吳曉華

（山西省文水公路管理段，山西 文水 032100）

0 引言

我國北方黃土高原分布有巨厚的黃土層，由于黃土的水敏性使得其在降雨作用下極容易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。在黃土地區(qū)，黃土-基巖接觸面為滑動(dòng)面的滑坡所占比重極大[1]，并且由于黃土厚度大，相應(yīng)的自重大，所以黃土-基巖型滑坡一般體積較大，滑動(dòng)距離較遠(yuǎn)，危害較大。

實(shí)際中，土-巖界面發(fā)生的滑坡常常體現(xiàn)出3種不同的滑移形式：滑動(dòng)、蠕滑和黏滑[2]?？焖倩乱曰瑒?dòng)形式運(yùn)動(dòng)，在干旱半干旱地區(qū)，常伴隨著大暴雨發(fā)生。該運(yùn)動(dòng)形式的特點(diǎn)就是變形速度快，難以預(yù)測，破壞性大。此外，在氣候變化和地層產(chǎn)狀平緩地區(qū)，土體會(huì)在自重作用下沿界面發(fā)生緩慢滑移變形，稱之為蠕滑[3]。特點(diǎn)是變形持續(xù)時(shí)間長，變形量較小。黏滑是一種較為特殊的運(yùn)動(dòng)形式，多見于古滑坡中，其特點(diǎn)是變形具有一定的脈動(dòng)性，在多種因素影響下，發(fā)生滑移，隨后穩(wěn)定，繼而又發(fā)生滑動(dòng)[4]。

一些學(xué)者針對(duì)國內(nèi)的古滑坡復(fù)活進(jìn)行了研究，姜春林等人[5]針對(duì)山西省祁縣-臨汾高速上的古滑坡進(jìn)行了分析，提出了利用微抗滑樁進(jìn)行支護(hù)的手段；徐則民等人[6]以金沙江寨子村古滑坡為對(duì)象，研究了其工程地質(zhì)特征及成因，研究發(fā)現(xiàn)地震是產(chǎn)生古滑坡的關(guān)鍵因素；郭健等人[7]研究了黑水河水庫古滑坡的形成原因和變形機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)在古滑坡復(fù)活過程中，滑面特征和水分起到了至關(guān)重要的作用；陳春利等人[8]研究了延安市王窯村古滑坡在坡腳開挖情況下的變形特征；崔玉龍等人[9]以四川省雷波縣馬湖古滑坡群為研究對(duì)象，從地貌學(xué)特征進(jìn)行了古滑坡成因分析，研究發(fā)現(xiàn)古滑坡產(chǎn)生于地震誘發(fā)的高速遠(yuǎn)程滑坡；張玉成等人[10]以樂昌峽水庫古滑坡為對(duì)象，進(jìn)行了一系列剪切試驗(yàn)，得到了滑坡土體性質(zhì)，并研究了水位變化對(duì)滑坡的影響規(guī)律，相應(yīng)提出了古滑坡體加固方法；馬磊等人[11]對(duì)古滑坡滑帶土進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，得到了滑帶土控制古滑坡變形的規(guī)律。

然而目前關(guān)于古滑坡復(fù)活的研究大部分集中在成因分析、機(jī)制分析上，往往忽略了古滑坡復(fù)活其實(shí)是一種長期的黏滑運(yùn)動(dòng)，在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期，古滑坡發(fā)生了多次復(fù)活—靜止的循環(huán)，在土-巖界面，這種現(xiàn)象尤為顯著，因此本文針對(duì)土-巖界面的黏滑進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M，通過控制直剪試驗(yàn)中的加載方式進(jìn)行啟動(dòng)（滑動(dòng)）—停止（滑帶土固結(jié)）—再啟動(dòng)（滑動(dòng)）—再停止（滑帶土固結(jié)）的剪切循環(huán)，以此探究古滑坡的變形規(guī)律和特征。

1 試驗(yàn)方法及材料

1.1 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

土體性質(zhì)與土體應(yīng)力歷史和初始含水率有一定關(guān)系，因此在進(jìn)行試驗(yàn)前，需要考慮土體的固結(jié)性質(zhì)與含水率特征?；诖耍_展了試驗(yàn)前期的固結(jié)試驗(yàn)。

控制土體干密度為1.7 g/cm3，選擇不同含水率（5%、10%、15%）試樣在200 kPa的法向荷載下進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，每隔一段時(shí)間測定其法向變形，直至兩次測量結(jié)果相差不超過0.01 mm為止。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，可以看出含水率越大，其變形越大，變形速率越快；在30 min后，固結(jié)速率大大降低。因此以30 min作為該次試驗(yàn)的固結(jié)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

圖1 不同含水率土樣固結(jié)變形

1.2 試驗(yàn)方法

制備了若干組具有潛在滑動(dòng)面的試樣，試樣制備方法參照文獻(xiàn)[12]，試樣參數(shù)如表1所示。

表1 基本物理參數(shù)

按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定的直剪試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)[13]。試驗(yàn)流程如圖2所示，共分為兩個(gè)階段：剪切階段和靜止階段，其中剪切階段模擬滑坡復(fù)活及變形過程，在該階段土體受到剪切作用，發(fā)生位移；靜止階段模擬滑坡運(yùn)動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)，該階段土體受到上覆荷載作用，又可成為固結(jié)階段。

圖2 試驗(yàn)方法

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后，按照修正后的公式計(jì)算得到了剪應(yīng)力-剪切位移曲線。試驗(yàn)過程中，考慮了不同含水率、不同固結(jié)時(shí)間和不同前期固結(jié)時(shí)間的影響。共設(shè)置了3組含水率試樣，分別為5%、10%和15%，選擇10%含水率試驗(yàn)進(jìn)行不同固結(jié)時(shí)間分析。

2.1 不同初始含水率條件下的剪切變形特征

土體天然含水狀態(tài)對(duì)其抗剪強(qiáng)度具有重要影響，分別以初始含水率為5%、10%、15%的試樣，進(jìn)行了剪切試驗(yàn)。

圖3分別列出了3種不同含水率下的剪應(yīng)力-位移曲線。剪切速率為0.02 mm/min，總剪切位移為20 mm，分為7階段，平均每階段變形量為3 mm。固結(jié)時(shí)間為30 min。

圖3 不同含水率的剪切-位移曲線

從圖3可知，含水率越高，抗剪強(qiáng)度越低，說明含水量的提高對(duì)于古滑坡的穩(wěn)定性不利，在滑坡治理措施中，降低滑帶土的含水量可有效提高滑坡穩(wěn)定性。固結(jié)后的剪切初始階段，剪應(yīng)力值急劇增大，形成峰值，之后產(chǎn)生一定的“應(yīng)力降”，剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線在峰值后趨于平緩，進(jìn)入殘余階段。解釋其原因，土體內(nèi)產(chǎn)生剪應(yīng)力的本質(zhì)在于土體顆粒之間的摩擦力和咬合力，經(jīng)歷多次循環(huán)剪切，固結(jié)階段原本有序排列的滑帶土顆粒重新相互咬合，剪切初始階段其剪應(yīng)力能夠得以加強(qiáng)，隨著顆粒在剪切過程中逐漸再一次有序排列，其表現(xiàn)出的剪應(yīng)力逐漸減小，顆粒排列完成后剪應(yīng)力趨于定值，此時(shí)進(jìn)入剪切殘余階段。

從整體上，每組試樣在試驗(yàn)過程中，每次固結(jié)后殘余剪應(yīng)力逐步提高，原因在于試驗(yàn)過程中，剪切面積實(shí)際上是逐漸變少的，剪應(yīng)力提高主要是由作用在剪切面積上的正應(yīng)力提高造成的。

2.2 不同前期固結(jié)時(shí)間條件下的剪切變形特征

土體固結(jié)程度對(duì)其剪切性能有重要影響，因此開展了考慮不同固結(jié)時(shí)間的剪切試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同前期固結(jié)時(shí)間的剪切-位移曲線

由圖4可以看出，含水率相同條件下，當(dāng)前期固結(jié)時(shí)間為48 h時(shí)，在第5剪切階段其強(qiáng)度已經(jīng)與固結(jié)24 h的第7階段強(qiáng)度相同了，說明前期固結(jié)時(shí)間對(duì)土-巖界面的抗剪強(qiáng)度具有正向影響，并且固結(jié)時(shí)間48 h的試樣抗剪強(qiáng)度在第2階段就已趨于穩(wěn)定。

由此表明，如果古滑坡上覆土體為超固結(jié)土，則邊坡較為穩(wěn)定，并且在后續(xù)變形中，所需的力更大。而土體為正常固結(jié)或欠固結(jié)土，使其發(fā)生變形的力較低，但是隨著時(shí)間增加，其抵抗變形能力逐漸增加，土體趨于穩(wěn)定。

2.3 不同分段固結(jié)時(shí)間條件下的剪切變形特征

以前期固結(jié)48 h、10%含水率的試樣為對(duì)象，分別賦予不同的分段固結(jié)時(shí)間：10 min和30 min，對(duì)比二者的強(qiáng)度差異。如圖5所示。

由圖5可知，分段固結(jié)時(shí)間為10 min時(shí)，試樣的強(qiáng)度與持續(xù)剪切強(qiáng)度差異較小，由此說明，土-巖界面的黏滑強(qiáng)度與固結(jié)階段的時(shí)間呈正比例關(guān)系。即固結(jié)時(shí)間越長，強(qiáng)度越高。

圖5 不同分段固結(jié)時(shí)間的剪切-位移曲線

說明在對(duì)古滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)時(shí)，不可忽略古滑坡的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和靜止時(shí)間，要考慮古滑坡的發(fā)育歷史，這對(duì)其穩(wěn)定性至關(guān)重要。

2.4 剪切面含水率分布特征

在剪切結(jié)束后，分別在試樣的前、中、后部位取得小塊試樣測量其含水率，測量結(jié)果如圖6所示。由圖可知，試樣前端含水率保持不變，中部含水率明顯降低，后端含水率明顯增高，并且這種變化隨著含水率越高越明顯。剪切行為使得水分向剪切方向運(yùn)動(dòng)，由此造成中部水分含量降低，該現(xiàn)象可能解釋了在分段剪切試驗(yàn)中，隨著時(shí)間增加，強(qiáng)度變大的剪切行為。

圖6 剪切結(jié)束后含水率分布特征

在滑坡體中，表現(xiàn)為滑坡剪出口水分聚集，容易形成掏蝕、坍塌，使得滑坡產(chǎn)生溯源侵蝕；在中部含水量較低，也就增加了抗滑力，使得古滑坡相對(duì)穩(wěn)定。由此說明，在考慮開挖狀態(tài)下古滑坡穩(wěn)定時(shí)，需要著重對(duì)古滑坡的前緣進(jìn)行保護(hù)。

3 討論

黏滑最初出現(xiàn)于巖體的結(jié)構(gòu)面摩擦運(yùn)動(dòng)中，同樣在黃土-基巖接觸面上也存在類似于巖體黏滑的運(yùn)動(dòng)形式，區(qū)別在于巖體的黏滑發(fā)生時(shí)間短，能量瞬間釋放，破壞力強(qiáng)，最常見于地震中。而黃土-基巖界面的黏滑發(fā)生時(shí)間周期長，能量在長時(shí)間的運(yùn)動(dòng)下緩慢發(fā)散，是一種累積效應(yīng)。

通過建立簡單的模型可以表明黏滑運(yùn)動(dòng)特征，如圖7所示。

圖7 黏彈性運(yùn)動(dòng)模型

模型由重量為m的滑塊和剛度為K的彈簧組成?；瑝K最初處于靜止?fàn)顟B(tài)，隨著彈簧拉力逐漸增加，達(dá)到靜摩擦力Fs時(shí)，滑塊開始滑動(dòng)，但是由于彈簧的彈性性質(zhì)，力隨著位移的減小呈線性減小，當(dāng)力減小為F0時(shí)，滑塊停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)位移為s，以上便為一次完整的啟動(dòng)—停止過程。由此可以計(jì)算這一周期的運(yùn)動(dòng)距離[14]：

式中：μs為靜摩擦系數(shù)；μd為動(dòng)摩擦系數(shù)，并且動(dòng)摩擦系數(shù)恒定小于等于靜摩擦系數(shù)。在古滑坡體中，這二者的取值以及剛度系數(shù)K均取決于巖土性質(zhì)。

該試驗(yàn)中，黃土-基巖界面的峰值抗剪強(qiáng)度可表示為：

殘余抗剪強(qiáng)度為：

根據(jù)莫爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，在土-巖界面中，峰值抗剪強(qiáng)度和殘余抗剪強(qiáng)度可以表示為：

式中：φs為內(nèi)摩擦角，并且 μs=tanφs；φ0為自然摩擦角，μd=tanφ0，指在自然條件下，巖土體在自重作用下沿著既有層面發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的角度，可通過傾斜試驗(yàn)獲得；cs為內(nèi)聚力，在較為平坦的交界面上，內(nèi)聚力可認(rèn)為是0。

通過式（1）～式（4）可以得到基于莫爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則的黏滑模型：

將應(yīng)力降表示為 Δτ=τs-τ0，則式（5）可簡化為：

由此可以看出，位移與應(yīng)力降呈線性相關(guān)，對(duì)于同一個(gè)研究體系不同的兩次黏滑，可以表示為：

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第一次的最大剪應(yīng)力與第二次的最小剪應(yīng)力近似，即 τs1=τ02，則式（7）可化為：

在經(jīng)歷了n次黏滑周期后的位移-應(yīng)力關(guān)系可以表示為：

剛度系數(shù)受多種因素控制，假定在剪切過程中黃土-基巖接觸面性質(zhì)與初始狀態(tài)相同，則K為常量。該次試驗(yàn)的黃土-基巖界面較為平坦，因此內(nèi)聚力為0，則式（9）可簡化為：

則總位移s可以表示為：

在實(shí)際工程中評(píng)價(jià)古滑坡穩(wěn)定性時(shí)，剛度系數(shù)K可以通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)獲得，滑帶土的抗剪強(qiáng)度為τsn，古滑坡附近未擾動(dòng)土體的抗剪強(qiáng)度為τ01，上覆土體自重m可以通過勘察工作得到，也可以相應(yīng)得到上覆荷載σn，由此可以計(jì)算古滑坡歷史滑動(dòng)距離。根據(jù)古滑坡位移與時(shí)間的關(guān)系，可以預(yù)測未來發(fā)生進(jìn)一步活動(dòng)的可能性。

4 結(jié)語

通過對(duì)不同含水率、不同固結(jié)程度的試樣進(jìn)行分段剪切試驗(yàn)，模擬了古滑坡的復(fù)活—停止變形特征，得到了以下認(rèn)識(shí)：

a）古滑坡上覆土體為超固結(jié)土，則邊坡較為穩(wěn)定，并且在后續(xù)變形中所需的力更大。而土體為正常固結(jié)或欠固結(jié)土，使其發(fā)生變形的力較小，但是隨著時(shí)間增加，其抵抗變形能力逐漸增加，土體趨于穩(wěn)定。

b）在對(duì)古滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)時(shí)，不可忽略古滑坡的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和靜止時(shí)間，要考慮古滑坡的發(fā)育歷史，這對(duì)其穩(wěn)定性至關(guān)重要。

c）在古滑坡滑體中，前緣會(huì)發(fā)生水分聚集，容易形成掏蝕、坍塌，使得滑坡產(chǎn)生溯源侵蝕；在中部含水量較低，增加了抗滑力，使得古滑坡相對(duì)穩(wěn)定。由此說明，在考慮開挖狀態(tài)下古滑坡穩(wěn)定時(shí)，需要著重對(duì)古滑坡的前緣進(jìn)行保護(hù)。

d）結(jié)合室內(nèi)直剪試驗(yàn)以及現(xiàn)場勘察結(jié)果，可以計(jì)算古滑坡自滑動(dòng)以來的總位移，并根據(jù)位移-時(shí)間關(guān)系，可以預(yù)測未來發(fā)生變形的可能性。