大西山浅层滑坡土体基本物理力学指标研究分析★

金德友，蒋 玉，丁 勇，胡锦坤，张顺利，龙发伟

(保山学院工程技术学院,云南 保山 678000)

云南极大部分地区地质环境脆弱,山高坡陡、土石松散、暴雨多发,加之地震频繁,人类活动影响加剧,滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷等地质灾害易发高发,是国家投入地质灾害防治经费最多的省份之一,地质灾害防治历史悠久、实践丰富[1]。

地质灾害是指以地质动力活动或地质环境异常变化为主要成因的自然灾害。主要包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等[2]。滑坡一般依据滑坡滑动面深度可分为浅层滑坡(滑坡滑动面深度小于6 m)、中层滑坡(滑坡滑动面深度6 m～20 m)、厚层滑坡(滑坡滑动面深度20 m～50 m)、巨厚层滑坡(滑坡滑动面深度大于50 m)。相比较其他类型的滑坡,浅层滑坡的滑坡体深度、滑坡体量都相对较小。由于边坡坡面表层易受到强降雨和人类活动的影响,发生频率高,且分布面积较广,在河谷、交通以及高陡边坡极易发生,给人民生命财产造成不同程度威胁,故国内外学者对滑坡的物理力学特性及滑坡的孕育机理均有大量研究。詹美强等[3]指出天然工况下,组成滑坡的碎石土干密度达1.75 g/cm3以上,含水率(质量分数)低于4%,并且堆积体的黏聚力和内摩擦角与含水率呈显著相关性,随含水率增加而减小。张一豪[4]通过常规土工试验、激光粒度分析试验、核磁共振试验、崩解性试验和三轴压缩试验,查明了黄土和红黏土的物理力学性质。徐世光等[5]通过勘察发现滑坡的形成在于不合理的开挖边坡,其上软弱土体夹层经近期地震作用,经受超常强降雨持续渗入坡体,使之重度增加,强度降低,以及坡体上建筑物之荷载,增加了下滑力。姚广[6]以某山区公路路基开挖边坡时发生滑坡为例,分析滑坡形成原因,并对滑坡进行了稳定性分析计算,采取堆载反压、抗滑挡墙支挡、排水等处治措施,保证边坡及高压铁塔基础稳定,为类似的工程提供参考依据。李曜男等[7]分析了降雨的影响因素,解决了不同降雨条件对滑坡稳定性影响的问题。本文在大量权威研究学者的基础上,基于丰富的现场调查研究、土样采集和实践经验,选取大西山地区13个滑坡点位中具有代表性的2个浅层滑坡点位D1,D2点(区域位置如图1所示)作为研究对象,通过室内试验,对两个点物理力学指标进行测定及分析,现场水文地质条件进行探索,以期探究大西山滑坡土体的物理力学性质及滑坡的孕育机理。

1 工程概况与试验方案设计

1.1 工程概况

大西山浅层滑坡区域地处云南省保山市隆阳区,横断山脉滇西纵谷南端,地形、地质、地貌复杂多样,山高坡陡,地处澜沧江断裂带,地质活动频发。地区气候具有亚热带季风气候的特点,冬无严寒,夏无酷暑,年平均气温15.5 ℃,最高温度31 ℃,最低温度0 ℃,年均降雨量900 mm～2 100 mm,近二十年降雨量均大于1 000 mm,降雨主要集中在5月、6月、7月、8月份。

其中发生浅层滑坡的D1,D2点区域位置坐标分别为:东经99°16′04″,北纬25°15′37″和东经99°19′00″,北纬25°15′41″,D1,D2两点相距直线距离约100 m。

该地区原始地貌为山地,山峦起伏,沟壑纵横,植被茂盛,发生浅层滑坡的D1,D2点所处位置临近通往大西山栖贤古寺的公路旁,滑坡点有明显的人工开挖修建道路的痕迹。

根据现场调查发现,大西山地区地表水缺乏,周围几乎没有河流湖泊,其他地表水仅为局部山间沟谷含有少量流水,多数地表水为季节性溪流,水量变化较大,季节性溪流主要集中在雨季,旱季则断流。

1.2 试验方案设计

原状土样:依据《土工试验方法标准》将原状土样制备成环刀试样。

散样土样:D1,D2点均取2袋5 kg散样。

实验仪器:电热烘箱(控制温度为105 ℃～110 ℃);液、塑限联合测定仪;固结仪;应变控制式直剪仪等。

环刀:分为两种规格,内径61.8 mm、高20 mm的环刀和内径50 mm、高50 mm的环刀。

天平:量程500 g,最小分度值0.01 g。

取样点分别为两个1.2 m×1.2 m的试样剖面,分别按宽度与深度为20 cm间距进行取样,包括:土体散样、环刀样,用于进行室内密度、含水率、液塑限、压缩指标、抗剪强度指标的测定。D1,D2点按其深度20 cm,40 cm,60 cm,80 cm,100 cm进行命名D1-1-D1-6与D2-1-D2-6。在取样过程中,尽量降低取样时人为因素对原状土进行扰动,保证原状土的天然性与整体性。取样时,对所有环刀试样按步骤进行削平→贴标签→贴保鲜膜处理,防止所取土样过多导致土样杂乱现象的发生,为后期进行室内试验带来一系列不可控因素。取样完成后,把所有土样带回实验室进行试验,因本次所采集样品数量多,所涉及的获取土体物理力学指标的试验较多,故本次涉及的所有室内试验应严格按照GB/T 50123—2019土工试验方法标准[8]进行试验。

2 土体物理指标分析

由表1数据可知,D1点的天然含水率、饱和含水率、天然干密度、天然湿密度、饱和湿密度平均值分别为20.14%,34.88%,1.33 g/cm3,1.60 g/cm3,1.79 g/cm3;D2点的天然含水率、饱和含水率、天然干密度、天然湿密度、饱和湿密度平均值分别为19.76%,38.34%,1.29 g/cm3,1.55 g/cm3,1.75 g/cm3。D1,D2点土体的天然含水率随土样深度的增加而逐渐增加,两点的天然含水率变化不大,仅相差0.38%。D1和D2两点的初始孔隙比在0.82～1.54范围、天然含水率(质量分数)在16.50%～24.82%范围、饱和含水率(质量分数)在31.26%～47.56%范围、天然干密度在1.16～1.42范围、天然湿密度在1.37～1.74范围、饱和湿密度平均值在1.65～1.87范围。

表1 原状土样密度&含水率数据表

从两试样点的密度与含水率平均指标来看,除两点饱和含水率相差较大,D1点的饱和含水率小于D2点的饱和含水率约10%之外,其余几个物理指标都呈现出D1点大于D2点的现象,但其差值不大。从天然含水率与饱和含水率来看,土体吸水率相对较大,天然含水率增加到饱和含水率,可增加约70%～90%。通过进行两地土样细部观察发现,D1点土体细石含量较多,但整体较为松散,而D2土体颗粒较细,相对比较密实,所以导致D2点吸水性比较强。从两地综合来看,在初始孔隙比相对较小的情况下,其饱和含水率却呈现较大的现象,从单一试样点来看,基本呈现初始孔隙比越大,饱和含水率越大的情况。

3 土体力学指标分析

由表2数据可以看出,两地液性指数IL值都小于0,土体呈现出坚硬状态。从塑性指数IP来看,两地数值都大于17,均为黏性土,但D2塑性指数却高于D1塑性指数43.64%,差值很大,塑性指数IP为液限含水率与塑限含水率的差值,其值越大,说明D2土体颗粒相对较细,其吸水能力越大。从两地土体压缩指标来看,压缩系数均在0.1 MPa-1～0.5 MPa-1之间,压缩模量在4.0 MPa～15.0 MPa之间,为中压缩性土体。

表2 液塑性指标、压缩指标、抗剪强度指标表

土体的抗剪强度指标,是分析判定土体稳定性的重要指标之一,从表2所得数据来看,D1黏聚力c相对D2较小,低于D2约36.36%,相反在内摩擦角指标中,D1高于D2约30%。在抗剪强度表现中,后者以黏聚力表现占优,以内摩擦角表现为主,再一次说明,土体颗粒的粗细制约着土体物理力学指标的变化。一般情况下,颗粒相对较细的土体,黏聚力表现较大,颗粒较粗的土体,内摩擦角则表现较大。从现场取样的情况看,D1点的土样粒径明显大于D2点,导致D1点的孔隙比D2点大,从后期土样细部观察情况来看,D1点土样中含有少量树根,D2点土样不含有树根。综上因素,是导致D1,D2点抗剪强度指标差异的主要原因。

结合图2可知,D1,D2点黏聚力c和内摩擦角φ随含水率的增加具有不稳定性,具体表现为:1)D1点黏聚力c随着含水率的增加,表现出减小-增大-减小的趋势,内摩擦角φ则表现出减小-增大的趋势;D2点黏聚力c随着含水率的增加,表现出增加-急剧减小-增加的趋势,内摩擦角φ表现出减小-稍微增加-急剧减小-稍微增加的趋势。但总体比较来看,D1,D2点黏聚力c随着含水率的增加均有逐渐减小的趋势。D1点内摩擦角随含水率增加有先逐渐降低后又逐渐增大的趋势,D2点内摩擦角φ总体出现降低的趋势。2)D1,D2点黏聚力c的最大值均介于含水率(质量分数)为17.5%～18.5%之间,且D1点的黏聚力c的最大值是D2点的1.16倍,D1点黏聚力c最大值是最小值的1.4倍,而D2点黏聚力c的最大值是最小值的2.93倍之多,说明D2点抗剪强度指标相较于D1点具有不稳定特性,离散性较大。3)D1点黏聚力c最大时,内摩擦角φ最小,黏聚力c最小时,内摩擦角φ最大,D2点黏聚力c与内摩擦角φ的关系较不明显。4)D1,D2点在含水率(质量分数)介于17.5%～18.5%之间时,均出现黏聚力c下降的情况,其中D2点黏聚力c从70.42 kPa急剧下降到24.06 kPa,下降幅度达到292.56%,在图3中可以明显看出黏聚力c出现“断崖式”下降的现象,具体分析可知:含水率促使土体颗粒结构发生变化,导致黏聚力c值随含水率的增加而先增后减,当含水率逐渐增加,黏聚力的3个组成部分结构吸力、收缩膜张力、基质吸力都会变小,所以黏聚力迅速减小。

再由图3分析可知,D1,D2点土样在含水率相同的情况下,土体的抗剪强度随着垂直压力的增加出现呈波浪式增加的趋势,总体而言,D1,D2点土体的抗剪强度随着垂直压力的增加而增加。在土体含水率不同的情况下,D1点的抗剪强度与含水率的相关性较差,但随含水率的增加也有略微下降的趋势。D2点的抗剪强度则随含水率的增加而逐渐减小。

在垂直压力为100 kPa～200 kPa时,D1,D2点土体在不同含水率条件下,抗剪强度随垂直压力增加均出现明显增加的趋势。当垂直压力在200 kPa～400 kPa时,D1,D2点土体在不同含水率条件下,抗剪强度随垂直压力的增加,一半出现“对数型”增加现象,一半出现急剧增加-急剧减小-急剧增加的现象,说明D1,D2点土体在垂直压力为200 kPa～400 kPa时,抗剪强度随垂直压力的增加有明显的分段性,即在垂直压力为100 kPa～200 kPa的条件下线性拟合度比垂直压力在200 kPa～400 kPa的条件下拟合度高。当含水率(质量分数)在14.5%～20.5%之间时,D1点的抗剪强度线性拟合度比D2点的线性拟合度好。

4 结论

1)大西山地区浅层滑坡土体天然密度较小,土体间孔隙较大,为坚硬的黏性土,其压缩性表现为中压缩性,对于此种黏性土来看,该土体的抗剪强度指标黏聚力c与内摩擦角φ值都相对较大。

2)含水率对土体的抗剪强度有显著影响,具有跳跃性,具体表现为:黏聚力c随含水率的增加而逐渐减小,且当含水率(质量分数)介于17.5%～18.5%区间时,黏聚力c出现“断崖式”减小,内摩擦角随含水率的增加有先减小后增大的趋势。相较含水率对黏聚力c和内摩擦角φ的影响,黏聚力c较内摩擦角φ更为敏感,说明该土体的抗剪强度在某一含水率区段主要由黏聚力c来控制的。

3)本次两试样点为一个滑坡上的土体,且相距不大。若从两试样点土体统一对比,表现出孔隙比越大,饱和含水率越大的现象;从单一试样点来看,则表现出孔隙比越大,饱和含水率越大的现象。其他物理力学指标从数值来看区别也较大。

4)同一区域环境相同的土体,地形地貌一样,相距不大,但由于各试样点土体自身内部颗粒组成以及个体风化程度的不同等因素,会导致其相距较近地点的土体物理力学指标存在一定的差异,从定性上看基本一致,但从数值上看,则表现出不同程度的差别。