所有的颗粒长轴方向近似指向圆环中心位置。认为是剪切作用过程使颗粒发生挤压、滚动、揉搓，其长轴方向发生变化所致。

剪切缝从缝长950 μm处发生了分叉现象，缝的中间有条带状矿物分布带存在且剪切缝中的矿物分布带不完全脱离两侧剪切壁存在。为更清楚观察矿物的接触关系，将其进行剔胶后观察（图8（c））。

图8（c）中标出了7处矿物颗粒分布带与两侧剪切壁接触的位置。1处区域内左侧有团聚体，受区域外两块团聚体支撑与右侧剪切壁的小石英矿物颗粒接触。缝长1 000 μm处相互支撑的三块团聚体整体均未在土样剪切过程中被挤压揉搓破坏。3个团聚体的各自内部的小矿物颗粒皆接触紧密。2，4，5处区域的矿物颗粒分布带与右侧剪切内壁有一定的接触，但仅是颗粒边界的部分接触，颗粒之间未紧密接触。6区域内石英和长石颗粒在剪切过程中受挤压、揉搓作用嵌挤在一起。3，7處区域缝中的矿物颗粒分布带中的矿物与左侧剪切内壁接触良好。3#区域中间有石英颗粒长轴方向近似竖直，

且与剪切壁上的颗粒接触紧密。7号区域内有明显碳酸盐矿物和石英矿物紧密接触，嵌挤形成一个团聚体。

故认为缝长1 100～1 400 μm的矿物颗粒分布带是受剪切过程中受挤压、揉搓、摩擦作用从左侧内壁上脱落下来的。900～1 100 μm以上的部分有明显的几个团聚体相互为骨架支撑在剪切缝内。

4 结 论

针对泾阳泾阳Q2黄土开展了土样剪切带微观结构研究，得到以下结论。

1）在施加47.5 μm的位移下，剪切缝完全贯穿，最大缝宽155.95 μm，最小缝宽11.5 μm，形成了良好的导水通道。

2）剪切缝中矿物颗粒脱离原来的位置并且增大摩擦阻力，使得其矿物颗粒被挤压，揉搓，剪破，变成颗粒更小的矿物颗粒。同时因为土颗粒在缝中运动，摩擦作用使得缝两侧剪切面的微小矿物颗粒被搓掉，剪切缝宽变大，剪切缝两侧颗粒的矿物属性无法对应。

3）剪切缝中有团聚体形成骨架支撑的现象，显示剪切缝在形成过程中不仅仅存着滑动摩擦，还存在着颗粒的滚动摩擦。颗粒的滚动摩擦现象为解释滑坡，如远程高速滑坡的滑动机制提供了新思路。

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