滑坡型泥石流作用下土體剪切的物理力學(xué)特性研究

滑坡型泥石流作用下土體剪切的物理力學(xué)特性研究

1滑坡型泥石流轉(zhuǎn)化機制根據(jù)李樹德教授的定義，滑動斜坡泥石流是指在較短時間內(nèi)，由滑動斜坡的位置快速轉(zhuǎn)化為動能的一次性滑動和運動堆積，并由整個塊體連續(xù)運動過程發(fā)展的兩個階段（滑動斜坡之前的滑動，然后的泥石流轉(zhuǎn)化）組成。根據(jù)定義，傾斜泥石流具有以下兩個特點。(1)滑坡型泥石流的轉(zhuǎn)化過程中,滑坡體的位能是滑坡型泥石流轉(zhuǎn)化過程中主要動力來源,所以滑坡型泥石流屬于土力類泥石流;(2)滑坡失穩(wěn)以后轉(zhuǎn)化成為泥石流是一個連續(xù)的過程,中間沒有間斷或者間斷時間非常短。在汶川地震中,有很多泥石流例如北川老縣城泥石流,雖然物質(zhì)來源為滑坡提供,但是其過程是地震誘發(fā)滑坡發(fā)生以后,滑體在坡腳處堆積,后續(xù)的強降雨沖刷滑體堆積物而形成泥石流,這類泥石流主要的動力來自于強的地面徑流而且轉(zhuǎn)化過程不是連續(xù)的、一次性的,所以不屬于滑坡型泥石流的范疇,也不屬于本文研究的范圍。在我國,滑坡型泥石流造成嚴重生命財產(chǎn)損失的事故時有發(fā)生,例如1974年四川南江縣的白梅埡滑坡型泥石流,坡體在連日的降雨下失穩(wěn),繼而轉(zhuǎn)化成為泥石流,造成泥石流堆積體約900萬m3,造成159人死亡,8人受傷,損壞房屋和農(nóng)田無數(shù);1981年陜西寧強縣大安鎮(zhèn)石家坡滑坡型泥石流,造成14人死亡;1999年四川普格縣因暴雨引發(fā)的標水巖滑坡型泥石流,造成2人死;2004年6月四川省宜賓市兩龍鄉(xiāng)滑坡型泥石流,造成13人死亡,7人受傷等。因此,研究滑坡型泥石流的轉(zhuǎn)化機制,對其進行準確的預(yù)測預(yù)報顯得尤為重要。但是到目前為止,滑坡型泥石流的轉(zhuǎn)化機制研究還沒有取得公認的成果。J.N.Hutchinson等認為,由疏松的土體組成的滑坡體,轉(zhuǎn)化成泥石流的關(guān)鍵在于不排水效應(yīng),在滑坡體與滑床的剪切過程中形成不排水環(huán)境,滑體土剪縮而引起孔隙水壓力增加,產(chǎn)生超孔隙水壓力,抗剪強度消失或部分小時,從而使滑體土液化而轉(zhuǎn)化成為泥石流;K.Sassa認為,液化的原因除剪縮外,還有剪切導(dǎo)致顆粒破碎引起的滑體土中孔隙減小;R.W.Fleming等提出了相似的理論,他們認為,密實的滑體土在開始剪切的時候剪切帶處于剪脹狀態(tài),由于孔隙率增大,剪切帶中產(chǎn)生負孔隙水壓力,產(chǎn)生的基質(zhì)吸力增加了滑體的穩(wěn)定性,滑體停止剪切滑動,但是由于降雨或者滑體后的積水的迅速補充,剪切帶中的基質(zhì)吸力迅速消失,剪切帶再次處于飽和狀態(tài),抗剪強度減小,滑體再次開始滑動,由于上次的土體膨脹,孔隙度超過臨界孔隙度,這次的滑動產(chǎn)生剪縮效應(yīng),產(chǎn)生超孔隙水壓力,土體液化而轉(zhuǎn)化成泥石流。S.A.Anderson和N.Sitar在進行系統(tǒng)的試驗分析的基礎(chǔ)上,證實了上述理論,并且他們進一步證明,上述理論中的土體膨脹與收縮并不能用土體的臨界孔隙度理論來解釋,而是受土體的應(yīng)力路徑控制的,土體先膨脹后收縮是因為土體在降雨入滲的作用下由不排水環(huán)境下的恒剪應(yīng)力路徑(constant-sheardrainedpath)轉(zhuǎn)變成為偏壓固結(jié)不排水環(huán)境(anisotropicallyconsolidatedundrainedpath)。F.C.Dai等提出,滑體土剪脹造成的黏土力破壞及應(yīng)變軟化是滑坡型泥石流轉(zhuǎn)化的主要原因。本文以四川省達縣青寧鄉(xiāng)滑坡為研究對象,通過現(xiàn)場考察及環(huán)剪試驗,從土力學(xué)角度對滑坡型泥石流的轉(zhuǎn)化機制進行了深入研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),除了以往各位學(xué)者普遍關(guān)注的剪縮和顆粒破碎產(chǎn)生的超孔隙水壓力外,還有一種新的作用機制,即滑體土的顆粒破碎和分層效應(yīng)在滑體底部形成厚厚的細粒土層(本文稱之為軟弱基座效應(yīng)),使滑體的整體穩(wěn)定性減弱,希望這一發(fā)現(xiàn),對以后類似的研究有些許的參考價值。2滑坡致災(zāi)機理青寧鄉(xiāng)滑坡位于四川省達縣青寧鄉(xiāng)巖門寨村,發(fā)生于2007年7月7日凌晨6時。整個滑坡中部橫向?qū)?480m,縱向長2080m,滑坡面積約1.81km2,滑體平均厚度6m,總方量達1100萬m3,滑體在失穩(wěn)以后部分滑體轉(zhuǎn)化成為泥石流,造成滑體上的房屋、農(nóng)田及公路全部毀壞,經(jīng)濟損失達人民幣1.5億元,因滑坡前兆特征明顯,滑坡體上村民全部成功轉(zhuǎn)移,無一傷亡。2.1滑坡區(qū)的地層及巖石學(xué)特征滑坡位于山間槽谷之中,SE方向為大寨山,海拔為930.6m,與滑坡后緣相對高差約150m,坡度為70°~90°;滑坡NE,SW方向為臺狀低山,高程為600~850m,坡度為30°~50°?；碌那熬壟c后緣的地面高程分別為500和788m,相對高差為288m。滑坡的前部地形較緩,坡度為5°~15°,后部的地形較陡,坡度為15°~25°。滑坡區(qū)的地層主要由第四系的松散堆積層(Q4)和侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)基巖組成,第四系松散堆積層主要包括崩坡積、殘坡積及滑坡堆積層;基巖由青灰、灰褐色巖屑長石砂巖、粉砂巖夾棕紅色砂質(zhì)泥巖組成,巖層產(chǎn)狀320°~340°∠8°~10°。砂巖呈厚層塊狀,泥巖為薄層狀構(gòu)造,該區(qū)構(gòu)造作用較弱,砂巖、粉砂巖中構(gòu)造裂隙不發(fā)育,但在高陡斜坡地帶卸荷裂隙發(fā)育,泥巖風(fēng)化裂隙發(fā)育,巖體較破碎。2.2青東南角滑坡區(qū)根據(jù)青寧鄉(xiāng)滑坡的基本特征,把整個滑坡區(qū)分為4個區(qū):滑坡1區(qū)、滑坡2區(qū)、強變形區(qū)及弱變形區(qū)?；?區(qū)中又包括泥石流區(qū),如圖1所示。青寧鄉(xiāng)滑坡為典型的推移式滑坡,滑坡1區(qū)為整個滑坡的啟動區(qū),它的滑體物質(zhì)的后緣加載使滑坡2區(qū)滑動,同樣,滑坡2區(qū)擠壓強變形區(qū),強變形區(qū)擠壓弱變形區(qū)?，F(xiàn)場調(diào)查及勘察結(jié)果表明,青寧鄉(xiāng)滑坡是第四系松散堆積層在基巖上的滑動。2.3滑坡失穩(wěn)后的滑體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為泥石流轉(zhuǎn)化為泥石流的物源來自于滑坡1區(qū)的滑體物質(zhì)。圖2為圖1中的I–I′剖面。滑坡1區(qū)由后部的平移型滑坡和前部的旋轉(zhuǎn)型滑坡組成,滑體物質(zhì)由第四系松散堆積層組成,其中主要的滑體物質(zhì)來源于前部的旋轉(zhuǎn)型滑坡,約30萬m3?；率Х€(wěn)后,滑體開始在滑床繼而前方坡面上滑動,一段距離以后轉(zhuǎn)化成為泥石流。根據(jù)滑坡轉(zhuǎn)化泥石流的過程及特征,可以總結(jié)出如圖3所示的滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的過程?；率Х€(wěn)階段(見圖3(a)):由于滑坡自身的地層結(jié)構(gòu)和受到降雨的誘發(fā)作用,坡體失穩(wěn),滑體開始滑動。關(guān)于滑坡區(qū)失穩(wěn)的機制胡瑞林等做了詳細的論述,本文中不再贅述,這里將關(guān)注滑坡失穩(wěn)以后在滑床及坡面上滑動并轉(zhuǎn)化為泥石流的過程。轉(zhuǎn)化階段(見圖3(b),(c)):滑體最初在滑床上滑動,后剪出,在前方坡面上滑動。在滑動過程中,滑體的勢能不斷轉(zhuǎn)化為動能和熱能,滑體對滑床和坡面施加了一定的垂直壓力和剪切應(yīng)力,相應(yīng)地,滑體也受到滑床和坡面的剪切力,土體發(fā)生一定的變形行為,物理力學(xué)性質(zhì)都發(fā)生一定的變化,加上在坡面上低洼處匯集的雨水匯入到滑體之中,滑體的剪切強度和整體穩(wěn)定性越來越弱?；w轉(zhuǎn)化為泥石流前的滑動距離約為200m。圖4為被滑體剪切過后的坡面,可以看出受滑體剪切以后,坡面表層積累了厚層的細粒土層,表面非常光滑。選取剪出口附件坡面上某點開挖,發(fā)現(xiàn)被剪切過后的土體分層非常明顯(見圖5),表層約30cm為細粒土層,往下碎石含量越來越高,為了更詳細的了解垂向上土體的級配變化,在剖面上不同部位取樣做顆分試驗,結(jié)果顯示,可以在垂直方向上把土體大致分為3層,即粉砂、碎石土和角礫,其中前2層的厚度分別約為30和48cm。泥石流階段:如圖3(d)所示,滑體經(jīng)過一定距離的剪切滑動,剪切強度和整體穩(wěn)定性降低到一定程度后,土體呈流塑狀,發(fā)生層間滑動,完全解體轉(zhuǎn)化成為泥石流,順坡向下流動,在低洼處堆積。從上述的分析可知,滑坡1區(qū)的滑體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為泥石流的過程,實際是滑體長距離滑動剪切的過程?；w土在滑動剪切的過程中物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了怎樣的變化而轉(zhuǎn)化成泥石流,為什么被它剪切后的坡面分層現(xiàn)象如此明顯?本文將通過室內(nèi)環(huán)剪試驗?zāi)M滑體在滑床和前方坡面上的長距離滑動剪切過程,研究這個過程中土體的物理力學(xué)性質(zhì)變化,進而從土力學(xué)上揭示滑坡型泥石流的轉(zhuǎn)化機制。3環(huán)切試驗3.1環(huán)剪試驗儀器試驗土樣裝入如圖6所示的上下剪切盒中,通過進水和出水閥門控制試樣的含水率及進排水情況,向試樣施加與實際情況相同的垂直荷載進行固結(jié)。一切準備完畢后,向下剪切盒施加剪切應(yīng)力,下剪切盒以一定的剪切應(yīng)力或者剪切速率轉(zhuǎn)動,上剪切盒保持不動。在剪切的過程中,剪應(yīng)力傳感器、垂向位移傳感器、孔隙水壓力傳感器分別監(jiān)測剪應(yīng)力、垂向位移及孔隙水壓力,并由數(shù)據(jù)采集儀以設(shè)定的頻率采集這些數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的直剪和三軸剪切儀器相比,環(huán)剪試驗儀器有著它們不可比擬的優(yōu)點,由于試樣的形狀為環(huán)形,環(huán)剪試驗儀器可以模擬無限距離的剪切,長距離的剪切更接近自然狀態(tài)下的滑坡失穩(wěn)以后滑體的滑動。本次試驗采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)所引進的日本SEIKEN公司生產(chǎn)的環(huán)剪試驗儀。試驗儀器參數(shù)如下:試樣尺寸:150mm(外徑)×100mm(內(nèi)徑)×20mm(高);固結(jié)壓力:0~1000kPa,固結(jié)采用氣壓加壓;剪切速度:0.0005~100°/min;排水與不排水一體式,采用CO2飽和法。3.2試驗試驗及結(jié)果本次試驗的試樣取自青寧鄉(xiāng)滑坡滑坡1區(qū)前緣陡坎滑面附近土體,這部分土能代表滑坡發(fā)生前滑面附近的土體的物質(zhì)組成和顆粒級配。由于試驗儀器的限制,根據(jù)土工試驗規(guī)程,采用剔除法去除粒徑>5mm的顆粒,經(jīng)過剔除法處理以后的試樣土顆粒級配如表1所示。共進行3個試驗,試驗編號及試驗條件見表2,根據(jù)青寧鄉(xiāng)滑坡滑體的厚度,計算得出垂向荷載為400kPa,剪切速度60°/min為本儀器的最大可操作速度,為了對比不同剪切距離時試樣的顆粒的分層及級配變化,3個試驗的剪切距離分別為5,10及15m。本次試驗統(tǒng)一采用不排水剪切,因為在真實條件下,由于滑體的滑動速度較快,孔隙水壓力的產(chǎn)生速率大于其消散速率,因此滑體內(nèi)能夠積累超孔隙水壓力。而在本試驗中,環(huán)剪儀最大可操作速度為60°/min,線速度僅為1.09cm/s,與滑體實際滑動速度相差甚遠,不容易產(chǎn)生超孔隙水壓力。因此本次試驗采用不排水剪切,這種方法已被眾多學(xué)者所采用,證明是切實可行的。試樣為飽和試樣,因為在實際情況中,由于雨水的入滲,土體為飽和狀。3.3試樣固結(jié)和剪切(1)裝樣。把風(fēng)干的試樣分層裝入剪切盒并壓實,每次裝入上一層之前先刨毛下一層土的上表面,使每層試樣之間更好的接觸,控制每次裝入的試樣質(zhì)量相同,控制試驗的高度在(2.50±0.01)cm。(2)飽和。采用CO2驅(qū)氣飽和法。通過進氣閥向試樣通CO2氣體1h,將試樣中的空氣驅(qū)出,將氣體通過剪切盒頂部的出水口引入水桶內(nèi)觀察氣體的均勻度。后向試樣通蒸餾水4h進行飽和。保持試樣的BD值均在95%以上(BD是指固結(jié)試樣時試樣所增加的孔隙水壓力值與所施加的固結(jié)壓力值的比值,是表征試樣飽和度的量)。(3)固結(jié)。對試樣施加垂向荷載(400kPa),進行排水固結(jié)12h,固結(jié)后試樣的高度為(2.40±0.02)cm。(4)剪切。固結(jié)完畢,關(guān)閉上下進排水閥門,開始以恒定速度60°/min剪切試樣,剪切的過程中,數(shù)據(jù)采集儀以1次/s的頻率采集剪應(yīng)力、孔隙水壓力、垂向荷載及垂向位移值。(5)剪切完畢,拆卸剪切盒,取出剪切過后的試樣,對試樣進行分層顆分,研究試樣在剪切過程中的顆粒分層及破碎情況。3.4試驗結(jié)果及分析3.4.1孔隙水壓力及剪切強度圖7為3個試驗的孔隙水壓力、剪應(yīng)力及垂向位移與剪切位移曲線,圖8為3個試驗的有效應(yīng)力路徑。圖7(a)顯示,試驗1開始剪切以后,試樣高度便開始下降,試樣為典型的剪縮型土,試樣初始孔隙度大于臨界孔隙度。從圖7(a)可以看出,垂向位移曲線按其形態(tài)可以分3個階段:第一階段從0~10mm,在這個階段,試樣的高度下降了約0.72mm,約總下降高度(1.62mm)的45%;第二階段從10~1000mm,這個階段,試樣下降速度減緩,試樣在990mm的剪切中總共下降了約0.82mm;第三階段從1000mm到剪切結(jié)束,這一階段,土樣的高度基本穩(wěn)定,總共下降了0.08mm左右。試樣1剪切過程中體積變化導(dǎo)致孔隙水壓力上升,剪應(yīng)力減小。圖7(a)中,孔隙水壓力和剪應(yīng)力的變化也可以相應(yīng)的分為與垂向位移曲線相同的3個階段:第一階段,孔隙水壓力迅速從0~116kPa,約占孔隙水壓力上升總量(287kPa)的40%;第二階段,孔隙水壓力上升速度變緩,共上升了158kPa,約占孔隙水壓力上升總量的55%;第三階段接孔隙水壓力接近穩(wěn)定狀態(tài),共上升了約13kPa。剪切強度在第一階段急劇上升到峰值剪切強度198kPa,但是隨著孔隙水壓力的上升,剪切強度在第二階段開始下降,至1000mm左右時下降到59kPa左右趨于穩(wěn)定,第三階段總共下降了10.4kPa。在剪切過程中,孔隙水壓力及剪切強度變化與試樣體積變化相吻合。圖9為典型松砂土不排水剪切的應(yīng)力–應(yīng)變–體積應(yīng)變曲線,松砂土開始剪切破壞,砂土的體積迅速減小,但是砂土顆粒經(jīng)過短暫的重新排列以后,隨著剪距的增大,砂土的體積幾乎為一個常數(shù)甚至又稍微增大,同樣,砂土的剪切強度在經(jīng)歷短暫迅速的上升后也趨于一個常數(shù),在體積和剪切強度趨于常數(shù)之前,砂土的體應(yīng)變不到1%。而在本試驗中,試樣的體積和剪切強度一直到剪切位移為1000mm左右才趨于穩(wěn)定,此時,試樣的體積應(yīng)變?yōu)?.06%,說明除了通常所說的剪切收縮效應(yīng)之外,還有另外的原因使試樣的體積收縮,從而導(dǎo)致孔隙水壓力進一步上升,剪切強度進一步下降。圖8(a)顯示,試樣的有效峰值內(nèi)摩擦角為36.2°,有效殘余內(nèi)摩擦角只有23.5°。同樣把試驗1的ESP線與傳統(tǒng)松砂CU試驗的ESP線(見圖10)對比可以發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的ESP線,隨著體積變形的增大,有效正應(yīng)力逐漸減小,但是砂土越來越動用潛在的摩擦力而使有效摩擦角增大(表現(xiàn)在(σ1′/σ3′)越來越大),剪切到最后,砂土的摩擦角最大,但是由于孔隙水壓力的上升,有效正應(yīng)力減小,其剪切強度仍然最小。在試驗1中,在第一階段(0~10mm),ESP線與傳統(tǒng)松砂CU試驗的ESP線趨勢一致,即有效正應(yīng)力減小,剪應(yīng)力增大,有效內(nèi)摩擦角也增大;但是第一階段以后,試樣1中的有效內(nèi)摩擦角并不增大,而是逐漸減小,說明在剪切過程中,必然有其他的機制使得有效內(nèi)摩擦角減小,比如顆粒破碎或者分層等等,使剪切面上的有效內(nèi)摩擦角減小。為了研究上述試驗中的“異常”行為,下面對剪切后的試樣進行分層顆分試驗,分析在剪切過程中顆粒的運動情況及級配變化。從圖7(b),(c),圖8(b),(c)可以看出,因為試驗條件相同,試驗2,3的垂向位移變化、孔隙水壓力變化、剪應(yīng)力及有效應(yīng)力路徑與試驗1剪切距離為5和10m時大致相同,所以不再贅述。這2個試驗的主要目的是為了對其剪切后的試樣進行顆分,和試驗1的顆分結(jié)果進行對比,研究剪切過程中試樣的級配變化及顆粒運動情況。3.4.2剪切面剪切細粒層結(jié)構(gòu)及顆粒運動規(guī)律如圖11為試驗2剪切后的試樣,可以看出,試樣在剪切過程中的分層現(xiàn)象非常明顯,在剪切面的兩側(cè)對稱地分布著一層細粒層,拆分試樣時發(fā)現(xiàn),這層細粒層能非常容易地作為一個整體從試樣中脫離出來,與其相鄰的土層之間黏性很小。基于這種情況,采取以下方法對試樣進行分層:把試樣分為4層,中間細粒層作為一層,把細粒層以上的土層平均分成2層。因為本試驗的研究對象主要是剪切面以上的試樣,所以把細粒層以下的土層整體作為一層進行顆分,不再繼續(xù)分層。從上到下命名為第一層,第二層,第三層,第四層,試樣1,2,3分層后各層的厚度見表3,從表中可以看出,剪切位移越大,中間黏質(zhì)粉土層的厚度就越大。圖12為試樣1,2,3剪切后分層顆分曲線,分析以上曲線可以看出:(1)試樣剪切過程中存在大量的顆粒破碎,且剪切位移越大,顆粒破碎越多。(2)試樣在剪切的過程中,以剪切面為中心在兩側(cè)形成細粒層,顆分試驗結(jié)果定名為黏質(zhì)粉土。試樣1,2,3的黏質(zhì)粉土層在成分上稍微有些區(qū)別,隨著剪切位移的增加,小于0.075mm的顆粒含量稍微增加。從表3可以看出,隨著剪切位移的增加,黏質(zhì)粉土層的厚度越來越大,說明雖然在剪切位移為1000mm左右時,試樣的垂向位移及孔隙水壓力、剪切強度趨于穩(wěn)定,但是顆粒的破碎和分層行為還在繼續(xù)。(3)第一層試樣隨著剪切位移增大,顆粒級配明顯變粗,雖然小于0.075mm的顆粒稍微有所增加,但是大于0.25mm以上的顆粒明顯增加,其中2~5mm的顆粒增加了約8%。(4)第二層土的顆粒略有變細,但是大于0.25mm的顆粒含量基本保持不變,主要變化為0.10~0.25mm的顆粒含量減小,小于0.075mm的顆粒含量明顯增加。對比試樣1,2,3的顆分試驗結(jié)果,隨著剪切距離的增加,小于0.075mm顆粒的含量越大,0.10~0.25mm的顆粒含量越小,其他粒徑顆粒含量基本保持變化。(5)第四層土的顆粒較原狀土較細,并且隨著剪切位移的增加,顆粒級配越細,但是因為沒有進一步把第四層分層,所以沒有做更進一步的研究。通過上述分析,可以把試樣剪切過程中的顆粒破碎及運動情況推斷如下:開始剪切時,剪切面上的顆粒先破碎,隨著剪切位移的增加,試樣中小于0.25mm的顆粒向剪切面運動且破碎,而大于0.25mm的顆粒往上運動,試樣上層的顆粒越來越粗,而剪切面周圍顆粒的粒徑越來越細而成黏質(zhì)粉土層。隨著顆粒破碎與分層的繼續(xù),黏質(zhì)粉土層越來越厚,且由于試樣中形成的超孔隙水壓力,剪切面附近形成的黏質(zhì)粉土層基本處于液化狀態(tài),剪切強度很低。上述的顆粒破碎和分層行為可以解釋上述的垂向位移曲線、孔隙水壓力曲線和剪切強度曲線為什么不是經(jīng)過短暫的調(diào)整而是經(jīng)過近1000mm的剪切后才趨于穩(wěn)定。剪切面附近的黏質(zhì)粉土液化層解釋了為什么有效應(yīng)力路徑中的有效內(nèi)摩擦角隨著剪切位移的增大而減小,而不是同傳統(tǒng)的松砂不排水剪切試驗一樣隨著剪切位移增大而增大。由上述的試驗結(jié)果,可以把剪切過程中試樣的物理力學(xué)性質(zhì)變化過程總結(jié)如下:開始剪切時,因為土體