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黑方臺臺緣剖面土體的物理力學(xué)性質(zhì)分析

2014-03-06 10:27楊永強(qiáng)梁收運張帆宇
關(guān)鍵詞:黑方斜坡黃土

楊永強(qiáng),梁收運,徐 超,張帆宇

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院地質(zhì)工程系,甘肅蘭州 730000;2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092)

0 引言

黑方臺隸屬甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn),1963年以來,為安置黃河三峽庫區(qū)移民,大規(guī)模開墾土地,提水灌溉農(nóng)業(yè),導(dǎo)致臺緣滑坡頻發(fā),形成沿臺緣的密集滑坡群[1],給人民生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失,作為庫區(qū)移民農(nóng)業(yè)引水灌溉而誘發(fā)地質(zhì)環(huán)境破壞問題備受多方關(guān)注。

黑方臺黃土滑坡的早期研究[2-5],多是宏觀上,對臺緣滑坡的基本要素、分布特征、規(guī)模、危害和淺部土體土性的研究,在系統(tǒng)分析滑坡形成機(jī)制方面尚不成熟。此后王家鼎、許領(lǐng)等[6-10]基于野外調(diào)查,采用室內(nèi)試驗分析及數(shù)值模擬等方法,研究了灌溉作用下黑方臺黃土滑坡群特征、土性特征、滑坡形成機(jī)理、運動特征及斜坡穩(wěn)定性,提出了飽和黃土具有靜態(tài)液化特征。許領(lǐng)等[11]研究了地下水位上升誘發(fā)高速遠(yuǎn)程滑坡機(jī)制、緣邊地裂縫成因、滑坡高陡后壁成因及其穩(wěn)定性、黃土滑坡演化機(jī)制等,提出了考慮階地土層差異特征的黃土滑坡雙液化層滑動機(jī)制,并認(rèn)為土體內(nèi)部微觀變形的積累是滑坡發(fā)生的內(nèi)在機(jī)制,地下水作用是主要誘因。IKONOS影像及DEM等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,為黑方臺滑坡周界、分布特征、期次、變形速率等特征參數(shù)確定提供了新方法[12-13]。武彩霞等[14]將斜坡土體分為五層,依據(jù)現(xiàn)場試驗監(jiān)測,模擬了臺緣頂裂縫水文地質(zhì)條件對斜坡穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明,由于土體性質(zhì)的差異及臺緣裂縫的發(fā)育,短期灌溉僅引起淺部土體含水量增加,強(qiáng)度降低,發(fā)生局部的滑塌,并未引起地下水位顯著上升;長期灌溉會加速地下水位上升,易引起深部大范圍的高速遠(yuǎn)程滑坡。綜上可見,黃土斜坡變形破壞特征主要受土體性質(zhì)及其各土層相互作用等因素控制。

然而從已有研究成果來看,黑方臺黃土滑坡研究,尚缺乏對斜坡剖面土質(zhì)結(jié)構(gòu),特別是下部土體性質(zhì)的垂向不均勻性及其物理力學(xué)性質(zhì)差異對滑坡形成發(fā)育影響的研究;而已有斜坡土體性質(zhì)的試驗研究及數(shù)值模擬也存在多方面的局限,包括研究對象的精細(xì)性、試驗樣品的代表性、試驗內(nèi)容、計算模型及參數(shù)的選取等。因此,為系統(tǒng)分析臺緣斜坡變形破壞特征,需對斜坡剖面各土層物理力學(xué)及水理性質(zhì)進(jìn)行精細(xì)的研究,深入認(rèn)識斜坡剖面土層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律?;诖?,選擇典型邊坡剖面,進(jìn)行精細(xì)分層取樣和室內(nèi)試驗,通過對不同深度土體物理力學(xué)性質(zhì)差異性的深入研究,認(rèn)識臺緣斜坡失穩(wěn)和黃土滑坡剪出口位置問題,探究土體不均勻性對滑坡形成發(fā)育的影響。

1 地質(zhì)背景

黑方臺為黃河T4級基座階地,臺緣T4級階地坡腳與T2級階差100~133m。以虎狼溝為界,東側(cè)為黑臺,西側(cè)為方臺。黑臺東西長約5.5km,南北寬0.55~3km,面積約12km2。臺緣斜坡整體呈上陡下緩,平均坡度約35°,臺緣滑坡分布廣泛(圖1)。天然條件下,大氣降水很難補(bǔ)給地下水,長期的大水漫灌破壞了黑方臺地下水均衡,改變了天然狀態(tài)下的水文地質(zhì)條件。

圖1 黑方臺臺緣滑坡分布圖Fig.1 Distribution of loess landslides in Heifang platform margin

黑方臺臺緣滑坡類型以黃土滑坡和黃土—基巖滑坡為主。黑臺以臺地東南角偏北側(cè)的野狐溝為界,以東(臺地東側(cè)與北側(cè))主要為黃土滑坡,以西(臺地南側(cè))為黃土—基巖滑坡(圖1)。黃土滑坡形態(tài)特征明顯,后緣裂縫發(fā)育,剪出口、周界清晰,剪出口多位于沖積層()與風(fēng)成黃土()接觸面附近,新滑坡置于老滑坡之上,構(gòu)成多級旋轉(zhuǎn)滑坡,緣邊地下水活動強(qiáng)烈,多泉水出露。黑方臺臺緣地層露頭清晰。據(jù)野外調(diào)查及文獻(xiàn)[15],由新到老出露的地層為:①上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土),質(zhì)地均一,疏松多孔,垂直節(jié)理發(fā)育,具有強(qiáng)濕陷性,厚度在22~55m之間;②上更新統(tǒng)沖積層(),上部為黏土層,下部為卵石層(4~4.7m);③下白堊統(tǒng)河口群(K1hk)紫紅色~暗紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖,為T4級階地基座(圖2)。

2 樣品采集與試驗

采樣點為黑臺東北角焦家村附近由于修路而新開挖的一個高邊坡,該剖面從上到下揭露出風(fēng)成黃土層、漫灘相粉砂土和黏土層、T4級階地沖積礫石層及下部的白堊紀(jì)紅層基巖基座,為研究臺地下部土體的工程性質(zhì)提供了有利條件。

圖2 黑方臺臺緣地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 Geological sketch cross-section in Heifang platform margin

根據(jù)肉眼可辨的斜坡土體表觀特征差異對其分層,并按照0.2~1.5m間距,進(jìn)行樣品采集;除去表面20cm厚土層,由下往上對各分層取樣,小心切出30cm×30cm×30cm土樣,粗加工成直徑12cm,高度15cm圓柱體,裝入鐵皮圓筒,密封,送回室內(nèi)再精加工成試驗所需尺寸,共計取樣14個。鑒于上部風(fēng)成黃土已有一些試驗資料,以較大取樣間距,僅取2個樣品;漫灘相沉積的黃土狀土、紅色黏土夾灰白色粉砂土及灰白色粉砂土夾紅色黏土層,具有清晰的水平層理,為重點研究對象,取樣間距為0.2~0.3m,以期全面分析其土性特征;灰白色細(xì)砂土,土層薄,松散狀,僅滿足垂向取一個樣品(圖3,表1)。圖3左側(cè)為同一地點分為上、下部取樣邊坡剖面照片,右側(cè)為與左側(cè)相應(yīng)的綜合柱狀地質(zhì)剖面示意圖。

表1 邊坡土體物理性質(zhì)測試樣品采集匯總Table 1 Test sample collection summary of slope soil

為認(rèn)識不同深度土體物理力學(xué)性質(zhì)及其差異性,確定試驗內(nèi)容包括:顆分試驗、液塑限試驗、比重試驗、天然密度及天然含水量測定、直剪試驗(快剪)、固結(jié)實驗(快速法)及滲透試驗。

圖3 焦家村附近取樣邊坡剖面圖Fig.3 Photo and columnar section of sampling slope near Jiaojia village

3 結(jié)果與分析

3.1 粒度組成與成分

顆分試驗(篩析法和比重瓶法)表明,臺緣土體總體上以粉粒為主,粒徑<0.075mm的顆粒含量達(dá)83.22%,小于<0.005mm的黏粒含量達(dá)13.5%。

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[16],黃土的礦物成分以石英、長石和云母等碎屑礦物為主(占碎屑礦物的95%以上),含少量云母類礦物和易溶鹽,重礦物(比重>2.9)含量3%~5%;黃土化學(xué)成分以 SiO2(50% ~60%)、Al2O3(8% ~15%)和 CaO(4% ~12%)為主,F(xiàn)e2O3、MgO等<6%。

3.2 物理性質(zhì)

采用常規(guī)土工試驗方法對土體比重、天然密度、天然含水量、孔隙比、液塑限等值進(jìn)行了測定,各指標(biāo)大小隨深度變化特征見圖4。

結(jié)果表明,取樣深度范圍內(nèi),土體比重隨深度變化范圍為2.69~2.78,均值為2.735;土體天然密度隨取樣深度的增加,整體呈增大趨勢,局部而言,深部土體天然密度變異性大,這與土樣砂質(zhì)成分及黏土成分的含量變化有關(guān);土樣天然含水量曲線,隨取樣深度變化出現(xiàn)大小兩個峰值,小峰值對應(yīng)土層為黃土狀土,大峰值對應(yīng)土層為黏土夾粉砂土層,這與土層黏粒含量有關(guān),黏粒中所含黏土礦物具有強(qiáng)烈吸水性,因此,土體黏粒含量越高,土體含水率便相應(yīng)提高;土樣孔隙比隨取樣深度增加,呈逐漸變小的趨勢,符合土體沉積固結(jié)的一般規(guī)律,局部而言,下部土層孔隙比出現(xiàn)明顯波動,這是由于下部土層均含砂,砂土孔隙比大于黏土,黏土中砂質(zhì)成分的含量變化必然直接影響整個土層孔隙比大小變化;土層液塑限的變化表現(xiàn)為,隨著取樣深度的增加,土體黏粒含量的增加,可塑性得到明顯提高。

前人研究表明[16-19],黑方臺黃土的顆粒比重為2.69~2.71,天然密度 1.34 ~1.86g/cm3,含水率3.6% ~17.1%,孔隙比0.98~1.11,塑限16.1% ~18.7%,液限24.9% ~28%。對比采集樣品的試驗結(jié)果,上部風(fēng)成黃土物理參數(shù)的測試結(jié)果與已有研究一致,但下部的沖積粉質(zhì)黏土(或粉砂土)的性質(zhì)顯著區(qū)別于上部土體。

邊坡土體物理性質(zhì)垂向變化引起的上下不均勻及其耦合作用影響著邊坡的穩(wěn)定性與變形破壞特征。風(fēng)成黃土巨厚的包氣帶及下部土層弱透水性,使得短期灌溉僅造成淺部土體含水量升高,強(qiáng)度降低,出現(xiàn)輕微滑塌,而在長期灌溉作用下,下部土層良好的可塑性性能便得到發(fā)揮,使得邊坡整體上可出現(xiàn)較大的蠕動滑移變形,形成緣邊一定范圍內(nèi)裂縫的發(fā)育,且該類裂縫往往活動性明顯[20];同時,黃土狀土、紅色黏土夾灰白色粉砂土及灰白色粉砂土夾紅色黏土,由于夾層的交替出現(xiàn),土體物理性質(zhì)波動變化明顯,極大地增加了斜坡土體的不均性,這種不均性及其與地下水等耦合作用,使斜坡變形失穩(wěn)特征有別于均質(zhì)土坡。

圖4 土體物理性質(zhì)隨距卵石層頂面距離變化曲線Fig.4 Physical properties of slope soil with distance from the top surface of gravel layer

3.3 滲透性質(zhì)

采用變水頭法進(jìn)行代表性樣品的垂直滲透系數(shù)測定,結(jié)果見表2。

表2 土層垂直滲透系數(shù)Table 2 Vertical permeability coefficient of the soil

測試結(jié)果表明,斜坡剖面土體的滲透性隨深度增大逐漸降低,上部風(fēng)成黃土的滲透性能遠(yuǎn)大于除卵石層頂面的灰白色細(xì)砂土層(SJ-01)外的下部黏土層,說明水分透過滲透性相對良好的風(fēng)成黃土后,滲透阻力增大,導(dǎo)致滲透路徑隨之發(fā)生變化,由垂向下滲為主轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)向滲流排出為主,僅有通過低滲透性土層的構(gòu)造裂隙下滲的水,通過滲透性良好的細(xì)砂土及卵石層,并從紅層泥巖頂面排出。

3.4 強(qiáng)度性質(zhì)

直剪(快剪)試驗對土層強(qiáng)度指標(biāo)及剪切特征測定結(jié)果見表3及圖5。

已有研究[16-18]表明,黃土粘聚力 2.1~54kPa,內(nèi)摩擦角16.2°~32°,與所取樣品風(fēng)成黃土的試驗測試結(jié)果較為一致,但與下部沖積土層差別較大。

圖5 土體剪切位移及抗剪強(qiáng)度曲線Fig.5 The shear displacement and shear strength curve of the soil

剪切位移特征曲線,有助于了解土體的變形特性,并根據(jù)各土層抗剪強(qiáng)度特征曲線,推斷邊坡土體的剪出特征。

圖5表明,灰白色細(xì)砂土夾紅色薄層黏土(SJ-02~SJ-05)與黃土狀土(SJ-11),在各級壓力作用下,剪切位移曲線經(jīng)過短暫的直線階段即進(jìn)入彈塑性階段,然后隨剪位移的增加,剪應(yīng)力幾乎不變(圖5,a、c),說明兩類土屬硬化型土;而紅色黏土夾灰白色砂土(SJ-08)則具有明顯的峰值(圖5,b),為應(yīng)變軟化型土,這與紅色黏土夾灰白色砂土的微觀結(jié)構(gòu)性有關(guān)。圖5(d)表明,同等壓力下,風(fēng)成黃土的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于下部的沖積土層(注:細(xì)砂土室內(nèi)難以制樣,未予測定)。

經(jīng)快速固結(jié)試驗測定,黃土狀土壓縮系數(shù)為0.22MPa-1左右,灰白色細(xì)砂土夾紅色薄層黏土的壓縮系數(shù)為0.09MPa-1左右,紅色黏土夾灰白色粉砂土的壓縮系數(shù)為0.14MPa-1,另據(jù)文獻(xiàn)[15],黑方臺風(fēng)成黃土壓縮系數(shù)在0.43~0.47MPa-1,表明風(fēng)成黃土壓縮性明顯大于下部沖積土層,較為疏松,成為斜坡淺部土體在短期灌溉水作用下,易發(fā)生滑塌現(xiàn)象的原因之一。

3.5 土性差異對滑坡形成的影響

由野外調(diào)查及室內(nèi)試驗結(jié)果分析可知,垂向上土體物理力學(xué)及滲透性質(zhì)的差異及其與地下水等耦合作用,影響著臺緣斜坡的變形破壞過程。

風(fēng)成黃土具有良好的滲透性,而沖積黏土層對水有阻隔作用,致使泉水多沿黃土狀土中紅黏土夾層附近出露,僅有通過下臥土層構(gòu)造裂隙滲漏的水,從紅層泥巖頂面出露成泉,長期的引水灌溉,不僅會造成臺地土體含水量急劇增加,地下水位顯著升高,使得風(fēng)成黃土與下部沖積土層接觸面附近的土層實際上長期處于飽和狀態(tài),而且會補(bǔ)給泉水,造成土體結(jié)構(gòu)不斷被侵蝕破壞,強(qiáng)度降低;此外,長期灌溉水作用下,黏粒含量較高的黏土層,含水量增加,可塑性得到提高,形成緣邊一定范圍內(nèi)裂縫發(fā)育分布,切割緣邊坡體,為地表水入滲提供了良好通道。上述斜坡土體的不均性及其與地下水耦合作用,一定程度上降低了斜坡的穩(wěn)定性,影響著斜坡的失穩(wěn)與破壞方式。

此外,處于飽和狀態(tài)的土體,由于土中水分季節(jié)性變化,使得近地表土體中鹽分含量隨之發(fā)生周期性變化,進(jìn)而改變并破壞土體的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度不斷降低,有利于斜坡淺表層的變形破壞。楊具瑞等[19]研究認(rèn)為,黃土的粘聚力與內(nèi)摩擦角隨含水量增加而明顯降低,實際上,當(dāng)剪切力達(dá)到抗剪強(qiáng)度的60%時,即開始出現(xiàn)剪切破壞,對受灌溉水影響的黃土,其比例會更低。

而直剪試驗表明,風(fēng)成黃土的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于下部的沖積土層。因此,下部飽和的風(fēng)成黃土,受泉水侵蝕及水分季節(jié)變化影響,天然結(jié)構(gòu)不斷遭到破壞,土性惡化,強(qiáng)度顯著降低,在自身壓力及裂縫切割和下部可塑性較大的漫灘相粉質(zhì)黏土層蠕動變形帶動下,極易失去穩(wěn)定,沿風(fēng)成黃土與下部沖積土層界面附近剪出。

實際上,剪切面附近處于飽和狀態(tài)的風(fēng)成黃土,在隨下部可塑性較大的漫灘相粉質(zhì)黏土層蠕動變形過程中,受剪切作用,孔隙水壓力上升,導(dǎo)致土體發(fā)生輕微液化,使得土體強(qiáng)度顯著降低,若這種液化趨勢持續(xù),將導(dǎo)致更大范圍的剪切變形,液化區(qū)域擴(kuò)大,土體強(qiáng)度進(jìn)一步降低,并最終導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)論

(1)黑方臺臺緣斜坡土層的物理力學(xué)性質(zhì)在垂向上具有一定的波動變化規(guī)律,這種不均勻性及其耦合作用影響著邊坡穩(wěn)定與變形破壞特征。

(2)上部風(fēng)成黃土良好的滲透性及下部粉質(zhì)黏土的阻水作用,使泉水多沿黃土狀土中紅黏土夾層附近出露,并使一定厚度的黃土處于飽和狀態(tài)。

(3)風(fēng)成黃土較高的壓縮性、較低的強(qiáng)度、泉水侵蝕及水分季節(jié)變化等因素及其耦合作用,使得黃土滑坡常從黃土狀土層部位剪出。

(4)受垂向上各土層性質(zhì)差異及其耦合作用影響,斜坡呈蠕動—輕微液化—剪切變形—重度液化—剪切破壞的漸進(jìn)性破壞的過程。

致謝:本文在野外調(diào)查、取樣、試驗分析過程中,得到了吳萬炯、周建基、魏麗娟和樊成意等同學(xué)的幫助!

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