片麻巖類堆積層滑坡滑帶土特性研究
——以黃岡地區為例

王志剛,朱文慧,石 威,陳 兵,王 超

(湖北省地質局 第三地質大隊,湖北 黃岡 438000)

滑帶土是指滑坡發生和發展過程中,在特定的物理化學條件下形成的一種結構破碎、厚度不等的巖土體,它由各種黏土礦物和非晶體物質組成,是滑坡的重要組成部分,是影響滑坡變形演化和穩定的關鍵因素[1-3]。國內外學者基于不同視角和方法,針對滑帶土開展了大量細致而深入的研究。在滑帶土力學特征方面,葉火炎等[4]利用三軸固結不排水剪切試驗,發現滑帶土的應力—應變曲線增長速率變化點隨著顆粒級配分形維數的增加而呈增長趨勢;蔣秀姿等[5]通過直剪蠕變試驗,發現滑帶進入加速蠕變的臨界剪應力和剪切速率均與正應力線性正相關;易慶林等[6]通過直剪試驗,發現應變硬化型滑帶土在滑坡變形過程中,經剪切后摩擦強度增大,減少了滑坡的動能,滑坡經過短距離滑動后可能出現暫時性止滑的現象;辛鵬等[7]利用地質剖面計算和動態數值模擬等,揭示了黏土巖質滑帶塑性流動擠出的控滑機理。在滑帶土殘余強度方面,王順等[8]指出在已存在剪切帶的滑帶土中,環剪時能快速達到殘余強度狀態,而且其強度隨有效法向應力的增加而增大;Bhat et al.[9]通過區別土樣來研究滑坡土在殘余剪切狀態下的強度恢復情況;陳曉平等[10]通過室內環剪試驗,總結了含砂黏土與一般黏性土在應變軟化特征方面的不同,指出粗顆粒的含量對殘余強度值呈分段式影響,隨著粗砂含量增加,等效殘余內摩擦角增高趨勢顯著。在滑帶土微觀結構方面,張先偉等[11]基于對軟土蠕變過程中微觀結構變化的研究,揭示了軟土蠕變特征和變形機制;王洪興等[12]通過滑帶土黏土礦物定向性分析,認為滑帶土主要發育中等定向性的黏土礦物顆粒,并具一定的脹縮性及脹縮的不均勻性;Chen et al.[13]研究滑帶土微觀結構時,發現滑帶土具有軟弱結構和孔隙度高的特點,其細粉顆粒和黏土顆粒組成表明滑帶土經歷了膨脹和顆粒重排的變形過程。

綜上所述,關于滑帶土力學特征、殘余強度、微觀結構等方面的研究已取得了諸多成果,而針對某一特殊地層滑坡的滑帶土特性研究較少。本文以黃岡地區典型的片麻巖類堆積層滑坡為研究對象,運用不同的試驗方法,針對滑帶土的結構特征、物理性質和礦物組成等,進行詳細地闡述和分析,希望通過此研究為黃岡地區片麻巖類堆積層滑坡的防治提供一些理論依據。

1 研究區概況

黃岡市地處大別山南麓,屬秦嶺復合造山帶的東延部分和根帶。該地區廣泛分布片麻巖地層和巖漿巖,其中片麻巖地層覆蓋黃岡市全域面積約49%?；率屈S岡地區主要的地質災害類型之一[14],截至2021年12月,各類地質災害點登記在冊共1 029處,其中滑坡617處,占比為60.0%;而片麻巖類堆積層滑坡共計534處,占全部滑坡的86.5%,在黃岡市十個縣(市、區)廣泛分布[15](圖1)。

2 試驗方案

2.1 樣本

為探討黃岡地區片麻巖類堆積層滑坡滑帶土的特性,本次共選取8個典型滑坡作為研究對象(表1)。根據物質組成的不同,將這些滑坡分為塊狀較堅硬的Ⅰ類滑坡——花崗質片麻巖堆積層滑坡和片狀軟弱—較堅硬的Ⅱ類滑坡——斜長片麻巖堆積層滑坡。取樣類型包括原狀土和重塑土,原狀土通過環刀在滑坡未擾動斷面處獲取,用塑料膜和膠帶及時密封;重塑樣則直接在未擾動斷面及探槽側壁處獲取,裝入自封袋及時密封。

表1 樣品統計表

2.2 試驗方法

(1) 顆粒分析試驗:測定土樣中各粒組占該土總質量的百分比,測定>0.075 mm的土顆粒采用篩分法,測定≤0.075 mm的土顆粒采用密度計法。

(2) 物理力學指標試驗:包括直剪試驗測定抗剪強度、烘干法測定天然含水率、環刀法測定天然密度、比重瓶法測定比重、液塑限聯合測定法測定液限和塑限。

(3) X射線衍射分析:查明土樣中礦物成分特征,儀器為X’Pert PRO DY2198型X射線衍射儀。

(4) 電鏡掃描試驗:獲取滑帶土的微觀結構特征,儀器為FEI Quanta200型環境掃描電子顯微鏡。

3 滑帶土特性

3.1 顆粒特征

按照《土的工程分類標準》(GB/T 50145—2007),土顆粒分為礫粒(>2 mm)、砂粒(0.075～2 mm)、粉粒(0.005～0.075 mm)和黏粒(≤0.005 mm),據此將土樣進行了分類,結果見表2。由表2可知,Ⅰ類滑帶土中礫粒、砂粒、粉粒、黏粒含量分別為23.00%、62.63%、14.19%、0.18%,Ⅱ類滑帶土中礫粒、砂粒、粉粒、黏粒含量分別為27.87%、51.86%、19.07%、1.20%,Ⅰ類滑帶土中礫粒和砂粒含量(合計85.63%)高于Ⅱ類滑帶土(79.73%),表明Ⅰ類滑帶土中粗顆粒含量更高。但總體而言,兩類滑坡滑帶土均呈現粗顆?；?黏粒含量極低,使得顆粒內部的黏結作用弱,表現出松散及水穩定性差的特點,也使得滑坡在降雨入滲或人工擾動作用下,易發生變形滑動。

表2 滑帶土顆粒特征

從顆粒分維度來看,Ⅰ類滑帶土分維度均值為2.555,低于Ⅱ類滑帶土的2.584。研究認為土壤分維度隨著土壤顆粒直徑的減小而增大[16],這與前述Ⅱ類滑帶土中粉粒、黏粒含量高于Ⅰ類的結論相吻合。變異系數是一種常用來衡量觀測數據離散程度的統計指標[17],一般認為,變異系數<0.1指示觀測數據具弱變異性[18]。兩類滑帶土分維度的變異系數分別為0.018和0.026(表3),均<0.1,表明黃岡地區片麻巖類堆積層滑坡的滑帶土顆粒的分維度離散程度低,屬于弱變異性。

表3 滑帶土顆粒分維度的統計學特征

3.2 物理性質

滑帶土的物理性質指標測試內容包括天然含水率、干密度、比重、天然密度、孔隙比、孔隙度、飽和度、液限和塑限等。由表4可知,Ⅰ類滑帶土的天然含水率為13.1%～34.9%(均值為25.68%)、干密度為1.157～1.617 g/cm3(均值為1.367 g/cm3);Ⅱ類滑帶土的天然含水率為20.1%～27.4%(均值為23.85%)、干密度為1.363～1.500 g/cm3(均值為1.446 g/cm3),可以看出兩者的天然含水率都較高,但Ⅰ類滑帶土的變化幅度更大,且兩者干密度都較低。高含水率和低干密度在一定程度上反映了滑帶土內部黏結效果差、土體強度低。Ⅰ類滑帶土的液限均值為43.75%、塑限均值為16.50%、塑性指數均值為27.25;Ⅱ類滑帶土的液限均值為42.75%、塑限均值為16.25%、塑性指數均值為26.50,說明兩類滑帶土的液塑限指標十分接近,但Ⅰ類滑帶土都略高于Ⅱ類滑帶土。

表4 滑帶土物理性質指標

3.3 礦物組成

滑帶土樣品X射線衍射分析結果如表5所示,可知兩類滑帶土的礦物成分主要有蒙脫石、累托石、伊利石、石英、鈉長石和鉀長石等。以蒙脫石、累托石和伊利石為主的黏土礦物因其親水性和脹縮性,在水的作用下極易膨脹造成土體變形和抗剪強度降低,對邊坡的穩定性造成潛在威脅,該類黏土礦物可作為揭示滑坡成因的重要指示性礦物[19]。Ⅰ類滑帶土中蒙脫石、累托石和伊利石三種黏土礦物的含量為22.69%～61.28%,Ⅱ類滑帶土中的含量為15.80%～79.26%,Ⅱ類滑帶土的黏土礦物含量高于Ⅰ類滑帶土。兩類滑帶土中石英、長石等碎屑礦物含量也較高,Ⅰ類和Ⅱ類滑帶土中石英含量分別為18.09%～33.11%、10.64%～31.79%,兩者比較接近;長石(鉀長石+鈉長石)含量分別為7.21%～45.13%、7.00%～70.20%,前者的極值更小。因鉀長石和鈉長石具有風化敏感性,在基巖差異風化過程中,Ⅱ類滑帶土更易形成風化或節理裂隙面。

表5 滑帶土礦物組成指標

3.4 微觀結構

從兩類滑帶土中各選取2組樣品進行掃描電子顯微鏡微觀結構測試,顯微照片如圖2所示。從圖2-a～d可知,在低放大倍數時,Ⅰ類滑帶土顆粒大,形狀極不規則,晶體結構松散,礦物結構模糊,孔隙或裂隙發育且大小差異明顯;隨著放大倍數的增加,可以看到在孔隙中有襯墊及填充,有時可見雜亂堆積狀態,這種松散的結構為水的下滲提供了良好的通道,促進了孔隙間的聯系和貫通結構面的形成,促使坡體整體失穩。與Ⅰ類滑帶土相比,Ⅱ類滑帶土(圖2-e～h)顆粒細且更加緊密,整體呈片狀或疊片狀排列,顆粒之間的接觸多為面—面接觸,孔隙或裂隙大小相對較小;隨著放大倍數的增加,可以看到大顆粒周圍開始出現緊密依附的小顆粒,這種聚集的形態對于雨水的入滲和孔隙間的貫通具有一定阻塞作用。

4 滑帶土強度參數的影響因素分析

4.1 強度參數測定

為了解黃岡地區兩類片麻巖類堆積層滑坡滑帶土的強度特性,對采集的8組樣品進行了天然工況和飽和工況下的直剪試驗,主要抗剪強度參數見表6。兩類滑帶土在兩種工況下的黏聚力均值幾乎相同,這與兩類滑帶土的礦物成分特征相吻合;但在內摩擦角均值上,Ⅱ類滑帶土較Ⅰ類滑帶土都有所增高,這一結果可以用Ⅱ類滑帶土具有比Ⅰ類滑帶土更緊密的微觀結構特征進行較好地解釋。相比天然工況,飽和工況下滑帶土的黏聚力變化幅度較大,兩類滑帶土的黏聚力分別下降了47.9%和49.1%,黏聚力的下降反映了土體抗剪強度的下降,進而易于形成軟弱夾層,為滑坡的形成提供了物質基礎。

表6 滑帶土抗剪強度指標

4.2 影響因素分析

為了探究黃岡地區兩類片麻巖類堆積層滑坡滑帶土的抗剪強度參數與分維度、含水率、干密度等因素之間的相關性,分別從Ⅰ類滑帶土中選?、?PTL樣品,Ⅱ類滑帶土中選?、?YEY樣品進行正交試驗設計,制備不同分維度、含水率和干密度的重塑土樣,開展直剪試驗。正交試驗采用的各影響因子與因子水平如表7所示,其中第一列中-1、0、1分別代表低、中、高水平。正交試驗結果如表8所示,并據此利用ANOVA方法進行方差分析,結果如表9所示。

表7 正交試驗的影響因子與因子水平

表8 正交試驗計算結果

表9 滑帶土抗剪強度參數的方差分析

滑帶土抗剪強度參數方差分析結果(表9)表明,對于Ⅰ類滑帶土,含水率對黏聚力和內摩擦角影響的主體效應均不顯著(P>0.05),干密度對黏聚力和內摩擦角影響的主體效應均顯著(P<0.05),分維度對黏聚力和內摩擦角影響的主體效應均不顯著(P>0.05),3個影響因素對黏聚力和內摩擦角的影響從大到小依次為干密度、含水率和分維度。對于Ⅱ類滑帶土,含水率對黏聚力影響的主體效應顯著(P<0.05),對內摩擦角不顯著(P>0.05);干密度對黏聚力和內摩擦角影響的主體效應均顯著(P<0.05);分維度對黏聚力和內摩擦角影響的主體效應均不顯著(P>0.05),3個影響因素對黏聚力和內摩擦角的影響從大到小依次為干密度、含水率和分維度。

5 結論

通過對黃岡地區片麻巖類堆積層滑坡的滑帶土進行調查和多項試驗研究,得出以下結論:

(1) 從顆粒特征來看,相較于Ⅱ類滑帶土,Ⅰ類滑帶土具有更高的粗粒(礫粒和砂粒)含量,約高6%,但兩類滑帶土均呈現粗?；卣?Ⅰ類滑帶土分維度均值(2.555)略低于Ⅱ類滑帶土(2.584),但兩者的變異系數均<0.1,屬于弱變異性。從微觀結構來看,Ⅰ類滑帶土結構松散、孔隙發育,為水的下滲提供了通道,而Ⅱ類滑帶土顆粒間聯系更為緊密,整體呈片狀或疊片狀排列,這種聚集的形態對水的下滲和孔隙間的貫通具有一定阻塞作用。

(2) 在物理性質方面,兩類滑帶土表現出含水率高、干密度低的特點,表明滑帶土內部黏結效果差、土體強度低。

(3) 礦物成分測試表明,兩類滑帶土中普遍存在大量以蒙脫石、累托石和伊利石為主的黏土礦物,遇水極易膨脹,導致土體強度降低,對滑坡穩定有著潛在威脅。

(4) 滑帶土的直剪試驗結果表明,兩類滑帶土的黏聚力均值幾乎相同,但在內摩擦角均值上,無論是天然工況還是飽和工況,Ⅱ類滑帶土較Ⅰ類滑帶土都有所增高,說明堆積層滑坡之間主要依靠摩擦強度維持,而非黏結強度。在飽和工況下,兩類滑帶土的黏聚力分別下降了47.9%和49.1%,隨著含水率的增高,土體內部結合水膜的黏滯阻力降低,容易形成軟弱夾層。正交試驗表明,含水率、干密度、分維度對滑帶土抗剪強度參數(黏聚力和內摩擦角)的影響從大到小依次為干密度、含水率和分維度。