古滑坡黄土-基岩界面的黏滑特征研究

吴晓华

（山西省文水公路管理段，山西 文水 032100）

0 引言

我国北方黄土高原分布有巨厚的黄土层，由于黄土的水敏性使得其在降雨作用下极容易发生滑坡等地质灾害。在黄土地区，黄土-基岩接触面为滑动面的滑坡所占比重极大[1]，并且由于黄土厚度大，相应的自重大，所以黄土-基岩型滑坡一般体积较大，滑动距离较远，危害较大。

实际中，土-岩界面发生的滑坡常常体现出3种不同的滑移形式：滑动、蠕滑和黏滑[2]。快速滑坡以滑动形式运动，在干旱半干旱地区，常伴随着大暴雨发生。该运动形式的特点就是变形速度快，难以预测，破坏性大。此外，在气候变化和地层产状平缓地区，土体会在自重作用下沿界面发生缓慢滑移变形，称之为蠕滑[3]。特点是变形持续时间长，变形量较小。黏滑是一种较为特殊的运动形式，多见于古滑坡中，其特点是变形具有一定的脉动性，在多种因素影响下，发生滑移，随后稳定，继而又发生滑动[4]。

一些学者针对国内的古滑坡复活进行了研究，姜春林等人[5]针对山西省祁县-临汾高速上的古滑坡进行了分析，提出了利用微抗滑桩进行支护的手段；徐则民等人[6]以金沙江寨子村古滑坡为对象，研究了其工程地质特征及成因，研究发现地震是产生古滑坡的关键因素；郭健等人[7]研究了黑水河水库古滑坡的形成原因和变形机制，研究发现在古滑坡复活过程中，滑面特征和水分起到了至关重要的作用；陈春利等人[8]研究了延安市王窑村古滑坡在坡脚开挖情况下的变形特征；崔玉龙等人[9]以四川省雷波县马湖古滑坡群为研究对象，从地貌学特征进行了古滑坡成因分析，研究发现古滑坡产生于地震诱发的高速远程滑坡；张玉成等人[10]以乐昌峡水库古滑坡为对象，进行了一系列剪切试验，得到了滑坡土体性质，并研究了水位变化对滑坡的影响规律，相应提出了古滑坡体加固方法；马磊等人[11]对古滑坡滑带土进行了剪切试验，得到了滑带土控制古滑坡变形的规律。

然而目前关于古滑坡复活的研究大部分集中在成因分析、机制分析上，往往忽略了古滑坡复活其实是一种长期的黏滑运动，在漫长的地质历史时期，古滑坡发生了多次复活—静止的循环，在土-岩界面，这种现象尤为显著，因此本文针对土-岩界面的黏滑进行了室内试验模拟，通过控制直剪试验中的加载方式进行启动（滑动）—停止（滑带土固结）—再启动（滑动）—再停止（滑带土固结）的剪切循环，以此探究古滑坡的变形规律和特征。

1 试验方法及材料

1.1 试验前期准备

土体性质与土体应力历史和初始含水率有一定关系，因此在进行试验前，需要考虑土体的固结性质与含水率特征。基于此，开展了试验前期的固结试验。

控制土体干密度为1.7 g/cm3，选择不同含水率（5%、10%、15%）试样在200 kPa的法向荷载下进行固结试验，每隔一段时间测定其法向变形，直至两次测量结果相差不超过0.01 mm为止。试验结果如图1所示，可以看出含水率越大，其变形越大，变形速率越快；在30 min后，固结速率大大降低。因此以30 min作为该次试验的固结时间节点。

图1 不同含水率土样固结变形

1.2 试验方法

制备了若干组具有潜在滑动面的试样，试样制备方法参照文献[12]，试样参数如表1所示。

表1 基本物理参数

按照相关规范规定的直剪试验方法进行试验[13]。试验流程如图2所示，共分为两个阶段：剪切阶段和静止阶段，其中剪切阶段模拟滑坡复活及变形过程，在该阶段土体受到剪切作用，发生位移；静止阶段模拟滑坡运动停止状态，该阶段土体受到上覆荷载作用，又可成为固结阶段。

图2 试验方法

2 试验结果

试验结束后，按照修正后的公式计算得到了剪应力-剪切位移曲线。试验过程中，考虑了不同含水率、不同固结时间和不同前期固结时间的影响。共设置了3组含水率试样，分别为5%、10%和15%，选择10%含水率试验进行不同固结时间分析。

2.1 不同初始含水率条件下的剪切变形特征

土体天然含水状态对其抗剪强度具有重要影响，分别以初始含水率为5%、10%、15%的试样，进行了剪切试验。

图3分别列出了3种不同含水率下的剪应力-位移曲线。剪切速率为0.02 mm/min，总剪切位移为20 mm，分为7阶段，平均每阶段变形量为3 mm。固结时间为30 min。

图3 不同含水率的剪切-位移曲线

从图3可知，含水率越高，抗剪强度越低，说明含水量的提高对于古滑坡的稳定性不利，在滑坡治理措施中，降低滑带土的含水量可有效提高滑坡稳定性。固结后的剪切初始阶段，剪应力值急剧增大，形成峰值，之后产生一定的“应力降”，剪应力-位移关系曲线在峰值后趋于平缓，进入残余阶段。解释其原因，土体内产生剪应力的本质在于土体颗粒之间的摩擦力和咬合力，经历多次循环剪切，固结阶段原本有序排列的滑带土颗粒重新相互咬合，剪切初始阶段其剪应力能够得以加强，随着颗粒在剪切过程中逐渐再一次有序排列，其表现出的剪应力逐渐减小，颗粒排列完成后剪应力趋于定值，此时进入剪切残余阶段。

从整体上，每组试样在试验过程中，每次固结后残余剪应力逐步提高，原因在于试验过程中，剪切面积实际上是逐渐变少的，剪应力提高主要是由作用在剪切面积上的正应力提高造成的。

2.2 不同前期固结时间条件下的剪切变形特征

土体固结程度对其剪切性能有重要影响，因此开展了考虑不同固结时间的剪切试验，结果如图4所示。

图4 不同前期固结时间的剪切-位移曲线

由图4可以看出，含水率相同条件下，当前期固结时间为48 h时，在第5剪切阶段其强度已经与固结24 h的第7阶段强度相同了，说明前期固结时间对土-岩界面的抗剪强度具有正向影响，并且固结时间48 h的试样抗剪强度在第2阶段就已趋于稳定。

由此表明，如果古滑坡上覆土体为超固结土，则边坡较为稳定，并且在后续变形中，所需的力更大。而土体为正常固结或欠固结土，使其发生变形的力较低，但是随着时间增加，其抵抗变形能力逐渐增加，土体趋于稳定。

2.3 不同分段固结时间条件下的剪切变形特征

以前期固结48 h、10%含水率的试样为对象，分别赋予不同的分段固结时间：10 min和30 min，对比二者的强度差异。如图5所示。

由图5可知，分段固结时间为10 min时，试样的强度与持续剪切强度差异较小，由此说明，土-岩界面的黏滑强度与固结阶段的时间呈正比例关系。即固结时间越长，强度越高。

图5 不同分段固结时间的剪切-位移曲线

说明在对古滑坡稳定性进行分析评价时，不可忽略古滑坡的运动时间和静止时间，要考虑古滑坡的发育历史，这对其稳定性至关重要。

2.4 剪切面含水率分布特征

在剪切结束后，分别在试样的前、中、后部位取得小块试样测量其含水率，测量结果如图6所示。由图可知，试样前端含水率保持不变，中部含水率明显降低，后端含水率明显增高，并且这种变化随着含水率越高越明显。剪切行为使得水分向剪切方向运动，由此造成中部水分含量降低，该现象可能解释了在分段剪切试验中，随着时间增加，强度变大的剪切行为。

图6 剪切结束后含水率分布特征

在滑坡体中，表现为滑坡剪出口水分聚集，容易形成掏蚀、坍塌，使得滑坡产生溯源侵蚀；在中部含水量较低，也就增加了抗滑力，使得古滑坡相对稳定。由此说明，在考虑开挖状态下古滑坡稳定时，需要着重对古滑坡的前缘进行保护。

3 讨论

黏滑最初出现于岩体的结构面摩擦运动中，同样在黄土-基岩接触面上也存在类似于岩体黏滑的运动形式，区别在于岩体的黏滑发生时间短，能量瞬间释放，破坏力强，最常见于地震中。而黄土-基岩界面的黏滑发生时间周期长，能量在长时间的运动下缓慢发散，是一种累积效应。

通过建立简单的模型可以表明黏滑运动特征，如图7所示。

图7 黏弹性运动模型

模型由重量为m的滑块和刚度为K的弹簧组成。滑块最初处于静止状态，随着弹簧拉力逐渐增加，达到静摩擦力Fs时，滑块开始滑动，但是由于弹簧的弹性性质，力随着位移的减小呈线性减小，当力减小为F0时，滑块停止运动，此时位移为s，以上便为一次完整的启动—停止过程。由此可以计算这一周期的运动距离[14]：

式中：μs为静摩擦系数；μd为动摩擦系数，并且动摩擦系数恒定小于等于静摩擦系数。在古滑坡体中，这二者的取值以及刚度系数K均取决于岩土性质。

该试验中，黄土-基岩界面的峰值抗剪强度可表示为：

残余抗剪强度为：

根据莫尔-库伦强度准则，在土-岩界面中，峰值抗剪强度和残余抗剪强度可以表示为：

式中：φs为内摩擦角，并且 μs=tanφs；φ0为自然摩擦角，μd=tanφ0，指在自然条件下，岩土体在自重作用下沿着既有层面发生滑动时的角度，可通过倾斜试验获得；cs为内聚力，在较为平坦的交界面上，内聚力可认为是0。

通过式（1）～式（4）可以得到基于莫尔-库伦强度准则的黏滑模型：

将应力降表示为 Δτ=τs-τ0，则式（5）可简化为：

由此可以看出，位移与应力降呈线性相关，对于同一个研究体系不同的两次黏滑，可以表示为：

通过试验发现，第一次的最大剪应力与第二次的最小剪应力近似，即 τs1=τ02，则式（7）可化为：

在经历了n次黏滑周期后的位移-应力关系可以表示为：

刚度系数受多种因素控制，假定在剪切过程中黄土-基岩接触面性质与初始状态相同，则K为常量。该次试验的黄土-基岩界面较为平坦，因此内聚力为0，则式（9）可简化为：

则总位移s可以表示为：

在实际工程中评价古滑坡稳定性时，刚度系数K可以通过室内直剪试验获得，滑带土的抗剪强度为τsn，古滑坡附近未扰动土体的抗剪强度为τ01，上覆土体自重m可以通过勘察工作得到，也可以相应得到上覆荷载σn，由此可以计算古滑坡历史滑动距离。根据古滑坡位移与时间的关系，可以预测未来发生进一步活动的可能性。

4 结语

通过对不同含水率、不同固结程度的试样进行分段剪切试验，模拟了古滑坡的复活—停止变形特征，得到了以下认识：

a）古滑坡上覆土体为超固结土，则边坡较为稳定，并且在后续变形中所需的力更大。而土体为正常固结或欠固结土，使其发生变形的力较小，但是随着时间增加，其抵抗变形能力逐渐增加，土体趋于稳定。

b）在对古滑坡稳定性进行分析评价时，不可忽略古滑坡的运动时间和静止时间，要考虑古滑坡的发育历史，这对其稳定性至关重要。

c）在古滑坡滑体中，前缘会发生水分聚集，容易形成掏蚀、坍塌，使得滑坡产生溯源侵蚀；在中部含水量较低，增加了抗滑力，使得古滑坡相对稳定。由此说明，在考虑开挖状态下古滑坡稳定时，需要着重对古滑坡的前缘进行保护。

d）结合室内直剪试验以及现场勘察结果，可以计算古滑坡自滑动以来的总位移，并根据位移-时间关系，可以预测未来发生变形的可能性。