涇陽Q2黃土剪切帶微觀結構研究

高紅靈 李昊 李曉軍 李衛珂 唐皓 陳偉

摘?要：黃土地區滑帶土剪切過程中的微觀結構特性研究是黃土滑坡滑動機制的研究重點。針對目前研究中滑帶土微觀分析尺度單一且對剪切過程中的土體礦物組分分析研究幾乎沒有的現狀。文中基于自主研發的分離式環刀純剪切儀，采用剪切試驗和掃描電鏡試驗相結合的方式，開展了47.5 μm剪切位移下黃土剪切帶的多尺度（微米級到毫米級）結構的微觀結構與礦物特性表征。結果表明：在僅施加47.5 μm位移下，剪切縫已完全貫穿，最大縫寬155.95 μm，最小縫寬11.5 μm，形成了良好的導水通道。剪切縫中的礦物在剪切作用下，礦物顆粒脫離原來的位置并且在剪切縫中被擠壓，揉搓，剪破，變成更小的礦物顆粒;摩擦作用使得剪切縫兩側剪切面的微小礦物顆粒被揉搓脫落，剪切縫寬變大，在剪切縫兩側顆粒的礦物屬性無法對應。剪切縫中有團聚體形成骨架支撐的現象，顯示剪切縫在形成過程中不僅僅存著滑動摩擦，還存在著顆粒的滾動摩擦。文中所觀察到的顆粒的滾動摩擦現象為解釋滑坡，如遠程高速滑坡的滑動機制提供了新思路。

關鍵詞：滑帶土;純剪切儀;微觀結構;電鏡掃描

中圖分類號：TU 435

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）02-0253-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0209開放科學（資源服務）標識碼（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

滑帶土剪切過程中的微觀結構特性研究是黃土滑坡滑動機理的研究重點[1]。大量研究表明，滑坡的活動狀態與滑帶土的應力狀態和強度的變化關系密切相關，這些變化又最終取決于滑帶土的類型、微觀結構特征、物質組分和形成機理等[2-6]。許多學者為闡述滑坡滑動機理，從不同狀態的原狀黃土和破壞后滑帶土的礦物組成及微觀結構變化方面進行了研究。

侯曉坤等采用無影燈為OLYMPUS顯微鏡提供光源，采集了原狀黃土不同景深的顯微圖像，并觀察了原狀黃土中土體顆粒之間的接觸關系

[7]。許健等利用掰斷法對經過不同凍融循環次數的Q3原狀黃土進行了樣品制備，通過電鏡掃描試驗的微觀圖片對不同凍融后Q3黃土的骨架顆粒形態、連接方式、孔隙形態進行了觀察[8]。吳凱等利用環境掃描電子顯微鏡（ESEM）對延安的壓實黃土（Q3和Q2黃土混合）進行微觀結構測試，得到不同干密度黃土微觀結構圖片[9]。

B P Wen et al通過光學顯微鏡、背散射電子顯微鏡、掃描電鏡和X射線光譜儀進行滑帶土化學組成的微觀分析和微觀結構的觀察，發現滑帶土在剪切破壞過程會產生擴張變形，內部粗顆粒隨機排列，細顆粒會出現局部定向排列現象[10]。

Chen等使用通過偏振顯微鏡（PM）和掃描電子顯微鏡（SEM）技術捕獲的圖像來研究滑動區域黃土的微觀結構[11]。陳劍等利用偏光顯微鏡觀察滑帶土礦物類型、含量及顆粒排列特征，利用掃描電鏡觀察其微裂隙和微孔隙發育情況[12]。

趙能浩等剖析了土質滑坡滑帶土的主要粒度組分、礦物組成及其礦物特性，分析了其影響滑帶土強度的原因[15]。劉偉通過掃描電鏡試驗和X射線衍射試驗對天水3處黃土-泥巖接觸面微結構進行分析

[16]。魯莎針對三峽的黃土滑坡的滑帶土，利用掰斷法制樣，進行了電鏡掃描。通過不同放大倍數，觀察到滑帶土表面分布有平行但疏松的擦痕，擦痕的深度較淺[17]。其礦物顆粒排列緊密但仍有孔隙，有絮狀結構形成。諶文武等對黃土-泥巖接觸面滑坡的滑帶土力學性質和滑帶土微觀結構特征進行了研究，分析了滑帶土的力學變化特征及其變形內在機理[18]。

Erginal A E et al對滑帶土進行X衍射分析其礦物組成，并對滑動面進行電鏡掃描，觀察滑動面上的微觀結構[19]。Regmi A D選取Sangrumba滑坡的巖石和土壤樣品進行X射線分析試驗和掃描電鏡試驗，分析了其礦物成分和微觀形態[20]。劉動等利用掃描電鏡發現剪切面土顆粒微觀形態具有明顯的分形特征[21]。蔣明鏡等對珠海海積軟土剪切帶內外以及帶邊緣微觀結構分別進行定量分

析，發現剪切帶內與其邊緣的顆粒排列差異明顯[22]。

這些研究對滑帶土微觀特質的了解起到了促進作用。但目前的研究方法中滑帶土微觀測試手段較為單一;對滑帶土微觀分析尺度單一;對土體在剪切過程中的礦物組分分析研究幾乎沒有。故文中選取涇陽南塬滑坡多發區的Q2黃土為研究對象，結合自主發明的純剪切儀，進行剪切測試的同時制備了微觀樣品，并利用掃描電鏡觀測土體剪切帶的微觀結構，分析剪切帶的微觀特性，對邊坡穩定性分析和滑坡機理研究有一定參考意義。

1?試驗設備

純剪切儀由加載裝置、數據采集裝置、純剪切裝置組成（圖1）。加載裝置采用杠桿式加載方式。數據采集是由數顯千分表采集豎直位移，并存儲到計算機中。

純剪切裝置設計示意圖如圖2所示。純剪切裝置由左右兩對固定夾條和中間一對加載夾條組成。試驗過程中，左右兩對固定夾條位置始終固定不變，加載夾條在垂直外荷載作用下相對固定移動。與純剪切裝置相配套的環刀是由四瓣弧形部分拼接成的高20 mm，內徑61.8 mm，壁厚2 mm的圓形環刀，在制取松軟原狀滑帶土試樣時，將其四瓣環刀拼接，并用膠帶紙纏繞環刀一圈，固定環刀。試驗測試時，將制備松軟土樣，裝入條帶式剪切裝置后，割開膠帶紙，取掉兩側大瓣環刀（a，a′），保留兩小瓣環刀（b，b′）（圖2）。該裝置避免了試樣在測試過程中被推出環刀而使樣品受到擾動，可用于野外直接制取滑帶土試件。

2?剪切縫SEM試驗

2.1?SEM樣品制備

為盡可能模擬滑帶土的形成條件，選擇在高含水率條件下進行剪切帶樣品制備（圖3）。選取干密度1.45 g/cm3，含水率為26%的原狀土樣，進行純剪試驗，開展一次加載后剪切面的微觀觀測。對樣品施加荷載，環刀內土樣受剪切作用，出現2條剪切帶。將配置好的固化劑溶液滴入剪切縫內，1 h滴入1次，直至環氧樹脂溶液不再入滲，以使其固化。將試樣靜置24 h后，放入恒溫箱。待其烘干后取出，沿著剪切帶的垂直方向進行切割，對切割后剪切帶所在的剖面進行打磨、拋光后，對剪切縫所在平面進行噴金處理。

2.2?電鏡掃描試驗

本試驗采用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡。通過導電膠帶將噴金樣品固定在呈樣臺上，將呈樣臺放入掃描儀中，抽真空后開始試驗。

對剪切帶邊緣的礦物形貌特征和礦物成分進行放大500倍掃描，獲取高分辨率的SEM微觀結構圖像。

同時對滑帶土樣品中的礦物元素Al，Ca，Fe，K，Mg，Na，Si進行EDS試驗，得到能譜掃描圖像。

利用Photoshop軟件對試驗得到的能譜圖像進行圖像處理，將不同元素的能譜掃描圖像賦予不同的顏色。然后把經過圖像處理后7種元素的能譜掃描圖像疊加在底圖上，得到彩色的圖像如圖4所示。根據前期建立的黃土礦物標準色庫[23]，疊加后的彩色圖像（圖5）上的顆粒的顏色和礦物是對應的。因此，可以直接根據顏色判斷顆粒的礦物類別，并對不同礦物形態特征進行觀察。

3?剪切帶多尺度結構性分析

利用圖像自帶比例尺標定得到1號剪切縫發生的剪切位移為47.5 μm（圖6）。

對掃描得到的黑白圖進行拼接后，將填充在顆粒間的固化劑剔除掉，得到微觀結構顆粒分布圖，同時對縫寬進行測量（圖7）。

統計縫寬共25條，最大縫寬為D22，寬度155.95 μm.最小縫寬為D7，寬度11.5 μm.根據統計的縫寬求得平均縫寬為50.98 μm.剪切縫整體形態呈現犬牙交錯狀，在縫長為950 μm處出現分叉，且縫寬長度不一，發展無規律（表1）。

將疊加后的彩色片子拼接后得到剪切縫多尺度微觀結構礦物組分分布圖。為方便觀察剪切縫微觀結構，將剪切縫多尺度微觀結構礦物組分分布圖的部分部位進行放大（圖8）.

剪切縫100～200 μm處長石1和長石2都處于剪切縫中間（圖8（a））。受剪切作用的影響，顆粒發生移動。長石1的長軸方向與水平方向夾角約30°.長石2的長軸方向近乎平行于剪切縫的產生方向，認為顆粒是在剪切作用下，發生移動形成。

剪切縫縫長300 μm處有1，2，4，8，9長石顆粒，3，6，7石英顆粒，5，8碳酸鹽顆粒分布位置如圖8（b）所示。9個顆粒呈圓環狀分布，顆粒之間均沒有緊密接觸，所有的顆粒長軸方向近似指向圓環中心位置。認為是剪切作用過程使顆粒發生擠壓、滾動、揉搓，其長軸方向發生變化所致。

剪切縫從縫長950 μm處發生了分叉現象，縫的中間有條帶狀礦物分布帶存在且剪切縫中的礦物分布帶不完全脫離兩側剪切壁存在。為更清楚觀察礦物的接觸關系，將其進行剔膠后觀察（圖8（c））。

圖8（c）中標出了7處礦物顆粒分布帶與兩側剪切壁接觸的位置。1處區域內左側有團聚體，受區域外兩塊團聚體支撐與右側剪切壁的小石英礦物顆粒接觸?？p長1 000 μm處相互支撐的三塊團聚體整體均未在土樣剪切過程中被擠壓揉搓破壞。3個團聚體的各自內部的小礦物顆粒皆接觸緊密。2，4，5處區域的礦物顆粒分布帶與右側剪切內壁有一定的接觸，但僅是顆粒邊界的部分接觸，顆粒之間未緊密接觸。6區域內石英和長石顆粒在剪切過程中受擠壓、揉搓作用嵌擠在一起。3，7處區域縫中的礦物顆粒分布帶中的礦物與左側剪切內壁接觸良好。3#區域中間有石英顆粒長軸方向近似豎直，

且與剪切壁上的顆粒接觸緊密。7號區域內有明顯碳酸鹽礦物和石英礦物緊密接觸，嵌擠形成一個團聚體。

故認為縫長1 100～1 400 μm的礦物顆粒分布帶是受剪切過程中受擠壓、揉搓、摩擦作用從左側內壁上脫落下來的。900～1 100 μm以上的部分有明顯的幾個團聚體相互為骨架支撐在剪切縫內。

4?結?論

針對涇陽涇陽Q2黃土開展了土樣剪切帶微觀結構研究，得到以下結論。

1）在施加47.5 μm的位移下，剪切縫完全貫穿，最大縫寬155.95 μm，最小縫寬11.5 μm，形成了良好的導水通道。

2）剪切縫中礦物顆粒脫離原來的位置并且增大摩擦阻力，使得其礦物顆粒被擠壓，揉搓，剪破，變成顆粒更小的礦物顆粒。同時因為土顆粒在縫中運動，摩擦作用使得縫兩側剪切面的微小礦物顆粒被搓掉，剪切縫寬變大，剪切縫兩側顆粒的礦物屬性無法對應。

3）剪切縫中有團聚體形成骨架支撐的現象，顯示剪切縫在形成過程中不僅僅存著滑動摩擦，還存在著顆粒的滾動摩擦。顆粒的滾動摩擦現象為解釋滑坡，如遠程高速滑坡的滑動機制提供了新思路。

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