硬土软岩滑坡近水平滑移的离心机模型试验研究

胡 乐 辛 鹏 王 涛 梁昌玉 李从安

1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;2. 中国地质大学 (北京), 北京 100083;3. 新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081;4. 长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室, 湖北 武汉 430010

0 引言

新近纪硬土软岩滑坡在西班牙、 新西兰以及中国西北地区广泛分布, 此类滑坡具有活动性强、致灾规模大的特点, 易造成巨大经济损失 (Hart,2000; Yenes et al, 2009; 吴红刚等, 2010; 石菊松等, 2013; 石玲等, 2013; 辛鹏等, 2015; 田尤等, 2015; 孟静等, 2018)。 众多学者围绕硬土软岩滑坡的滑动模式、 滑带强度与物质组成开展了大量的研究工作。 平推、 旋转平推复合式滑动是此类滑坡的主要扩展形式 (胡海涛等, 1965; 李保雄和苗天德, 2004; 李滨等, 2011, 2013; 耿兴福和苗天德, 2014; 穆文平等, 2016)。 硬土软岩滑坡易沿着其内部高粘粒、 低强度的滑带部位扩展、 滑移。 同时, 硬土软岩滑坡滑带的残余强度与粘土矿物密切相关, 滑体内部分滑带的粘粒含量可高达48%, 其残余内摩擦角低于10° (Lupini et al. , 1981; Skempton, 1985)。 辛鹏等 (2014,2020) 采用现场试验、 监测等手段研究硬土软岩滑坡滑带不同部位的物质成分, 测试发现滑带内粘粒含量最高可达到64.59%。 这些研究分析从微观上揭示了硬土软岩滑坡低角度滑动与滑带粘粒含量的关系。

滑坡低角度启动及滑移过程模拟是灾害早期识别研究的核心内容。 离心模拟技术能提供与原型相似的应力条件及运动过程 (张敏和吴宏伟,2007; 田海等, 2015; 王维早等, 2016; 张泽林等, 2016; 裴向军等, 2018; 汤明高等, 2020),因此, 这种技术已广泛应用于多类型的岩土质滑坡研究。 如Ling (2009) 进行不同坡度、 高度及砂土类型的降雨诱发滑坡启动的离心模型试验,通过分析斜坡破坏时的累计雨量及滑动面形态规律, 揭示了粘聚力的降低是滑坡启动的内在原因;程永辉等 (2011) 结合离心模拟技术探讨粘粒含量为47.8%的土质边坡在降雨条件下失稳机理,揭示土的膨胀变形对边坡的稳定性其控制作用;周跃峰 (2014) 利用离心机研究水位抬升诱发黄土-软岩滑坡的滑移过程和力学机理, 通过分析坡体中孔隙水压和位移的变化情况, 得出此类滑坡具有牵引式滑动的破坏特点; 冯振等 (2014) 用离心机验证了鸡尾山滑坡是由前缘关键块体蠕滑诱发后部块体滑移的破坏过程。 这些模拟试验证实岩土体间粘聚力较低时, 滑体呈散体状运动,而当岩土体为刚性块体时, 大部分滑体呈块体状滑移 (姚裕春等, 2004; 殷志强等, 2010; 白永健等, 2019)。 新近纪硬土软岩具有富含粘粒、 低强度、 高粘聚力的特点, 这种特殊性质的岩土体对滑坡变形运动的影响需要进一步探明。 开展硬土软岩质滑坡的运动过程的离心模拟试验, 将有利于再现该类滑坡位移、 应力扩展过程, 从宏观角度揭示西北地区典型硬土软岩滑坡的变形机理,为该类滑坡的监测预警与工程治理提供理论支撑。

此次研究以宝鸡市蔡家坡硬土软岩滑坡为原型, 开展两组滑带强度不同的模型试验, 模拟分析此类滑坡滑移运动过程, 揭示硬土软岩滑坡的渐进扩展变形的几何模式与控制因素, 为西北地区硬土软岩滑坡的危险性评估与防护治理等提供技术支撑。

1 模型设计与方案

1.1 试验设备

试验采用长江水利委员会长江科学院CKY-200型土工离心机 (图1), 其离心系统主要由离心机主机系统和监测系统两部分组成。

离心机主机系统主要参数: 有效半径3.7 m;有效容重200 g·t;加速度范围: 0 ～200g, 无级调速, 调速精度0.1g; 加速度稳定度≤±0.5%F. S/48 h (连续工作48 小时转速误差小于0.5%); 模型箱尺寸为1.0 m×0.4 m×0.8 m (长×宽×高), 一侧采用透明的有机玻璃板。

图1 CKY-200 型土工离心机Fig.1 CKY-200 geotechnical centrifuge

监测系统由土压力监测、 位移监测以及影像采集系统三部分组成。 土压监测采用尺寸为8 mm×2 mm (直径×厚度), 量程为0.5 ～1.0 MPa, 精度为1% F. S (误差为位移传感器满量程的1%) 的CST2008 微型土压力传感器; 位移监测采用量程分别为-20～30 mm 和0～120 mm, 测量精度为0.01 mm离心机专用激光位移传感器 (图2); 此外, 高清摄像机详细记录滑坡的宏观变形过程。

图2 离心机专用传感器Fig.2 Sensors for the centrifuge

1.2 试验对象及模型设计

试验以宝鸡市蔡家坡滑坡为原型, 滑坡物质主要为黄土、 渭河五级阶地砾石层及三门组的硬土软岩, 滑带位于三门组泥岩地层内。 蔡家坡滑坡属典型的硬土软岩深层滑坡, 此类滑坡滑体根据受力状态主要分为物质解体的后部压剪应力区及物质汇聚的前缘纯剪应力区 (Varnes, 1978), 其下伏的硬土软岩软弱带的剪切蠕变行为是边坡失稳的主要原因(吴礼舟等, 2017; 王磊等, 2019; 彭建兵等,2020)。 蔡家坡滑坡几何条件为470 m×500 m×150 m(长×宽×高), 滑体平均厚度20 ～60 m, 坡度约为21°。 滑坡后缘滑面较陡, 约55°～75°, 滑坡中前部滑面发育较缓, 近水平状, 厚度为4～6 m。

在关键性变量的物理力学参数相近情况下,离心试验的模型与地质原型具有变形相似、 滑坡启动机理和演变过程相同的特点。 受土工离心机容量及试验模型箱尺寸的限制, 试验中无法直接模拟滑坡地质原型 (需300 g 以上的超大型土工离心机及大型模型箱才能实现), 故采用小比尺模型(不等应力模型) 进行模拟 (李龙起等, 2020)。综合考虑离心机现实条件, 模型试验选用1 ∶120的模型比尺, 并将原始斜坡简化为滑床、 滑体及滑带三个部分。 试验模型尺寸为1.0 m×0.4 m×0.5 m (长×宽×高), 坡面坡度21°, 其中软弱带平均厚约2 cm, 埋深约25.0 cm, 模型尺寸及监测系统布置详情如图3 所示。

图3 实验模型结构及传感器布设简图Fig.3 Model structure and layout of sensors for tests

上部滑体、 下部滑床主要由未风化的硬土软岩组成。 试验中为消除模型箱边界效应和填料粒径效应, 模型材料采用典型斜坡处现场未扰动的硬土软岩经过晾晒、 筛析, 按照预定含水率20%重塑而成。 试验通过体积控制法控制模型密度,使其与原型条件接近。 模型滑体和滑床的最大干密度分别为1.65 g/cm3和1.75 g/cm3, 相关参数见表1。

表1 模型土体的配比及力学参数Table 1 Proportion and mechanical parameters of the slope model

中部滑带主要由强风化、 泥化的硬土软岩组成。 试验中采用不同粘粒含量、 不同含水率的重塑土配置而成, 并通过直剪试验确定模型中滑带物理力学参数, 尽可能使其与原型边坡中滑带参数相似。 试验中滑带物理力学参数如表2 所示。

表2 模型滑带土参数Table 2 Mechanical properties of the landslide-influenced zones

1.3 试验流程

为模拟滑带劣化状态下硬土软岩滑坡的变形过程, 设计两组仅滑带强度不同的T1 和T2 的对比试验 (图3), 具体试验条件如表3 所示。

表3 模型试验方案Table 3 Programs of the centrifugal tests

离心试验共分为试验准备、 试验制模、 传感器布置、 试验运行模拟4 个阶段。

试验准备阶段: 制模前将模型箱清理干净,在模型箱两侧间隔5 cm 画出整个模型的轮廓线,并在四周涂抹凡士林减少摩擦力影响, 之后将模型箱螺丝拧紧, 以确保试验的安全运行。

试验制模阶段: 按表1 中设计的最大干密度分别计算每层所需的土体质量, 分层击实, 并逐层凿毛使得土体紧密接触, 按设计进行削坡, 并人为设置后缘原始陡倾滑面 (图3)。

传感器布置阶段: 在滑带不同应力环境位置间隔30 cm 均匀布置土压传感器TY-1 至TY-3, 监测不同离心加速度情况下土压响应情况。 其中TY-1 位于无应变区, TY-2, TY-3 位于剪切应变区;模型制备完成后, 在模型表面前中后缘布置激光位移传感器分别捕捉试验过程中模型不同位置位移变化。 其中LDS-3, LDS-6 监测水平位移变化,其余传感器监测竖向位移变化。

试验运行模拟阶段: 连接数据采集端口, 测试监测系统。 运行离心机, 逐级加载, 每级加速度10g或20g, 监测记录每级加速度情况下的土压、 位移及宏观变形情况, 待每级加载过程中模型变形稳定后继续提高加速度至预定值; 达预定时间后, 停机、 拍照。

2 试验结果与分析讨论

2.1 裂缝扩展过程

两组试验中宏观破坏规律可由高速摄像机录制的全过程影像分析得出。 含较高强度滑带的坡体在试验T1 中变形迹象不明显, 始终未见裂缝扩展, 而含低强度滑带的坡体在试验T2 中则出现剧烈滑动现象, 坡体出现期裂缝, 并由模型中前部向后缘扩展 (图4)。 T2 试验破坏由4 个阶段组成(图5)。 首先, 模型坡体沿着后缘原有结构面整体向下推移式缓慢蠕变, 坡体表面开始出现细小拉裂缝, 滑体沿原有滑面产生下座变形 (图4a、 图5a); 接着, 坡体在推移滑动时, 坡体上裂缝在下滑力的作用下发育为深大拉裂缝, 离心时间为1200 s 时, 中部平推区的拉裂缝贯通滑体达滑带位置, 坡体前缘平推区第1 次剧烈快速滑动, 前缘挤压区存在局部滑塌现象 (图4b、 图5b); 随后,离心加载持续增加, 模型再次进入缓慢蠕滑阶段,因滑体临空条件良好, 前缘局部滑塌扩展形成前缘次级滑动块, 中部平推区拉裂缝不断扩展为宽大位错裂缝, 滑坡后缘拉张区亦开始出现新的裂缝, 在离心加速时间为2400 s 时, 坡体前缘滑块产生第2 次水平剧烈滑动 (图4c、 图5c); 最后,滑体前缘滑动后为后缘滑体提供新的临空面, 坡体后缘拉裂缝不断扩展为宽大位错裂缝, 在离心加载作用下, 坡体产生第3 次快速滑动 (图4d、图5d)。 最终, 整个模型呈多级水平块状滑塌破坏的特点, 滑坡形成典型的牵引式破坏。

图4 T2 试验裂缝扩展图Fig.4 Crack development of Test 2

图5 T2 试验坡体破坏演化过程Fig.5 Slope failure process of Test 2

2.2 位移实时变化曲线

利用坡体表面激光位移传感器可监测滑坡前缘挤压区 (LDS-5)、 中部平推区 (LDS-4)、 后缘拉裂区 (LDS-2) 的竖向位移, 以及坡体前缘堆积区 (LDS-6)、 后缘拉裂区 (LDS-3) 的水平位移。两组试验的位移随时间及加速度的变化曲线如图6、 图7 所示。

试验T1 中坡体变形迹象不明显, 整个离心加载过程中, 模型竖向位移与加速度保持良好的对应关系, 呈现阶跃式增加 (图6a)。 离心加载过程中, 坡体发生沉降, 坡体竖向位移值最大分别为3.25 mm, 7.22 mm, 15.26 mm (指向坡内)。 坡体水平位移变化情况如图6b 所示, 离心加速时间0 ～2500 s 内, 坡体中土颗粒间孔隙被压缩, 坡体在离心加速度的作用下发生沉降使得坡体表面测点与传感器之间的水平位移负向增大至-0.35 mm和-0.57 mm (指向坡内)。 随着离心加载作用增加, 坡体在重力分量作用下向坡体外水平蠕变,LDS-3 和LDS-6 传感器数值开始正向增大。 离心加速度120g时, 坡体前缘、 后缘平位移值分别为0.05 mm 和0.55 mm, 坡体位移整体指向坡外。 试验过程中坡体位移未发生明显突变, 坡体表面未出现位错裂缝。

试验T2 中坡体在加载过程中位移变化规律与试验T1 不同 (图7)。 加速度在0 ～10g期间, 坡体的水平位移和竖向位移近乎于0 mm, 坡体处于稳定状态; 在加载时间为1200 s 时, 坡体出现指数型增长的水平和竖向位移, 产生第1 次水平滑动。 滑体中部应力集中产生拉裂缝导致滑体前缘堆积区水平位移 (LDS-6) 增量52 mm 明显大于坡体后缘拉裂区 (LDS-3) 位移增量12 mm。 同时,坡体水平位移导致滑体中部平推区和前缘堆积区产生负向位移突变 (指向坡外), 超出激光位移传感器LDS-4, LDS-5 量程 (-20 ～30 mm), 传感器读数不再变化。 滑坡后缘拉裂区 (LDS-2) 产生下座现象, 竖向位移增量突变22.9 mm; 当离心加速度为30 ～40g期间, 坡体前缘挤压区崩塌向后扩展、 加深并形成次级滑动, 坡体前缘再次产生25 mm 的水平位移增量, 坡体位移超出LDS-6 位移传感器的量程, 滑坡产生第2 次水平滑动; 当离心加速度为50 ～60g时, 滑坡后缘拉裂区因前缘滑动产生较好的临空面, 滑坡后缘再次产生32 mm水平位移增量。 滑坡后缘推动前缘滑体继续向前滑动, 形成3 级滑动面。

对比T1, T2 试验结果, 滑带强度控制了坡体的变形类型。 T1 试验中位移变化均匀, 呈现良好的变形连续性, T2 试验中位移变化因坡体渐变性剧烈滑动导致坡体位移多次突变。 同时, T2 位移传感器监测的数值变化顺序表明, 在坡体首次滑动后, 斜坡的破坏是由前缘向后缘发展的, 并最终形成滑塌破坏。

图6 T1 试验位移随时间及加速度变化曲线图Fig.6 Displacements of Test 1 with time and acceleration

图7 T2 试验位移随时间及加速度变化曲线图Fig.7 Displacement of Test 2 with time and acceleration

2.3 土压实时变化曲线

通过在滑带与滑床之间不同位置布置的土压传感器TY-1, TY-2, TY-3 对模型坡体土压力进行动态监测, 其变化情况如下。

试验T1 中坡体不同位置的土压变化趋势基本一致 (图8a)。 坡体土压均随加速度的上升而增大, 主要原因为试验中T1 坡体处于稳定状态, 变形以蠕滑为主, 模型土压受坡体变形的影响较小,其主要受到离心加速度的影响, 试验T2 中坡体土压受到离心加速度和滑坡滑动过程的共同控制,随加速度的增长而大致呈现增大趋势, 同时, 试验T2 中因坡体多次剧烈的滑动存在应力集中和应力解除现象, 进而导致土压增长幅度变大和阶段性降低现象 (图8b)。 在离心加速度为1 ～30g期间, 滑体中部平推区土压 (TY-2) 高于滑体前缘汇聚区土压 (TY-2) 和后缘拉裂区土压 (TY-1),随后恢复正常, 这主要是因为坡体沿着后缘结构面向下滑动, 在滑坡中部平推区产生应力集中,土压异常增大, 其后滑坡产生裂缝应力释放, 坡体土压又受到重力影响恢复正常。 加载时间为4500 s 时, 中部平推区土压增长量 (210 kPa) 明显高于坡体前、 后缘土压增长量; 离心加速度40g以后, 尽管离心加速度上升导致滑体土压增大,但滑体中部平推区土压在离心加载时间4500 s、5500 s 时存在小幅度下降。 其主要原因是坡体前缘滑动后牵引后缘滑动, 坡体产生拉张裂隙, 导致滑坡坡体应力释放, 土压下降。

图8 T1、 T2 试验土压随时间及加速度变化曲线Fig.8 Curves of soil pressure with time and acceleration in Tests 1 and 2

3 硬土软岩滑坡破坏机理讨论

硬土软岩滑坡的变形破坏过程具有 “间动式”特点。 滑带强度低的试验T2 中, 在离心加速度增大过程中, 坡体表面的位移存在多次的突变和稳定阶段。 T2 试验变形过程及位移累积情况见表4。模型在0 ～30g(含30g) 滑带塑性流动, 导致模型整体向前推移滑动。 当离心加速度为30 ～40g,滑带塑性流动带动上覆滑体拉裂, 模型前缘水平位移增长幅度为20 mm, 后缘水平位移仅增长3.1 mm, 后缘位移增长幅度较小, 模型前缘率先产生滑动。 模型前缘滑动后, 在离心加速度为40 ～60g过程中, 模型后缘水平位移增量为39 mm, 模型后缘产生拉裂陷落带, 模型后缘向临空面水平“漂移”。 试验T2 揭露的硬土软岩滑坡破坏过程具有典型的牵引式滑动特点, 硬土软岩滑坡具有前缘向后缘扩展的趋势。

表4 T2 试验变形过程及水平累积位移Table 4 Deformation process and horizontal cumulative displacements of Test 2

硬土软岩的物质组成与力学性质控制了滑坡的渐进扩展。 与松散层黄土滑坡不同, 硬土软岩滑坡呈现块体状滑动, 滑体并不完全解体。 在长距离滑动、 剪切过程中, 初始超固结的硬土软岩引发滑体局部震裂、 竖向张裂隙扩展, 强变形集中的滑带剪胀、 颗粒破碎。 在长期的水力作用下,裂隙带逐步发展为强度极低的软弱带。 由于斜坡坡脚应力集中现象, 软弱带在自重条件下产生塑性大变形, 这种大变形会引起锁固端解锁, 初始被固定的块体渐次出现滑移。 而上部硬土软岩滑体因具有超固结特性, 其抗剪强度并没有随上覆土压力的减少而降低, 而是保留了大部分强度,在下部软弱带产生位移变形同时, 因自身粘聚力而保留部分块体结构, 产生拉裂缝, 形成多级块体。 例如在滑带强度为残余强度的试验T2 中, 模型中部土压 (297.27 kPa) 明显高于前后缘土压(80.52 kPa, 182.34 kPa), 模型中部滑带存在应力集中现象。 滑带物质在应力作用下沿软弱层面水平挤出, 滑带产生的塑性变形会引起坡体整体活动, 并诱发上层滑体产生近垂直裂缝。 滑体裂缝逐步向后缘扩展, 形成渐进后退式水平滑动(图9)。

图9 模型最终破坏形态Fig.9 Final failure mode of the landslide in the centrifuge

鉴于上述模型试验, 当滑坡体内存在近水平高粘粒、 低强度软弱层时, 因斜坡压剪应力区摩擦强度降低, 斜坡会逐级后退扩展变形。 滑坡启动与软弱层的强度、 含水率相关。 软弱带变形、滑体拉裂、 多级块状滑动是该类滑体短距离扩展的主要形式。 这种块体的滑移与超孔隙水压力激增无关, 而滑坡体内裂隙多少、 导水性强弱、 水量多少是主控因素。 因此, 在硬土软岩斜坡的勘察中, 需厘清高粘粒软弱层埋藏位置、 延伸长度,这样才能准确识别平推式滑坡的位置。

4 结论

文章以宝鸡市典型滑坡为原型, 通过开展大型土工离心机试验, 探讨了中国西北地区硬土软岩滑坡滑移过程的土压、 位移变化规律, 分析了滑坡的滑移过程与变形机理, 得出如下结论。

(1) 当滑带土处于饱水状态时, 硬土软岩质滑坡处于稳定状态, 当硬土软岩滑体内部软弱带的强度降低至残余强度时, 滑坡上覆的滑体会出现剧烈运动, 引起边坡失稳破坏。

(2) 滑带土处于残余强度条件下的硬土软岩滑坡, 其变形最强烈区域为滑带, 因硬土软岩特殊的超固结特性, 滑体不会彻底碎裂化与粉尘化,且滑动过程中形成多个块体, 滑坡整体呈现块体状平移滑动。

(3) 硬土软岩滑坡变形是由滑带控制的块体多级平推状滑动, 这种运动形式与滑带前缘应力集中密切相关。 滑带应力集中导致滑带产生塑性大变形, 并诱发上覆滑体拉裂, 临近块体逐次向滑坡后缘扩展。

致谢:本文中的离心机试验在长江科学院胡波、 李波工程师悉心指导下完成, 在此谨致以诚挚谢意。