趙魯慶 彭建兵 馬鵬輝 冷艷秋 朱興華

(①長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,西安 710054,中國)(②西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710054,中國)

0 引 言

全球黃土主要分布在北緯74°和北緯29.5°之間的干旱及半干旱地帶,呈帶狀展布。起自中國西安,經(jīng)中國酒泉、中國敦煌、中亞國家、阿富汗、伊朗、伊拉克、敘利亞等而達(dá)地中海,以羅馬為終點(diǎn)。黃土高原是我國乃至世界黃土分布面積最大、黃土發(fā)育最完整、唯一正在堆積的年輕高原(劉東生,1985)。

近年來,隨著“西部大開發(fā)”和“一帶一路”倡議的逐步實(shí)施,大規(guī)模的平山造城、治溝造地、固溝保塬和生命線等重大工程建設(shè)紛紛登上黃土高原的舞臺(tái),這些重大工程建設(shè)的規(guī)模之大、范圍之廣、類型之新,國內(nèi)外罕見,使得黃土高原獲得了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。同時(shí)也帶來了前所未有的重大災(zāi)變隱患和安全風(fēng)險(xiǎn),特別是邊坡大規(guī)模潰散性失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)日益加劇(Zhang et al.,2009; Peng et al.,2015,2016a,2016b,2017)。Nature雜志專門發(fā)表文章呼吁學(xué)者盡快展開科學(xué)研究,應(yīng)對大規(guī)模工程建設(shè)給黃土高原帶來的各種新問題(Li et al.,2014)。大規(guī)模工程建設(shè)的長周期循環(huán)加卸載作用破壞了黃土高原初始平衡狀態(tài),導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境越發(fā)脆弱,黃土災(zāi)害發(fā)生頻率和強(qiáng)度顯著增高,規(guī)模和范圍快速擴(kuò)大(彭建兵等,2014,2016;Xu et al.,2014;Zhang et al.,2014)。在人類活動(dòng)強(qiáng)度增加等因素的共同作用下,災(zāi)變機(jī)理趨于復(fù)雜,黃土高原遭受破壞的風(fēng)險(xiǎn)加劇(Zhou et al.,2002; 彭建兵等,2008,2012,2014,2016; Peng et al.,2013)。平山造城工程帶來的特大填方工程病害和高邊坡失穩(wěn)等工程災(zāi)變,嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐乃Y源環(huán)境(Li et al.,2014; Li et al.,2016; Yin et al.,2016; Zhao et al.,2017),其誘發(fā)的環(huán)境問題及長期災(zāi)變效應(yīng)已引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的高度重視(Li et al.,2014; 彭建兵等,2016)。治溝造地工程帶來邊坡失穩(wěn)、溝道泥流、擋土墻潰壩、田塊積水、土壤鹽堿化、黃土農(nóng)田濕陷等災(zāi)變問題(張信寶等,2015; Zhang et al.,2006; 賈俊等,2013; 王衍匯等,2014)。固溝保塬工程有效抑制了黃土高原強(qiáng)烈溝道侵蝕,避免全球最大的黃土塬——董志塬消亡,但其工程災(zāi)變問題同樣需要引起重視,否則適得其反。受各種不同類型的大規(guī)模工程建設(shè)的影響,黃土高原地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性增加,重大工程災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)威脅加重,嚴(yán)重阻礙了國家“西部大開發(fā)”的持續(xù)推進(jìn)、“一帶一路”倡議的順利實(shí)施和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

同時(shí),黃土特殊的工程地質(zhì)特性也使得重大工程的建設(shè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),黃土高原正遭受著前所未有的重大工程災(zāi)變威脅(劉保健等,2005; 盧全中等,2005; 姜規(guī)模,2009; Li et al.,2014; 彭建兵等,2016)。黃土是一種土性特殊的易災(zāi)土(Lutenegger,1981; Fredlund et al.,1993; Jiang et al.,2014; Smalley et al.,2014),具有脆弱的結(jié)構(gòu)性和極強(qiáng)的濕陷性(Gao,1988; 王景明,1996; 彭建兵等,2008),對工程擾動(dòng)具有高度敏感性(彭建兵等,2012; Jiang et al.,2014)。黃土的敏感災(zāi)變性使得工程災(zāi)變機(jī)制特殊,極易發(fā)生性質(zhì)改變,直接導(dǎo)致工程失穩(wěn)或次生災(zāi)害,預(yù)報(bào)防治極為困難(彭建兵等,2014,2016; 朱興華等,2017)。其中:結(jié)構(gòu)性和水敏性是黃土工程災(zāi)變之源。受區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)及地球內(nèi)動(dòng)力活動(dòng)影響,黃土高原區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同程度的抬升和構(gòu)造活動(dòng),使得地表土層變形,黃土體中分布大量不同性質(zhì)、不同成因、不同規(guī)模、不同時(shí)期、不同形態(tài)的裂隙(縫)(劉東生,1985),使得黃土結(jié)構(gòu)更加差異化。分割黃土體的裂隙,稱之為結(jié)構(gòu)面(盧全中等,2005)。結(jié)構(gòu)面的存在使得黃土體各向異性,土性惡化; 是侵蝕土壤、洞穴的優(yōu)勢面,加劇水土流失; 是孕育地質(zhì)災(zāi)害的控制和分離面,使得黃土高原地裂縫、滑坡、崩塌、地面塌陷等災(zāi)害頻繁發(fā)生。同時(shí),也是地下水的運(yùn)移和存蓄的通道和場所(盧全中等,2005)。黃土結(jié)構(gòu)面對土體工程性質(zhì)及工程問題的影響已引起有關(guān)學(xué)者的關(guān)注(張咸恭等,2000; 孫廣忠等,2004),并展開一系列研究(盧全中等,2006; 王根龍等,2011; 王鐵行等,2012; 葉萬軍等,2016)。而超大規(guī)模的平山造城、治溝造地等工程,改造了黃土的自然地形地貌,產(chǎn)生了大尺度的高填方邊坡和深填方地基,在黃土挖填方過程中,形成了大量黃土人工界面。黃土人工界面破壞了黃土初始結(jié)構(gòu),改變了黃土體天然強(qiáng)度,成為滑坡災(zāi)害的潛在滑動(dòng)面,同時(shí)加劇了水流入滲,是黃土工程地質(zhì)問題的重要影響因素,使得黃土工程地質(zhì)災(zāi)變發(fā)育規(guī)律不清,介質(zhì)致災(zāi)行為不明,水誘災(zāi)機(jī)制不清,工程擾動(dòng)因素多變,災(zāi)變演化過程復(fù)雜。重大工程與黃土相互作用、互為制約,誘發(fā)和激增著新的工程災(zāi)變問題,為保障“一帶一路”和西部大開發(fā)戰(zhàn)略有效實(shí)施的迫切需要,保障黃土地區(qū)人居安全和社會(huì)穩(wěn)定的迫切需要,亟需突破黃土地質(zhì)結(jié)構(gòu)與水循環(huán)模式及介質(zhì)災(zāi)變力學(xué)行為理論研究,科學(xué)應(yīng)對黃土高原國家重大工程災(zāi)變效應(yīng)、工程控制及防控措施。

為闡明地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水、土是如何相互作用孕育災(zāi)變的科學(xué)問題,需先調(diào)查并確定不同層面黃土地質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)育規(guī)律,揭示黃土地質(zhì)結(jié)構(gòu)孕育工程災(zāi)變的機(jī)制與模式。界面是指物質(zhì)相與相之間的分界面,也是兩相之間的接觸面(圖1a)。物理意義上的界面不只是指一個(gè)幾何分界面,也指一個(gè)薄層。在地質(zhì)學(xué)中,界面即是不連續(xù)面,它包括一切地質(zhì)分離面,比如地球內(nèi)部不同圈層的分界面。在黃土中,存在著大量性質(zhì)不同、力學(xué)行為不同,規(guī)模大小不一的結(jié)構(gòu)面,也存在著人類活動(dòng)改造黃土形成的人工黃土界面。這些結(jié)構(gòu)面、人工黃土界面作為分割黃土體的不連續(xù)面,統(tǒng)稱為黃土界面,其本質(zhì)是地質(zhì)缺陷(圖1b)。黃土界面是黃土災(zāi)變的本底控制因素(彭建兵等,2014)。根據(jù)界面對黃土體的切割作用及災(zāi)變效應(yīng),可將黃土界面分為巨觀界面、宏觀界面、細(xì)觀界面和微觀界面(表1)。其中:黃土細(xì)觀界面是指分布在黃土體中肉眼可見的,破壞土體局部連續(xù)性的,能將完整土體進(jìn)行切割、分離的不連續(xù)面,包括裂隙、孔洞和異物接觸面(圖1c)。經(jīng)野外調(diào)查統(tǒng)計(jì),細(xì)觀界面的尺寸主要集中在長度:1.0×10-3～1.0×101m,寬度:1.0×10-3～1.0×10-2m的規(guī)模范圍內(nèi)?？锥粗械臍?土接觸面也是種界面,這種分割土體的空間曲面同樣破壞了局部土體連續(xù)性。20世紀(jì)30年代,土體細(xì)觀裂隙對地基變形破壞和邊坡失穩(wěn)的影響已經(jīng)引起人們的注意(孔令偉等,2001)。60年代,Fookes et al.(1969)開始關(guān)注裂隙對工程建設(shè)的影響。裂隙對地基、邊坡、堤壩工程帶來一系列工程問題和地質(zhì)災(zāi)害。多條高速公路建設(shè)或運(yùn)營過程中,受土體裂隙發(fā)育影響,出現(xiàn)邊坡失穩(wěn),帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失和工程安全隱患(陳維雄,1975; 杜春輝,1985)。在渠道運(yùn)行過程中,渠基土內(nèi)部細(xì)觀界面發(fā)育引發(fā)渠坡淺層土體剝落,導(dǎo)致渠道邊坡發(fā)生淺層失穩(wěn)(鄧銘江等,2020)。在邊坡漸進(jìn)破壞失穩(wěn)模式中:最先出現(xiàn)的現(xiàn)象是局部破壞,隨著細(xì)觀界面發(fā)育的擴(kuò)展,逐步侵蝕鄰近區(qū)域土體,劣化土體強(qiáng)度與穩(wěn)定性(王庚蓀,2000)。Basma et al.(1996)研究發(fā)現(xiàn)收縮裂縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。胡卸文等(1994)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)重塑試樣的抗壓強(qiáng)度是原狀試樣的 1.9～2.4 倍,含裂隙的試樣抗壓強(qiáng)度隨裂隙傾角增大而顯著下降。細(xì)觀界面的存在不但降低了邊坡巖土體的強(qiáng)度,而且產(chǎn)生顯著的“優(yōu)勢流”效應(yīng),加速地表水的下滲,改變了土體飽和度和基質(zhì)吸力,導(dǎo)致土體邊坡更容易出現(xiàn)變形失穩(wěn)(馬佳等,2007)。Albrecht et al.(2003)的研究結(jié)果表明,裂隙可使整體水導(dǎo)率提高500倍。彭建兵等(2014)提出黃土地質(zhì)災(zāi)害研究中黃土地質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要性,黃土細(xì)觀界面破壞土體強(qiáng)度的同時(shí)改變水滲流模式,在黃土災(zāi)害孕災(zāi)機(jī)制中有著不可忽略的地位。文中試對黃土細(xì)觀界面的幾何特征、發(fā)育演化規(guī)律及災(zāi)害效應(yīng)做出總結(jié)和描述,以期引起廣大學(xué)者的重視和奠定黃土界面災(zāi)害效應(yīng)研究的理論基礎(chǔ),為黃土災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)研究提供科學(xué)參考。

圖1 黃土界面示意圖

表1 黃土界面分類

1 黃土細(xì)觀界面的成因與分類

通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),黃土細(xì)觀界面分布廣泛,常常發(fā)育在節(jié)理裂隙兩側(cè),植物根系生長的土體內(nèi),坡面,地表等。依據(jù)土體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及外界環(huán)境因素,總結(jié)得出4種黃土細(xì)觀界面發(fā)育的驅(qū)動(dòng)力,據(jù)此將黃土細(xì)觀界面按成因分類為物理力學(xué)成因、生物活動(dòng)成因、水-土耦合成因以及風(fēng)化成因。另外,黃土中存在著非黃土類異相物質(zhì),這些物質(zhì)與黃土接觸的界面也是細(xì)觀界面的一種。故將黃土細(xì)觀界面分為5類。

1.1 物理力學(xué)成因

黃土中存在著不同類型的節(jié)理,按成因可分為構(gòu)造節(jié)理和非構(gòu)造節(jié)理,非構(gòu)造節(jié)理包括原生節(jié)理、風(fēng)化節(jié)理、卸荷節(jié)理等。黃土構(gòu)造節(jié)理傾角較緩,力學(xué)性質(zhì)清晰,可分為扭裂面、張裂面、張扭面、壓扭面和擠壓面,其中扭裂面最為典型。黃土構(gòu)造節(jié)理具有區(qū)域性分布,系統(tǒng)性明顯,節(jié)理走向按序偏轉(zhuǎn),位錯(cuò)同步的特點(diǎn)(王景明等,1985)。黃土原生節(jié)理是黃土成巖過程中的產(chǎn)物,在各類黃土層中發(fā)育(潘德?lián)P,1958)。黃土原生節(jié)理多與黃土分層層理垂直,有的近乎平行,有的斜交。原生節(jié)理一般不穿越黃土分層,分布密度較構(gòu)造節(jié)理大。黃土垂直節(jié)理是原生節(jié)理的一種,Richthofen et al.(1882)曾認(rèn)為黃土垂直節(jié)理是植物根系作用的結(jié)果,大多數(shù)學(xué)者(潘德?lián)P,1958; 李同錄等,2014)認(rèn)為由于黃土具有多孔性結(jié)構(gòu),經(jīng)歷干濕循環(huán)后,水在黃土中有著物態(tài)上的轉(zhuǎn)變,引起黃土孔隙結(jié)構(gòu)的變化,減少孔隙度,土體收縮,導(dǎo)致垂直方向上是土體開裂,形成黃土垂直節(jié)理。當(dāng)黃土卸荷失去壓縮力束縛時(shí),土體向自由空間膨脹,形成卸荷作用下的黃土節(jié)理,大致平行與黃土溝坡傾向,與黃土層面、構(gòu)造節(jié)理和原生節(jié)理關(guān)系不大,屬于張節(jié)理,節(jié)理面彎曲。黃土卸荷節(jié)理靠近土體表面分布密集,向土體內(nèi)隨深度增加而變稀疏,主要分布在黃土溝谷陡崖等坡壁表層幾米厚的黃土中。

經(jīng)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),節(jié)理裂隙兩側(cè)發(fā)育大量細(xì)觀界面。節(jié)理裂隙作為黃土體結(jié)構(gòu)缺陷,使得土體結(jié)構(gòu)更加差異化的同時(shí)改變了土體內(nèi)部的應(yīng)力場,當(dāng)節(jié)理裂隙兩側(cè)土體內(nèi)的應(yīng)力增大至抵消土體抵抗強(qiáng)度時(shí),土體開裂形成切割土體的細(xì)觀界面。在重力及其他荷載的驅(qū)動(dòng)下,細(xì)觀界面進(jìn)一步發(fā)育演化,形成切割節(jié)理裂隙兩側(cè)土體的界面網(wǎng)。由節(jié)理裂隙衍生的細(xì)觀界面沿節(jié)理裂隙兩側(cè)將土體切割形成土體破碎帶,降低坡面土體完整性和強(qiáng)度(圖2)。

圖2 物理力學(xué)成因細(xì)觀界面

1.2 生物活動(dòng)成因

黃土中生活著各種動(dòng)、植物,它們在土體中的生存活動(dòng)會(huì)對土體造成破壞,使得土體開裂、成孔,破壞了黃土體的連續(xù)性,形成分割土體的界面。在新鮮開挖面上可清晰觀察到土體中分布有包圍植物根系的類管狀空間通道,這種空間通道是植物根系在土體內(nèi)部生長發(fā)育時(shí)形成的,其空間幾何形態(tài)與根系形態(tài)密切相關(guān),稱之為植物根系通道細(xì)觀界面(圖3a)。為獲取更多生長養(yǎng)料,植物根系在土中進(jìn)行側(cè)向發(fā)育,可在土體坡面上觀察發(fā)現(xiàn)大量根系出露。根系破土而出時(shí),表層土體破裂,形成以根系出土點(diǎn)為中心向四周擴(kuò)展的裂隙網(wǎng)。這些裂隙也是細(xì)觀界面的一種。由于這種細(xì)觀界面形成的主要驅(qū)動(dòng)因素是土體受植物根系穿透劈裂作用產(chǎn)生的破碎效應(yīng),并非植物根系自身形成的,因此將其稱之為植物根系穿透土體派生細(xì)觀界面(圖3b)。黃土中還生活著各種蟲獸動(dòng)物,它們在黃土中以挖掘的形式為產(chǎn)卵繁衍、捕食、居住等生存行為提供活動(dòng)空間,在黃土體內(nèi)形成大小不均、走向曲折的孔洞廊道。這是一種空間形態(tài)為多孔串聯(lián)節(jié)點(diǎn)式管狀通道的黃土細(xì)觀界面,稱其為蟲獸活動(dòng)行為細(xì)觀界面(圖3c)。當(dāng)蟲獸在土體中挖掘的洞穴分布密集時(shí),相鄰孔洞間土體應(yīng)力重分布形成應(yīng)力集中,通過應(yīng)力釋放萌生孔洞貫穿裂隙,進(jìn)一步分割土體,加劇土體破碎化,劣化土體強(qiáng)度。

圖3 生物行為成因細(xì)觀界面

1.3 水-土耦合成因

黃土是一種典型的具有大孔隙、弱膠結(jié)的結(jié)構(gòu)特性以及強(qiáng)烈水敏性的特殊土體,主要由粉粒組成。黃土中的基質(zhì)吸力和溶質(zhì)吸力之和簡稱為吸力,含水量越大,吸力越小。黃土受降雨灌溉后,土體含水量增大,隨后水分又蒸發(fā)轉(zhuǎn)移至地表空氣中。期間,受黃土水敏性影響,黃土遇水吸力減小(Fredlund et al.,1993),黃土強(qiáng)度降低,水分蒸發(fā)后土體干燥,吸力變化導(dǎo)致拉張應(yīng)力發(fā)展,當(dāng)拉張應(yīng)力超過土體抗拉強(qiáng)度時(shí),土體開裂釋放土中的應(yīng)變能,在土體表面形成縱橫交錯(cuò)的拉張裂縫(唐朝生等,2012; 潘德陽,1958)。此類由于黃土干濕循環(huán)導(dǎo)致地表形成切割土體的拉張裂縫,稱為干濕循環(huán)細(xì)觀界面,其分布猶如網(wǎng)格(圖4a)。張拉裂縫的產(chǎn)生直接破壞了土體的整體結(jié)構(gòu),形成許多潛在破壞面,使得土體的抗剪強(qiáng)度降低,并且往往為雨季的降雨入滲提供優(yōu)勢通道。黃土水敏性還表現(xiàn)為濕陷性,黃土的濕陷變形是一個(gè)多因素控制的變形破壞過程(胡瑞林等,1999)。在微觀結(jié)構(gòu)層面上,黃土的粒狀架空結(jié)構(gòu)為濕陷變形提供了空間條件(高國瑞,1979)。從物理化學(xué)上,黃土遇水后,水改變了土體中的黏土礦物成分,使得礦物溶解,土中的伊利石向摩阻力更低的蒙脫石轉(zhuǎn)變(Anson et al.,2002),降低了黃土強(qiáng)度。從力學(xué)機(jī)制上,含水量增大使得吸力降低,最終導(dǎo)致土體強(qiáng)度損失。在多種因素控制下,黃土遇水發(fā)生濕陷沉降變形破壞,在土體表面形成分割裂縫,稱其為濕陷沉降細(xì)觀界面。濕陷沉降細(xì)觀界面以沉降中心為圓心呈同心圓分布(圖4c)。野外觀察發(fā)現(xiàn),水-土耦合作用下的兩種細(xì)觀界面在發(fā)育演化過程中具有橋接現(xiàn)象(圖4b),即同心圓形向網(wǎng)格狀過渡。

圖4 水-土作用成因細(xì)觀界面

1.4 風(fēng)化細(xì)觀界面

黃土經(jīng)歷風(fēng)化作用,表層土體被切割形成薄殼狀、不規(guī)則柱體狀等分裂碎塊。這些由風(fēng)化作用形成切割黃土破碎塊體的裂隙,稱為黃土風(fēng)化細(xì)觀界面(圖5)。黃土風(fēng)化細(xì)觀界面,主要是由原有裂隙的擴(kuò)寬和加深以及新的風(fēng)化裂隙的發(fā)育而生成的。風(fēng)化細(xì)觀界面的形態(tài)復(fù)雜,彎曲變化無常,分布密集且雜亂無章,其分布密度由地表向土體內(nèi)部迅速減少。黃土風(fēng)化界面發(fā)育的驅(qū)動(dòng)因素復(fù)雜,主要包括凍融循環(huán)、晝夜溫差、干濕循環(huán)及化學(xué)作用的多種影響。在凍結(jié)狀態(tài)下,土體中的自由水凍結(jié)成冰,水的液-固相變化使得體積變大并對周圍土體產(chǎn)生凍脹力,在凍脹力的擠壓作用下土體發(fā)生凍脹變形。但在融化過程中該變形不能完全恢復(fù),從而加劇了土體內(nèi)脹縮、損傷等一系列物理、力學(xué)的交替循環(huán)過程,使得土體開裂形成凍融循環(huán)損失裂隙(楊更社等,2002)。在降雨灌溉期,黃土不斷經(jīng)歷浸濕、干燥,土體受膨脹、收縮相間作用,形成拉張裂隙。在風(fēng)化帶,黃土中的不穩(wěn)定礦物分解和新礦物生成的生物化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)作用亦促進(jìn)風(fēng)化界面發(fā)育。晝夜溫度變化使得黃土剝離,白天黃土表面曬熱,表面變熱薄層與內(nèi)部較冷土體分離,夜晚表面土體冷卻,薄層體積縮小發(fā)生分裂,形成不規(guī)則的薄殼狀的破碎土塊,當(dāng)裂隙較深時(shí),也會(huì)形成破碎柱狀結(jié)構(gòu)。

圖5 風(fēng)化成因細(xì)觀界面

1.5 異相接觸面

生物活動(dòng)及環(huán)境變化在黃土地層中留下非黃土介質(zhì)物質(zhì),比如:蟲獸繁衍的卵巢、蝸牛殼、礫石等(圖6),這種非黃土類介質(zhì)與黃土的接觸面,亦是一種細(xì)觀界面,稱為異相接觸面。這種異相接觸面以界面的形式改變了黃土介質(zhì)分布的局部連續(xù)性,但并不破壞黃土地層的連續(xù)性。當(dāng)黃土受到外界荷載及降雨入滲時(shí),黃土與異類介質(zhì)接觸的界面成為應(yīng)力傳遞和滲流路徑的重要阻礙,使得應(yīng)力傳導(dǎo)路徑受阻,發(fā)生能量集中,改變滲流方式,為界面的發(fā)育擴(kuò)展提供準(zhǔn)備。

圖6 異相接觸細(xì)觀界面

1.6 黃土細(xì)觀界面成因機(jī)理分析

黃土是一種風(fēng)化沉積物,風(fēng)化顆粒物質(zhì)經(jīng)過風(fēng)力搬運(yùn)、大氣分選,下降沉積,形成松散多孔堆積物。黃土中的大顆粒相互支架,細(xì)小顆粒附著在大顆粒表面,形成以支架大孔隙為主,鑲嵌小孔隙為次的黃土結(jié)構(gòu)。黃土在外動(dòng)力作用下開裂形成各種結(jié)構(gòu)面(張咸恭,2000; 郭力宇等,2002)。馮連昌等(1982)提出黃土開裂的3個(gè)重要原因包括黃土結(jié)構(gòu)特性,水平張力及風(fēng)化作用。唐朝生等(2012)認(rèn)為力的作用和收縮空間是土體開裂的兩個(gè)必要條件。黃土細(xì)觀界面的萌生及擴(kuò)展表現(xiàn)為土體的開裂與破壞。

土體開裂時(shí)拉應(yīng)力具有重要啟裂作用。在荷載作用下,土體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,聯(lián)結(jié)較弱的土顆粒排列次序發(fā)生調(diào)整,即土微結(jié)構(gòu)重組,當(dāng)重組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足應(yīng)力狀態(tài)的要求時(shí),土體內(nèi)部聚集的能量通過土體開裂的方式釋放,從而造成裂隙萌生及擴(kuò)展。王正貴等(1993)指出大孔隙結(jié)構(gòu)是黃土節(jié)理裂隙形成的微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),并首次從力學(xué)機(jī)制方面解釋土體開裂機(jī)制,認(rèn)為重力在大孔洞上下邊緣引起的水平拉應(yīng)力是導(dǎo)致黃土開裂的基本原因,但裂縫的發(fā)育深度有限。周喻等(2012)通過顆粒流理論和PFC軟件,從微觀結(jié)構(gòu)變化探討宏觀力學(xué)行為特性,研究發(fā)現(xiàn),荷載增大使得黏結(jié)顆粒破壞,粒間接觸壓力增大,節(jié)理面附近萌生新裂紋。喬建偉(2021)通過浸水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃土濕陷差異沉降產(chǎn)生的拉張應(yīng)力是濕陷開裂的直接因素。駱進(jìn)等(2010)開展模擬試驗(yàn)研究,結(jié)果表明土體內(nèi)部的拉力作用達(dá)到抗拉強(qiáng)度后,啟動(dòng)黃土不均勻濕陷內(nèi)裂縫擴(kuò)展。唐朝生等(2018)通過DIC獲得了裂隙發(fā)育過程中拉張應(yīng)力場分布圖,進(jìn)一步證實(shí)了拉張應(yīng)力對裂隙萌生的啟裂作用(圖7)。

圖7 裂隙發(fā)育過程中表面張拉應(yīng)力場(據(jù)唐朝生等(2018))

土體孔隙結(jié)構(gòu)為土體收縮開裂提供空間條件,裂隙的萌生與擴(kuò)展實(shí)際上是微觀孔隙收縮的宏觀表現(xiàn)。Wills et al.(1907)首次提出,由于黃土的多孔性結(jié)構(gòu),土體經(jīng)歷干濕循環(huán)會(huì)引發(fā)土體的收縮膨脹變形,破壞土體初始平衡狀態(tài)。李同錄等(2014)進(jìn)一步通過開展黃土非飽和滲透試驗(yàn)從微觀尺度研究土體開裂機(jī)理,發(fā)現(xiàn)在地表水下滲過程中,土顆粒相互靠近,粒間距減小使得粒間引力增大導(dǎo)致土體整體收縮,在垂直方向上形成濕陷,水平方向形成局部拉裂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,黃土開裂是由黃土干濕循環(huán)過程中基質(zhì)吸力及表面張力產(chǎn)生的粒間引力變化引起顆粒結(jié)構(gòu)相對位置改變所形成的。上述研究成果從非飽和角度揭示了水土作用下土體開裂機(jī)理。Ning et al.(2004,2006,2010)進(jìn)一步在飽和土有效應(yīng)力原理及非飽和土力學(xué)基礎(chǔ)上,提出“吸引力”的概念,認(rèn)為吸引力是非飽和土有效應(yīng)力的一部分,在土顆粒間提供拉力。土體在干燥失水過程中,土體發(fā)生張拉破壞。含水量降低導(dǎo)致吸力產(chǎn)生引起土體收縮,從而在土體內(nèi)部形成張拉應(yīng)力場,當(dāng)張拉應(yīng)力超過土體抗拉強(qiáng)度時(shí),裂隙萌生(Corte et al.,1960; Fredlund et al.,1993;Yesiller et al.,2000; Nahlawi et al.,2006)。唐朝生等(2018)根據(jù)水土相互作用原理和基本土力學(xué)理論,建立了土體龜裂概念(圖8)。

圖8 干燥過程中裂隙的形成機(jī)理示意圖(據(jù)唐朝生等,2018)

黃土特殊的大孔隙結(jié)構(gòu)特性,為土體收縮提供空間尺度上的結(jié)構(gòu)條件,是土體內(nèi)部因素。力的作用是土體開裂的重要驅(qū)動(dòng)因素,在外力作用下,土體內(nèi)部應(yīng)力場變化,產(chǎn)生的拉張應(yīng)力大于土體抗拉強(qiáng)度時(shí),土體結(jié)構(gòu)破壞,以界面的形式釋放能量。當(dāng)遇水入滲時(shí),含水量的變化改變吸引力,吸引力破壞土顆粒排列結(jié)構(gòu),使得顆?？拷?土顆粒相對位移導(dǎo)致裂隙萌生與擴(kuò)展。黃土風(fēng)化界面的成因包括反復(fù)干濕循環(huán)引起土體的收縮膨脹作用; 晝夜溫度變化引起鹽類充填物(石膏、方解石)的張裂作用; 植物根系的劈裂作用; 風(fēng)化帶中不穩(wěn)定礦物的分解和新礦物形成的生物化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)作用。

2 黃土細(xì)觀界面的幾何形態(tài)與分布特征

黃土體中分布著不同成因、形態(tài)各異的不連續(xù)面,為厘清黃土細(xì)觀界面的發(fā)育特征及分類,在陜西省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)等區(qū)域展開野外工作,調(diào)查區(qū)域覆蓋4×104km2,布置調(diào)查點(diǎn)115個(gè),采取窗口測量法在新鮮斷面露頭處記錄不同成因細(xì)觀界面的幾何形態(tài)及分布規(guī)律。細(xì)觀界面沿某一方向發(fā)育遇到土質(zhì)奇點(diǎn)時(shí),界面無法保持同向貫通趨勢,在應(yīng)力驅(qū)使下圍繞奇點(diǎn)以圓弧的形式在土體表面切割出類圓型土塊(圖9a),當(dāng)不切割形成類圓狀土塊時(shí),細(xì)觀界面呈現(xiàn)以土質(zhì)奇點(diǎn)為中心的雙鉤對拉狀(圖9b)。界面發(fā)育延展終止時(shí),其末端逐漸收窄閉合形成針尖樣,稱為尖滅(圖9c)。細(xì)觀界面在發(fā)育擴(kuò)展過程中,整體形態(tài)并不平滑,局部呈現(xiàn)折線型,走向似“V”,整體形態(tài)可視為沿“V”字反復(fù)偏折向主方向發(fā)育擴(kuò)展(圖9d)。

圖9 黃土細(xì)觀界面幾何形態(tài)特征

隨著黃土細(xì)觀界面的發(fā)育演化,界面彼此穿插相互切割,形成界面組合網(wǎng)絡(luò),其組合形態(tài)同樣具有特殊的分布規(guī)律。通過野外觀查,將黃土細(xì)觀界面的組合特征歸納為發(fā)散型和閉合型。其中:發(fā)散型組合特征具體表現(xiàn)為在主要界面兩側(cè)分布的爪狀(圖10a)、縱橫交替分布的階梯狀(圖10b)、在主要界面一側(cè)近平行分布的羽列狀(圖10c); 閉合型主要表現(xiàn)為多邊形排列的網(wǎng)格狀(圖10d)。黃土細(xì)觀界面的組合特征也是黃土破碎網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征,黃土細(xì)觀界面分布越密集,黃土體破碎程度越大,對土體的完整性、強(qiáng)度損失影響越嚴(yán)重。

圖10 黃土細(xì)觀界面組合形態(tài)特征

細(xì)觀界面組合形態(tài)特征主要受外部因素影響,不同環(huán)境影響(荷載、干濕循環(huán)、風(fēng)化)下,細(xì)觀界面呈現(xiàn)不同的分布特征。根據(jù)野外調(diào)查,得到大致分布規(guī)律如下:爪狀、階梯狀和羽列狀細(xì)觀界面,一般位于坡體中上部的外表,尤其是坡面外凸土體,主要分布于溝坡、谷坡、階地前緣陡坎及黃土塬邊斜坡的上部。地形支離破碎,斜坡分布密集,此類細(xì)觀界面形式相對較多。網(wǎng)格狀一般分布在地表淺表部,坡體淺表層和地形低洼處,主要圍繞土體浸濕區(qū)、濕陷區(qū)或平行濕陷區(qū)發(fā)育。

3 黃土細(xì)觀界面的發(fā)育與演化

3.1 黃土細(xì)觀界面的發(fā)育特性與分級(jí)

黃土體的破碎過程,是切割土體界面網(wǎng)絡(luò)的形成過程,是細(xì)觀界面持續(xù)發(fā)育的過程。外界營力促使細(xì)觀界面萌生,切割分離土體的同時(shí)改變土體內(nèi)部應(yīng)力場。被切割區(qū)域土體發(fā)生應(yīng)力釋放、應(yīng)力轉(zhuǎn)移和應(yīng)力場重分布,相鄰區(qū)域土體受到應(yīng)力擾動(dòng)(王庚蓀等,2000)。當(dāng)外界擾動(dòng)及內(nèi)部應(yīng)力場作用超過土體抵抗強(qiáng)度時(shí),新生細(xì)觀界面萌生,并在原有界面基礎(chǔ)上繼續(xù)切割土體,在土體中分離出土塊,隨著風(fēng)化、降雨、荷載等擾動(dòng),形成危險(xiǎn)體。隨著土塊脫離,細(xì)觀界面以掉塊災(zāi)變幾何物理界面形式消失。同時(shí),新老細(xì)觀界面的擴(kuò)展貫通與土塊脫離的災(zāi)變效應(yīng),進(jìn)一步劣化土體強(qiáng)度與穩(wěn)定性,為更多細(xì)觀界面的形成提供準(zhǔn)備(圖11a)。

圖11 黃土細(xì)觀界面的發(fā)育特性及分級(jí)

細(xì)觀界面的發(fā)育是一個(gè)持續(xù)的動(dòng)態(tài)過程。盧全中等(2005)提出裂隙的生長發(fā)育具有繼承性,新裂隙是在舊裂隙的基礎(chǔ)上生長,裂隙的生長也是黃土不斷被侵蝕再改造的過程。新生裂隙的擴(kuò)展方向與原生裂隙方向(近)共面或傾斜(趙建軍等,2019; 陳偉等,2021)。原有界面為新生界面提供發(fā)育條件,共同形成復(fù)雜龐大的切割網(wǎng),加劇土體破碎程度。土塊脫離使得界面以幾何物理界面形式消亡,同時(shí)激發(fā)新生界面發(fā)育。界面循環(huán)再生的持續(xù)發(fā)育過程,逐步將連續(xù)土體切割分離為破碎松散體。

根據(jù)細(xì)觀界面的動(dòng)態(tài)循環(huán)再生特性,可對細(xì)觀界面進(jìn)行分級(jí),一級(jí)界面代表原有界面,即已發(fā)育形成的界面,二級(jí)界面代表新生發(fā)育界面,往往二級(jí)界面是一級(jí)界面的伴生界面(圖11b,圖11c)。一、二級(jí)界面迭代發(fā)育,構(gòu)建龐大細(xì)觀界面網(wǎng)絡(luò)。另外,新生界面并不一定沿原生界面走向發(fā)育,以原生界面為起點(diǎn)向四周輻射,具有沿某一方向切割延展為多方向分割的破碎效應(yīng)。黃土細(xì)觀界面發(fā)育的輻射特性(圖11d),促成龐大切割網(wǎng),擴(kuò)大破碎土體范圍,加劇界面災(zāi)變效應(yīng)。如圖9d所示,近平行于臨空面分布的卸荷節(jié)理在坡面土體上分割出長板狀危險(xiǎn)體。危險(xiǎn)體內(nèi)發(fā)育細(xì)觀界面,與卸荷節(jié)理貫通。細(xì)觀界面進(jìn)一步切割土塊,使得危險(xiǎn)體的破碎程度增加,嚴(yán)重劣化塊體穩(wěn)定性。

3.2 黃土細(xì)觀界面的演化規(guī)律

黃土體的破碎程度、破碎范圍,是黃土細(xì)觀界面隨時(shí)間推移向土體不同區(qū)域發(fā)育演化的結(jié)果。黃土細(xì)觀界面的發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)循環(huán)再生過程,原生界面為新生界面提供發(fā)育基礎(chǔ),在某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)受到不同外界營力擾動(dòng)觸發(fā),演化形成不同成因新生界面。另外,不同區(qū)域內(nèi)不同成因的細(xì)觀界面會(huì)跨區(qū)域演化貫通,形成多因耦合、多域聯(lián)通的復(fù)雜破碎網(wǎng)絡(luò)體系。黃土細(xì)觀界面的演化過程是一種集合不同時(shí)間階段、不同空間位置綜合作用的分割行為,呈現(xiàn)為黃土細(xì)觀界面演化的時(shí)空特性(圖12),在一系列或連續(xù)或間隔或重疊的時(shí)間段,演化形成不同成因細(xì)觀界面,分割不同區(qū)域黃土體,并最終貫通構(gòu)成破碎土體的分割網(wǎng)絡(luò)體系。

圖12 黃土細(xì)觀界面演化的時(shí)空特性

4 黃土細(xì)觀界面災(zāi)害效應(yīng)

黃土細(xì)觀界面的發(fā)育、演化改變了土體結(jié)構(gòu)、力學(xué)行為、滲流特性,劣化土體強(qiáng)度與穩(wěn)定性,使得土體破碎松散,在土體中形成優(yōu)勢滲流通道,誘發(fā)崩塌、溜滑等碎屑流以及坡面泥流,破壞原始地形地貌的同時(shí)影響交通運(yùn)輸路線安全。

4.1 切割分離土塊作用

在連續(xù)完整的黃土體中,黃土細(xì)觀界面為土體提供不連續(xù)面,破壞局部黃土體的連續(xù)完整性,使得土體被切割分離,但發(fā)生分離的土體尚未脫離母體,其根部仍與母體相連,土體間的分離面是黃土細(xì)觀界面切割作用的表現(xiàn)形式之一(圖13)。黃土體受到細(xì)觀界面的切割分離作用時(shí),土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,在土體內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)缺陷,結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致土體初始應(yīng)力場重分布。黃土中的天然應(yīng)力場主要為自重應(yīng)力,受界面分割影響,應(yīng)力調(diào)整發(fā)生應(yīng)力偏轉(zhuǎn)。分離體與母體相連的區(qū)域土體內(nèi),應(yīng)力場擾動(dòng)最大,極易形成力學(xué)薄弱區(qū)。同時(shí),黃土具有大孔隙結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)特征,土體內(nèi)部分布大量孔隙集中帶和支架大孔隙。特殊的孔隙結(jié)構(gòu)為細(xì)觀界面的發(fā)育提供了空間結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)條件。在根部土體范圍內(nèi),受力學(xué)行為敏感性強(qiáng)和大孔隙結(jié)構(gòu)的影響,黃土細(xì)觀界面在外界營力驅(qū)動(dòng)下優(yōu)先在根部土體范圍內(nèi)發(fā)育,應(yīng)力集中通過切割根部土體的方式釋放能量。在坡面土體中,分離體的臨空面一端無約束,分離體根部被細(xì)觀界面切割形成斷裂面,破壞分離體與母體之間的唯一約束,使得分離體成為坡上危險(xiǎn)體,在重力及外界擾動(dòng)作用下危險(xiǎn)體沿土體臨空面迅速向下傾倒、崩落或者翻滾,形成掉塊(圖14)。

圖13 黃土細(xì)觀界面切割分離土體

圖14 黃土細(xì)觀界面的切割分離作用及掉塊災(zāi)變

黃土細(xì)觀界面對土體具有切割分離作用,將土體分解形成分離體。同時(shí),分離體脫離母體的斷裂面也是細(xì)觀界面的表現(xiàn)形式之一,是細(xì)觀界面誘使塊體掉落的災(zāi)變幾何控制邊界面。坡面土體掉塊使得坡面幾何形態(tài)不平整,脫離區(qū)域附近土體受脫空區(qū)影響成為穩(wěn)定性低的危險(xiǎn)體(圖15),脫空區(qū)為周圍土體提供臨空條件和產(chǎn)生力學(xué)劣化影響,若受重力及其他因素?cái)_動(dòng),細(xì)觀界面進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展,容易再次誘發(fā)坡面土體掉塊、崩塌等災(zāi)害,形成塊體剝離坡面的鏈生效應(yīng)。

圖15 黃土邊坡上的危險(xiǎn)塊體

黃土細(xì)觀界面的形成,在土體內(nèi)部提供薄弱面,對土體的變形破壞帶來重要影響。盧全中等(2006,2009,2015)對裂隙性黃土展開了系列力學(xué)試驗(yàn),研發(fā)便攜式大尺寸裂隙性黃土直剪儀,試驗(yàn)結(jié)果表明裂隙使得黃土抗剪強(qiáng)度降低。進(jìn)一步開展三軸壓縮條件下裂隙性黃土變形破壞機(jī)制試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)不同裂隙角度影響下裂隙性黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有理想彈脆性極強(qiáng)軟化型、彈塑脆性強(qiáng)軟化型、折線軟化型、曲線軟化型、復(fù)合軟化型、理想塑性型、理想彈塑性型和彈塑性硬化型共8種類型,變形破壞機(jī)制表現(xiàn)為擠壓-滑動(dòng)、擠壓-滑移(蠕滑)、擠壓-橫向拉裂、彎曲-滑移(或塑流)、彎曲-縱向拉裂和彎曲-旋轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)共6種,并建立了描述裂隙性黃土軸向突發(fā)性和漸進(jìn)式破壞的力學(xué)模型。孫萍等(2015)發(fā)現(xiàn)低圍壓情況下裂隙進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展形成破壞面導(dǎo)致土體破壞。上述研究表明,界面是黃土體中的薄弱面,在外界應(yīng)力作用下,黃土體的變形破壞首先沿著界面發(fā)生,是黃土工程容易失穩(wěn)破壞的原因之一。連寶琴等(2015)研究了黃土開挖邊坡滑塌破壞機(jī)理,界面在邊坡失穩(wěn)災(zāi)變過程中扮演著重要角色。滑塌破壞初期,坡腳土體在界面切割作用下受重力影響形成落空區(qū)(圖16a),使得坡面土體懸空,坡體產(chǎn)生不均勻沉降,界面分割坡頂土體,并在坡頂產(chǎn)生拉裂區(qū)。隨后,在降雨徑流的集中沖蝕下,界面擴(kuò)展,在坡頂形成界面分割的不穩(wěn)定塊體,界面成為危險(xiǎn)體的幾何邊界面,同時(shí)也為降雨入滲提供優(yōu)勢通道,雨水通過界面進(jìn)入坡體,形成軟弱滑動(dòng)面,使得土體滑移產(chǎn)生滑塌破壞(圖16)。開展研究細(xì)觀界面切割土體致災(zāi)效應(yīng)有益于進(jìn)一步探究掉塊、崩塌災(zāi)變機(jī)理及破壞模式(劉傳正,2019)。

圖16 黃土開挖邊坡塌滑破壞過程(據(jù)連寶琴等(2015))

4.2 松動(dòng)破碎土體作用

黃土細(xì)觀界面的掉塊災(zāi)變是界面切割分離土體形成單獨(dú)塊體時(shí)誘發(fā)的災(zāi)變效應(yīng)。隨著黃土細(xì)觀界面的發(fā)育演化,新生細(xì)觀界面在原生界面的基礎(chǔ)上向附近黃土體切割侵蝕,新、舊細(xì)觀界面在發(fā)育演化過程中彼此貫通,構(gòu)成復(fù)雜、龐大的切割網(wǎng),將覆蓋范圍內(nèi)的局部區(qū)域土體切割形成大量分離體。連續(xù)密集分布的分離體組合形成切割集合體,黃土細(xì)觀界面的災(zāi)變效應(yīng)由量變上升為質(zhì)變,切割集合體使得土體變得破碎松散。破碎松散體的力學(xué)強(qiáng)度低,整體穩(wěn)定性差。當(dāng)邊坡土體被細(xì)觀界面網(wǎng)切割,坡面土體呈破碎松散狀,在重力、工程擾動(dòng)等外界荷載作用下,破碎松散體向坡面外脫離或沿坡面向坡腳滾動(dòng),形成崩塌、溜滑等地質(zhì)災(zāi)害(圖17),對土體邊坡下方的道路、行人和建筑造成損失。葉萬軍等(2013)對黃土崩塌形成因素的研究發(fā)現(xiàn),界面對黃土崩塌的形成、發(fā)展及破壞具有控制作用。水力沖蝕、根系劈裂和人類工程激勵(lì)細(xì)觀界面發(fā)育擴(kuò)展,切割破碎土體的同時(shí)降低邊坡穩(wěn)定性。細(xì)觀界面的破碎松散作用還體現(xiàn)在黃土邊坡的漸進(jìn)破壞性中。由于細(xì)觀界面發(fā)育,坡體應(yīng)力分布不均,呈現(xiàn)局域性應(yīng)力-應(yīng)變集中,導(dǎo)致局部破壞。局部土體破碎松散化是黃土高邊坡失穩(wěn)模式最先可能出現(xiàn)的現(xiàn)象。局部土體破碎松散化的形成必然發(fā)生應(yīng)力釋放、應(yīng)力轉(zhuǎn)移,而在破碎松散化土體的鄰近區(qū)域所受影響最大,該區(qū)域受到應(yīng)力重分布影響,可能發(fā)生破壞并繼續(xù)釋放超出強(qiáng)度范圍內(nèi)的應(yīng)力,將多余荷載轉(zhuǎn)移到其他區(qū)域。隨著應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移、重分布過程的不斷循環(huán),破壞面不斷延伸,使得更多范圍土體受到破壞,可能誘發(fā)邊坡災(zāi)害(王康蓀,2000; 何紅前等,2005)。在黃土斜坡坡腳,受凍融侵蝕、鹽類侵蝕作用,坡腳表層土體細(xì)觀界面發(fā)育,使得土體破碎發(fā)生剝落,改變斜坡形態(tài)。由于坡腳空腔區(qū)的形成,坡腳內(nèi)凹形成反坡,上部土體失去底部支撐作用,最終誘發(fā)崩塌災(zāi)害(王根龍等,2011)。黃土崩滑災(zāi)害十分普遍,兼有崩塌和滑坡的特征。在破壞體中局部可見滑動(dòng)面但又不是整體下滑,具有迅速崩塌破壞的特點(diǎn),常常帶來工程維護(hù)問題,且易誘發(fā)其他環(huán)境地質(zhì)問題。巖土體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)有可能為邊坡災(zāi)害的動(dòng)力學(xué)提出進(jìn)一步的解釋(蘭恒星等,2019)。

圖17 黃土細(xì)觀界面的破碎松散作用及崩塌、溜滑災(zāi)變

4.3 滲流軟化土體作用

黃土細(xì)觀界面在切割破碎土體降低土體強(qiáng)度與穩(wěn)定性的同時(shí),也在土體表面形成具有一定張開寬度且向土體內(nèi)部延伸的空間通道,為水的運(yùn)移提供優(yōu)勢滲流通道。當(dāng)降雨灌溉在地表形成徑流時(shí),水體向界面形成的空間通道匯聚,并迅速沿通道向下運(yùn)移,水在通道中以優(yōu)勢流的方式向土體中入滲。隨后又以基質(zhì)流的方式繼續(xù)向通道兩側(cè)土體及土體深部入滲,在土體中形成飽和區(qū)。黃土水敏性強(qiáng),遇水易軟化,導(dǎo)致強(qiáng)度降低,產(chǎn)生濕陷沉降變形,是黃土災(zāi)變的元兇之一。在土-水作用下,黃土發(fā)生滲透軟化,強(qiáng)度劣化的同時(shí)極易在坡體內(nèi)形成軟弱滑動(dòng)帶,使得土體逐漸滑移。另外,在水的侵蝕作用下,黃土孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而擴(kuò)展,體現(xiàn)為細(xì)觀界面進(jìn)一步擴(kuò)展,切割范圍擴(kuò)大,使得邊坡土體破碎程度增加,無形中增加易滑體數(shù)量,擴(kuò)大滑動(dòng)物源方量,加劇災(zāi)害效應(yīng)。黃土細(xì)觀界面為水體入滲提供賦水空間,作為優(yōu)勢入滲通道加速水向土體內(nèi)部擴(kuò)散,增大土體含水量,引起黃土-水耦合作用,使得黃土發(fā)生滲透軟化,劣化土體強(qiáng)度。同時(shí),在水動(dòng)力影響下,細(xì)觀界面進(jìn)一步發(fā)育演化,加劇土體破碎松散化程度,極易誘發(fā)坡面泥流(圖18)。

圖18 黃土細(xì)觀界面的滲透軟化災(zāi)變作用及泥流

十水九滑,無水不滑。在眾多地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)成因中,水是主控因素之一,眾多學(xué)者對此作出了大量研究(徐張建等,2007; 巨玉文等,2016; Dominik et al.,2019)。但是地表水在黃土中的入滲深度有限,且入滲緩慢,并不影響深部土體的含水率(李同錄等,2018)。而裂隙為水流提供了導(dǎo)水能力強(qiáng)的滲透路徑,使得水快速下滲且能滲透到土體深部(Jarvis,2007; 李鑫等,2019)。彭建兵等(2014)指出黃土地區(qū)的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題,即優(yōu)勢通道是如何控制降雨和地表水入滲,水進(jìn)入土體后怎樣改變區(qū)域水文條件和應(yīng)力狀態(tài)以致黃土地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。汪發(fā)武(2019)通過現(xiàn)場勘探島根西部地震引起的櫨谷流動(dòng)性滑坡,發(fā)現(xiàn)由于邊坡破碎疏松的體結(jié)構(gòu)使得坡體近地表土體處于完全飽水狀態(tài),為邊坡結(jié)構(gòu)液化提供充足準(zhǔn)備。趙寬耀等(2020)結(jié)合高密度電法及數(shù)值模擬研究了不同灌溉強(qiáng)度下裂隙優(yōu)勢流通道的滲流過程。另外,水向界面通道內(nèi)匯集時(shí)界面受水壓致裂作用萌生次級(jí)界面(陳林平等,2020),在水力作用下,界面發(fā)育擴(kuò)展,進(jìn)一步劣化土體強(qiáng)度并提供更多滲流通道。孫德安等(2020)研究了非飽和原狀黃土的力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)不同吸力條件下原狀黃土剪切過程中均表現(xiàn)出不同程度的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。連寶琴等(2015)研究發(fā)現(xiàn)降雨沿著界面進(jìn)入黃土邊坡體內(nèi),形成軟弱滑動(dòng)面,從而使土體逐漸滑移,最終產(chǎn)生滑塌破壞。

5 結(jié)論與展望

認(rèn)識(shí)黃土細(xì)觀界面,掌握其基本特征、發(fā)育演化規(guī)律和致災(zāi)效應(yīng),為黃土界面系統(tǒng)性研究奠定理論基礎(chǔ),也為黃土地質(zhì)災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)提供理論指導(dǎo)。本文通過大量野外調(diào)查工作,結(jié)合團(tuán)隊(duì)近年來相關(guān)的研究成果,對黃土細(xì)觀界面的定義、幾何形態(tài),發(fā)育演化特征及致災(zāi)效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析。主要結(jié)論如下:

(1)從致災(zāi)效應(yīng)角度劃分,黃土細(xì)觀界面是指分布在黃土體中肉眼可見的(規(guī)模范圍為長度:1.0×10-3～1.0×101m,寬度:1.0×10-3～1.0×10-2m),破壞土體局部連續(xù)性的,能將完整土體進(jìn)行切割、分離的不連續(xù)面,包括裂隙、孔洞和異物接觸面,其本質(zhì)為地質(zhì)缺陷。

(2)黃土細(xì)觀界面的幾何形態(tài)表現(xiàn)為點(diǎn)狀、對鉤狀、尖滅、V字狀,其分布組合規(guī)律可概括為爪狀、階梯狀、羽列狀、封閉網(wǎng)格狀。

(3)黃土細(xì)觀界面的發(fā)育演化是一個(gè)具有時(shí)空特性和輻射特性的動(dòng)態(tài)循環(huán)再生過程,根據(jù)其發(fā)育演化伴生關(guān)系可分為一、二級(jí)界面,一、二級(jí)界面更替發(fā)生伴隨細(xì)觀界面的發(fā)育演化過程。

(4)黃土細(xì)觀界面通過分割土體、破碎土體、提供優(yōu)勢滲流通道導(dǎo)致土體分離、松動(dòng)、滲透軟化,從而誘發(fā)黃土掉塊、滑溜、泥流等災(zāi)害。

本文初步討論了黃土細(xì)觀界面的基本特征、分類和致災(zāi)效應(yīng)等基礎(chǔ)科學(xué)問題。目前有關(guān)黃土細(xì)觀界面的系統(tǒng)性研究工作正逐步推進(jìn),今后仍需深入探討黃土細(xì)觀界面的力學(xué)行為、滲流特性以及致災(zāi)力學(xué)機(jī)制等方面,進(jìn)一步回答黃土細(xì)觀界面的災(zāi)變效應(yīng)。從黃土界面體系中來,回到體系中去,結(jié)合黃土界面體系綜合回答黃土界面的災(zāi)變問題,實(shí)現(xiàn)多元耦合與定量分析,為黃土災(zāi)害的防治減災(zāi)提供科學(xué)理論基礎(chǔ)與指導(dǎo)意義。