赵家岸滑坡地区马兰黄土物理力学特性试验研究.pdf

书书书 工程地质学报 （ ） ： 赵家岸滑坡地区马兰黄土物理力学特性试验研究 罗 浩 伍法权 王定伟 常金源 包 含 许江波 马艾阳 （ 中国地震局地质研究所， 活动构造与火山重点实验室 北京 ） （ 中国科学院地质与地球物理研究所， 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室 北京 ） （ 中冶集团武汉勘察研究院有限公司 武汉 ） （ 绍兴文理学院， 土木工程学院 绍兴 ） （ 长安大学公路学院 西安 ） 摘 要 浸水或增湿过程中， 黄土特有的不稳定结构极易发生破坏， 约束黄土的力学行为特征。通过粒度分析、 扫描电镜和 压汞实验对赵家岸滑坡地区黄土的微观结构进行分析， 得到由上到下黏土的胶结作用升高， 架空孔隙压缩明显， 小孔隙几乎 没有变化的特征。不同初始含水量条件下三轴压缩实验显示该区的顶部和底部黄土的强度均随初始含水量的增大而减小。 由于底部黄土黏土胶结作用较高， 黄土的强度减小速率大于顶部黄土。同时发现 值对于水的敏感性明显大于 值， 强度的 降低主要是 值的减小导致。由于地下水位的升高， 滑坡底部黄土的含水量增加， 颗粒之间主要承担胶结作用的黏土矿物软 化， 导致附近的黄土微观结构持续破坏， 导致赵家岸滑坡发生蠕动。 关键词 含水量 微观结构 极限强度 赵家岸滑坡 马兰黄土 中图分类号： 文献标识码： 书书书 收稿日期： ；收到修改稿日期： 基金项目： 中国地质调查局工作项目（ ， ） 资助 第一作者简介： 罗浩（ ） ， 男， 博士， 主要从事活动构造、 地质灾害方面的工作 ： （ ， ， ， ） （ ， ， ， ） （ ， ， ） （ ， ， ） （ ， ， ） ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 引 言 我国黄土覆盖面积约为 ， 占国土 总面积的 （ 刘东生， ； ， ） ， 具有分布广， 覆盖厚的特点 （ 图 ） 。在我国 中西部黄河中游形成了世界瞩目的黄土高原， 面积 为 。由于黄土特定的生成、 沉积环境， 使其具有非常独特的结构特性。这使黄土具有特别 的物理和力学特性（ ， ； ， ； ， ； ， ； ， ） ， 如黄土的大孔隙的特征， 导致 其密度相对较低（ ， ） ， 其中多数 的马兰黄土的密度 （ ， ） 。 图 中国典型黄土分布简图 通常我们可以看到高、 陡的黄土边坡可以长时 间保持稳定（ 王根龙等， ； ， ） ， 但 是由于黄土的特定的结构， 在遇水的情况下， 部分边 坡会迅速地发生垮塌或滑坡（ ， ； ， ， ； ， ； ， ； ， ； ， ） 。这是 因为随着含水率的增加， 黄土的强度显著降低， 即黄 土具有强烈的水敏性。因此黄土斜坡在降雨、 灌溉、 水库蓄水等条件下， 黄土的结构极易发生破坏， 从而 导致滑坡的发生（ ， ； ， ） 。以往前人对黄土力学性质的研究大多侧重 于在黄土充分浸水、 达到饱和或者近似饱和的条件 下观察其变形和破坏（ 胡再强等， ； 周永习等， ） 。而在现场调查中观测到大量地基和边坡在 黄土遇水后含水率只增大到一定程度且未饱和的情 况下发生变形破坏。黄土饱和后力学性质发生变化 只是一种特殊情况， 因此对黄土的增湿变形需要进 一步地深入研究。 由于沉积的时间和环境差异， 在同一边坡中， 不 同埋深的黄土性质具有显著的差别， 力学性质也有 很大的变化。文章分别指出了赵家岸滑坡地区顶部 和底部两种不同埋深黄土的物理特征， 微观结构特 征， 并进行了增湿条件下的三轴剪切实验。进一步 （ ） 罗 浩等：赵家岸滑坡地区马兰黄土物理力学特性试验研究 分析了不同条件下黄土的微观结构变形与强度变化 特征， 及导致赵家岸滑坡复活的机理。 研究区的概况和样品采集 研究区概况 研究区地处西北内陆， 陕北黄土高原中部， 属于 暖温带半干旱大陆性季风气候。夏季炎热多雨， 年 平均降水量为 左右， 最大为 。赵家 岸滑 坡 位 于 延 安 市 河 庄 坪 镇 的 赵 家 岸 村 （ ， ） （ 图 ） 。滑坡长约 ， 前缘长约 （ 图 ） 。该地区主要沉积两 套地层， 马兰黄土上覆于侏罗系砂泥页岩互层上 （ 图 ） 。红庄水库位于黄土梁的南侧， 水库蓄水引 起地下水位上升， 滑坡前缘的房屋地基沉降、 墙体开 裂、 变形 （ ） 。滑坡前缘和南翼有水持续渗出 （ 图 ） ， 导致滑坡处于蠕滑状态。 图 赵家岸滑坡区域影像图 图 赵家岸滑坡现场照片 样品的采集 赵家岸滑坡沿黄土 基岩接触面发生滑动， 作 为滑床的砂泥页岩互层并未发生变形。滑坡行为发 生在马兰黄土层内部， 因此我们在滑坡北侧的黄土 剖面上顶部和底部分别采集样品 （ 图 ） 。顶部黄 土取样位置垂直深度为 ， 呈浅黄色， 天然含水率 约为 ， 干密度为 ， 塑限为 ， 液限为 。土质较为均匀， 含少量植物 根系， 并发育虫孔。底部取样位置垂直深度约 ， 呈黄褐色， 硬塑状态， 天然含水率 ， 干密 度为 ， 塑限为 ， 液限为 。 土体内含有少量细砂颗粒， 土质较为均匀。 图 赵家岸滑坡取样位置 粒度分析 为了了解黄土颗粒间胶结的情况， 对所采集的 黄土样品进行了粒度分析。采用德国 的激 光粒度仪对顶部和底部黄土的粒度分布进行测试， 每个样品进行两组平行试验， 常规颗粒组成测定和 聚集体分析。常规颗粒组成分析是将黄土放入烧杯 中， 添入适量的去离子水， 静置 之后用微波震荡 仪震荡 ， 分离颗粒之间的胶结再进行粒度测试 （ 实线） ；聚集体分析是在黄土样品中添加去离子水 之后再添加分散剂（ 六偏磷酸钠溶液） ， 分离 颗粒间黏土连接和黏土聚集体， 反映出黄土中单体 石英、 长石等大颗粒和黏土等小颗粒的粒径组成 （ 虚线） 。 赵家岸地区顶部黄土样品主要以粉粒为主， 含 有少量的砂粒和黏粒， 在添加分散剂后粉粒和砂粒 减少， 黏粒增加 （ 表 ） 。黄土颗粒多集中在 之间 （ 图 ） 。在分散剂的作用下， 黄土聚集 体发生分离作用。表现为大颗粒减少， 小颗粒增加。 黄土分散后颗粒多集中在 之间， 尽管区 间变化不大， 但相应粒径黄土颗粒的百分含量相对 减小。 以下黄土颗粒增加， 但是对于赵家岸 工程地质学报 顶部黄土来说分离作用有限， 黄土中颗粒间的胶结 程度不高。 书书书 表 赵家岸地区黄土的粒度分布 样品 粒径分布 未添加分散剂 添加分散剂 未添加分散剂 添加分散剂 赵家岸地区底部黄土样品粒度分布与顶部近 似， 主要以粉粒为主， 添加分散剂后粉粒和砂粒减 少， 黏粒显著增加 （ 表 ） 。赵家岸滑坡底部黄土粒 径集中在 之间， 在分散剂的作用下， 黄土 聚集体分离作用明显 （ 图 ） 。在分散后黄土颗粒 多集中在 之间， 高粒径黄土含量减少十 分明显， 粒径小于 的黄土明显增加， 黏土含量 明显增加。相对于顶部样品， 底部样品黏土含量高， 颗粒间胶结作用明显。 图 马兰黄土的颗粒分析 顶部黄土颗粒累积曲线； 底部黄土颗粒累积曲线； 顶部黄土粒径分布； 底部黄土粒径分布 黄土的微观结构特征 利用扫描电镜和压汞实验我们分别对黄土样品 的微观结构进行了观察及对黄土的孔隙分布特征进 行了测试。 赵家岸地区顶部样品的微观图像显示黄土颗粒 排列较为紧密 （ 图 ） ， 主要由大小为 的颗粒 构成。大颗粒之间由小于 的颗粒填充， 少见大 的碎屑集合体。矿物颗粒由胶结物连接构成黄土的 骨架， 这形成了较大的孔隙， 孔隙多等于、 甚至大于 黄土颗粒， 出现较大的连通架空孔隙。 图 赵家岸滑坡黄土微观结构特征 顶部黄土微观结构特征； 底部黄土微观结构特征 对比顶部黄土， 赵家岸底部黄土颗粒直径要小 于顶部黄土 （ 图 ） ， 含有更多的 的碎屑 颗粒， 且颗粒排列更为紧密， 孔隙明显减少， 但存在 个别直径较大的孔隙。黏土矿物显著增多， 且矿物 颗粒外侧包裹的黏土矿物较厚， 颗粒之间主要为胶 结连接。在黄土的主要分布区， 延安地区年均降雨 量相对较高， 在潮湿的条件下， 底部黄土因沉积的时 间较长， 成土作用更为明显。 压汞实验获取的黄土样品的孔隙分布特征图 （ ） 罗 浩等：赵家岸滑坡地区马兰黄土物理力学特性试验研究 （ 图 ） ， 顶部和底部黄土孔隙分布均具有三峰的性 质， 大于 的孔隙主要是草木的根系形成的孔 洞或虫孔；中间的峰值是颗粒间连通的架空孔隙； 小于 的是胶结物中的内部孔隙。连通的孔 隙构成黄土孔隙的主体。对比顶部和底部孔隙的分 布， 顶部黄土的压缩区间在 之间， 底部黄 土 孔隙明显增加， 而小于 的孔隙 基本不发生变化。基于上述电镜观察， 可以确定黄 土的压缩变形主要取决于颗粒间的架空孔隙， 与团 粒内部孔隙无关。 图 赵家岸滑坡黄土孔隙分布特征 图 不同含水量条件下黄土三轴实验结果 三轴实验结果 实验采用华勘科技的全自动液压三轴仪进行固 结不 排 水 剪 切 实 验，施 加 的 围 压 为 ， ， ， 。该仪器精度相对较高， 液压装置压力分辨率为 ， 压力检测分辨率为 ， 试样气水体变检测分辨率为 ， 围压 动态跟踪准确度 。 试样的增湿方式是采用预湿法， 首先用烘干法 测试原状黄土样品的含水量， 然后按照预定的含水 量 、 、 和 进行加湿， 用保鲜膜密封后 放在保湿器皿中静置 以上使水充分扩散， 实验 前再次进行含水量测试， 含水量偏差 ， 并认为 其在有效误差之内。 黄土的 、 曲线 在赵家岸地区顶部黄土的 、 曲线 （ 图 ） 看到， 在初始含水量相同的条件下， 围压的 增大会使得应力应变曲线显著升高， 但在轴向应变 较小时， 即应变 时， 低围压的偏应力和高围压 的偏应力近似， 甚至略微大一些， 增长速度差距不明 显。这种现象说明了在低应变条件下， 偏应力并未 超过黄土本身的结构强度， 当轴向应力值达到一定 程度时， 黄土的结构才会逐渐发生破坏。当应变超 过 时， 高围压条件下黄土的应力差随着应变增 大不断增长， 且围压越高增速越快。 所 有含水量条件下应力应变关系曲线都呈现强硬化 型。而当围压 、 轴向应变 时， 随着 工程地质学报 应变值的增大， 主应力差并没有明显升高， 甚至含水 量为 时， 主应力差达到峰值后逐渐减小， 呈 弱化型。在高围压条件下导致黄土的颗粒排列相对 更为紧密， 其结构强度增大。黄土的微观结构对其 力学性质具有很大的影响， 颗粒排列越紧密其强度 越大。 同时图 表明了在相同围压条件下随着含水 量的增加， 赵家岸滑坡顶部黄土的抗剪强度显著降 低。在高围压情况下， 随含水量增大降低的 趋势明显， 达 左右。在围压较小的情况下， 尤 其是应变较小条件下应力差 随着含水量的 增加降低幅度较小。 底部黄土的 、 曲线 （ 图 ） 变化规律 和顶部黄土相似， 但整体强度明显增大。这是因为 底部黄土的胶结作用明显高于顶部及黄土的颗粒排 列更为紧密导致黄土的结构强度明显增强。在相同 含水量条件下， 关系曲线随着围压增大而升高。 极限强度的变化规律 三轴实验黄土破坏点的极限偏应力 可 作为极限强度（ 张茂花等， ） 。对于有明显峰值 的应力应变曲线， 选择峰值应力为极限强度；对于 无明显峰值的应力应变曲线， 取轴向应变 时所对应的偏应力 作为土样的极限强度。 从黄土在不同围压、 不同含水量条件下的三轴 剪切破坏的极限强度图 （ 图 ） 可以看出， 在同一围 压下， 顶部黄土和底部黄土的极限强度均随初始含 水量的增加而降低， 而底部黄土的极限强度高于顶 部黄土。说明一定埋深的土体经过在一定压力下长 时间固结， 其力学特性发生了明显的变化， 强度有所 提高。围压相同的一组试验点基本上也可以连成一 条直线。而且随着围压的增加， 这些直线斜率也呈 有规律地升高。对比图 和图 ， 可以发现图 中直线的斜率要大于图 ， 说明底部的土样在增湿 过程中， 强度降低得更快。 黄土的抗剪强度指标 含水量变化对于黄土强度有着显著的影响。黄 土强度主要由摩擦强度和黏聚强度两部分组成， 摩 擦强度是土体抗剪强度的重要组成部分， 反应指标 为土体的内摩擦角。黏聚强度是其抗剪强度和结构 强度的主要组成部分。本文讨论了顶部和底部的黄 土在增湿过程中黏聚力 和内摩擦角 的变化规 律。 图 赵家岸滑坡黄土极限强度与初始含水量关系曲线 顶部黄土极限强度与初始含水量关系曲线； 底部黄土极限强度与初始含水量关系曲线 不管是顶部黄土还是底部黄土， 其黏聚力 和 内摩擦角 随着含水量的增长都有降低的趋势， 且 底部黄土的黏聚力 和内摩擦角 在相同含水量和 围压条件下都大于顶部黄土 （ 图 、 图 ） 。其中 底部黄土的 值在 前降低的速率较大， 而后 降低速率减小。顶部黄土 值下降速率相对较小， 且在相同含水量条件下其 值要小于底部黄土。图 中虽然指出黄土的 值随含水量的增加而减小， 但是并不明显。底部黄土在 时的内聚力值 只有 时的 左右 （ 图 ） ， 值降低不到 （ 图 ） ， 说明黄土抗剪强度中的另一个重要因 素 值对水的敏感性并不高。因此可以确定黄土 的抗剪强度显著降低的原因为其黏聚力受水的影响 较大。 图 值随初始含水量变化关系图 底部黄土样品的抗剪强度和强度指标高于顶部 （ ） 罗 浩等：赵家岸滑坡地区马兰黄土物理力学特性试验研究 图 值随初始含水量变化关系图 样品的原因是底部黄土结构更加紧密， 胶结作用更 为明显。所以在相同试验条件下， 底部黄土的 、 值都要高于顶部黄土， 但在增湿过程中， 下部黄土胶 结作用的黏土颗粒更多， 软化更快， 值降低的比顶 部黄土更快。 讨 论 三轴实验模拟了黄土在增湿条件下其强度的变 化过程。结果表明黄土在增湿过程中， 抗剪强度逐 渐减小， 这与黄土的微观结构具有很大的关系（ 胡 再强等， ， ； ， ） 。马兰黄 土是典型的风成土（ ， ） ， 具有稳定的大孔隙 结构（ ， ；王梅， ） 。在特定气 候条件下， 黄土中的石英、 长石颗粒或薄或厚被黏土 矿物 包 裹 （ 张 永 双 等， ， ； ， ） 。通过扫描电镜和粒度分析观察到赵家岸地 区底部黄土中矿物颗粒间的黏土矿物更多， 胶结作 用明显高于顶部。尽管底部黄土也发育架空孔隙， 但是经过长期的天然固结作用， 架空孔隙明显减少， 颗粒排列更为紧密， 这导致底部黄土的胶结强度更 大。在水的作用下， 黏土矿物具有很强的吸水性， 为 石英、 长石等大颗粒的 倍以上， 这引起黏土矿物迅 速软化， 致使黄土的黏聚力显著降低。 年红庄水库开始蓄水， 引起赵家岸滑坡复 活（ 张茂省等， ） 。水库水沿黄土下伏的砂岩裂 隙， 节理在滑坡一侧流出。由于库水位的抬升， 导致 黄土底部含水量升高（ ， ） 。尽管黄 土滑坡底部处于不饱和的状态， 随着含水量逐渐升 高导致颗粒之间起着胶结作用的黏土矿物软化， 这 引起了底部黄土的强度迅速降低， 主要是黄土颗粒 间黏聚力降低。在黏聚力 降低的过程中， 黄土中 部分架空孔隙首先发生破坏， 黄土颗粒和黏土矿物 所构成的空间发生垮塌， 小颗粒或黏土矿物填充到 架