基于環(huán)剪試驗的四方碑滑坡滑帶土殘余強度空間差異性和穩(wěn)定性分析

楊宇軒，霍志濤，方仕達，柯 超，楊超越，汪 洋

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.中南地質科技創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430205；3.中國地質大學(武漢)地質調查研究院，湖北 武漢 430074)

滑帶土的力學強度參數(shù)對滑坡穩(wěn)定性的影響很大。葛云峰等分別采用正交數(shù)值模擬試驗和動態(tài)反演分析，研究了滑坡滑動面力學參數(shù)對滑坡變形特征的影響；Tang等對三峽庫區(qū)滑坡的活動規(guī)律和滑動面滲透性的相關性進行了研究；何晨等對三峽庫區(qū)黃土坡滑坡滑帶土在不同pH值條件下的溶出特征和釋放規(guī)律進行了研究；何坤等基于現(xiàn)場調查、無人機航測、數(shù)值模擬分析等對四川省玄武巖古滑坡復活機制進行了分析，結果表明由于滑帶長期受地下水影響，滑帶土體強度逐漸削弱，抗剪強度降低，從而誘發(fā)了古滑坡復活。

三峽庫區(qū)水位的年復一年的波動會導致部分古滑坡的復活或引起滑坡間歇性活動。對于間歇活動的復活型古滑坡，一般用滑帶土的殘余強度來分析滑坡的穩(wěn)定性。環(huán)剪儀因具有剪切面積固定、允許試樣沿一個方向連續(xù)剪切的特點，常常用于測試滑坡滑帶土的殘余強度。許多學者利用環(huán)剪儀研究了滑坡滑帶土的含水率對其殘余強度的影響，如Wei等研究了不同風化層花崗巖滑坡滑帶土殘余強度隨含水率的變化特征，結果表明隨著滑帶土含水率的降低，黏土有顯著的軟化趨勢，但砂土有硬化現(xiàn)象，且在低含水率狀態(tài)下，含水率變化對滑帶土內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦強度有顯著的影響；古鵬翔等通過室內(nèi)環(huán)剪試驗研究了邊坡滑帶土在不同含水率下的蠕變特性，建立了考慮含水率變化的滑帶土蠕變本構模型；吳迪等對殘積土進行了環(huán)剪試驗，得到了滑帶土含水率與其殘余強度指標之間的關系，并證明大變形下殘積土具有浸水軟化的特性；Zhou等、吳岱諠等、翟棟梁等和Lian等分別對根-土復合材料、金坪子滑坡滑帶土、典型黃土和灞橋滑坡滑帶土進行了不同含水率下的環(huán)剪試驗，結果都表明滑帶土的殘余強度受其含水率的影響較大，但滑帶土的殘余強度隨含水率的變化規(guī)律不同。受庫水位波動的影響，三峽庫區(qū)滑坡不同位置處滑帶土的含水率不同，滑坡不同位置處滑帶土的殘余強度也有差異，因此開展不同含水率下滑帶土殘余強度的研究對于分析三峽庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性具有重要的意義。

本文基于環(huán)剪試驗，開展了不同含水率和不同法向應力作用下四方碑滑坡滑帶土的殘余強度特性分析，并結合滑坡滲流模擬的地下水水位對滑帶土殘余強度進行分區(qū)取值，進而開展了滑坡穩(wěn)定性計算。該方法考慮了滑帶土力學指標在空間上的差異性，對于復活型滑坡滑帶土強度參數(shù)的選取以及提高滑坡穩(wěn)定性評價的精度具有重要的意義。

1 四方碑滑坡基本概況和變形特征

圖1 四方碑滑坡工程地質平面圖Fig.1 Geological map of Sifangbei landslide

圖2 四方碑滑坡工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geological profile of Sifangbei Landslide

根據(jù)地表位移監(jiān)測點監(jiān)測結果，2019年1月至4月滑坡累計位移曲線表現(xiàn)為近水平狀，呈現(xiàn)基本穩(wěn)定狀態(tài)；2019年4月至9月滑坡累計位移曲線隨時間呈階躍型上升，9月至11月滑坡累計位移曲線又變?yōu)榛痉€(wěn)定狀態(tài)，見圖3。四方碑滑坡滑帶土在周期性庫水位變動的作用下，含水率發(fā)生變化，進而引起滑帶土抗剪強度發(fā)生變化，滑坡常呈現(xiàn)間歇性活動特點，據(jù)此將滑坡活動分為活動期和間歇期?；麻g歇性活動演化不僅受庫水位變化引起的孔隙水壓力變化的影響，而且也與滑帶土抗剪強度的變化關系密切。

圖3 四方碑滑坡累計位移曲線Fig.3 Cumulative displacement curves of Sifangbei landslide

2 四方碑滑坡滑帶土殘余強度特性分析

2. 1 滑帶土基本性質

滑帶土試樣取自重慶市萬州區(qū)四方碑滑坡鉆孔，測得滑坡后緣和中部的滑帶土質量含水率分別為16.0%和20.5%，滑坡前緣的滑帶土由于位于地下水水位以下，故取其飽和含水率為24.0%，3種滑帶土試樣含水率對應的飽和度分別為0.67、0.85和1.00。按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)要求，對滑帶土試樣進行了基本物理力學性質指標的測試，其測試結果見表1。

表1 四方碑滑坡滑帶土基本物理力學性質指標

2. 2 滑帶土環(huán)剪試驗方案

環(huán)剪試驗采用德國Wille Geotechnic公司生產(chǎn)的ARS型全自動閉合回路控制環(huán)剪儀，剪切盒內(nèi)環(huán)直徑為100 mm，外環(huán)直徑為150 mm，有效高度為30 mm，其剪切面積為98.13 cm。本次試驗利用過2 mm篩的重塑土樣進行環(huán)剪試驗，控制重塑土樣干密度為1.77 g/cm，即與原狀土樣干密度相同；配置含水率為16.0%、20.5%、24.0%的滑帶土試樣，分別對應滑坡后緣、中部和前緣滑帶土的含水率。四方碑滑坡滑體厚度區(qū)間較大，厚度為6～38 m，根據(jù)滑帶土上覆自重應力綜合確定試驗的法向應力分別為200 kPa、325 kPa、450 kPa、575 kPa和700 kPa，并根據(jù)滑坡變形特征確定試驗的剪切速率為0.06 mm/min。試驗采用單級剪切程序，試驗前先讓滑帶土試樣在各法向應力下固結穩(wěn)定，然后采取固定的剪切速率對滑帶土試樣進行排水剪切，直至滑帶土試樣達到殘余狀態(tài)為止。

2. 3 滑帶土殘余強度特性

不同含水率和不同法向應力作用下四方碑滑坡滑帶土的剪應力-剪切位移曲線，見圖4。

由圖4可見，四方碑滑坡滑帶土的殘余強度隨著法向應力的增加而增大，并在相同法向應力作用下，隨著滑帶土試樣含水率的增加，其殘余強度均減小。

不同含水率下四方碑滑坡滑帶土的殘余強度參數(shù)，見表2。

表2 不同含水率下四方碑滑坡滑帶土的殘余強度參數(shù)

圖4 不同含水率和不同法向應力作用下四方碑滑坡滑帶土的剪應力-剪切位移曲線Fig.4 Shear stress-shear displacement curves of sliding zone soil of Sifangbei landslide under different moisture content and different normal stress

由表2可知，與含水率為20.5%的滑帶土相比，含水率為16.0%的滑帶土的殘余黏聚力減小了33.51%，殘余內(nèi)摩擦角減小了38.33%；與含水率為24.0%的滑帶土相比，含水率為16.0%的滑帶土的殘余黏聚力減小了37.86%，殘余內(nèi)摩擦角減小了53.92%，說明隨著含水率的增加，滑帶土的殘余黏聚力和殘余內(nèi)摩擦角都減小，且滑帶土的殘余內(nèi)摩擦角衰減程度更大。

通過數(shù)值擬合發(fā)現(xiàn)：四方碑滑坡滑帶土的殘余強度與法向應力呈現(xiàn)較好的線性關系，符合Mohr-Coulomb準則(見圖5)；該滑坡滑帶土的殘余內(nèi)摩擦角與含水率之間呈現(xiàn)良好的負指數(shù)關系(見圖6)，這與王煒等得出的結論類似。

圖5 四方碑滑坡滑帶土殘余強度與法向應力的擬合 關系曲線Fig.5 Fitting curves of residual strength and normal stress of sliding zone soil of Sifangbei landslide

圖6 四方碑滑坡滑帶土殘余內(nèi)摩擦角與含水率的 擬合關系曲線Fig.6 Fitting curve between residual internal friction angle and moisture content of sliding zone soil of Sifangbei landslide

3 滑帶土殘余強度空間差異性和滑坡穩(wěn)定性分析

3. 1 滑坡滲流場分析

本文選取四方碑滑坡1-1′剖面為研究對象，采用GeoStudio軟件對該滑坡滲流特征和穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬計算與分析，建立了滑坡滲流特征和穩(wěn)定性計算模型，見圖7。該滑坡滑動面為不透水邊界，滑坡表面以水庫水位為分界線，其上為零流量邊界，其下為變水頭邊界，其水頭隨著庫水位的變化而變化，依據(jù)現(xiàn)有水文孔監(jiān)測數(shù)據(jù)設定初始地下水水位線。由單環(huán)滲水試驗測得的滑帶土滲透系數(shù)為0.3 m/d，選取2017年10月28日到2018年10月28日的庫水位變化作為滲流模擬的分析工況。

圖7 四方碑滑坡滲流特征和穩(wěn)定性計算模型圖Fig.7 Seepage characteristics and stability calculation model of Sifangbei landslide

3.2 滑帶土殘余強度分區(qū)取值和滑坡穩(wěn)定性分析

由前述室內(nèi)環(huán)剪試驗可知，四方碑滑坡滑帶土殘余強度受含水率的影響較大。受庫水位波動的影響，庫區(qū)滑坡不同位置處滑帶土的含水率不同，基于滑坡滲流模擬的地下水水位對滑帶土進行分區(qū)，計算滑坡穩(wěn)定性時不同區(qū)域的滑帶土取不同的計算參數(shù)。地下水水位線以上的滑坡后緣滑帶土含水率較小，計算滑坡穩(wěn)定性時滑帶土抗剪強度取參數(shù)1(見表2)；庫水位以下的滑坡前緣滑帶土按飽和狀態(tài)考慮，計算滑坡穩(wěn)定性時滑帶土抗剪強度取參數(shù)3(見表2)；處于地下水水位和庫水位之間的滑坡中部滑帶土，含水率介于滑坡前緣滑帶土和滑坡后緣滑帶土之間，計算滑坡穩(wěn)定性時滑帶土抗剪強度取參數(shù)2(見表2)。參考四方碑滑坡勘察報告進行其他材料參數(shù)取值，滑體黏聚力取25 kPa，滑體內(nèi)摩擦角取13°，滑體重度取21 kN/m，滑帶重度取20.3 kN/m。

在滑坡滲流模擬的基礎上，采用極限平衡法中的摩根斯頓-普賴斯法(簡稱MP法)計算175 m和145 m庫水位以下四方碑滑坡的穩(wěn)定性，水位線采用滑坡滲流模擬得出的地下水水位線，滑帶土不同區(qū)段抗剪強度參數(shù)取不同值。通過計算得到的175 m和145 m庫水位以下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.14和1.17，根據(jù)滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分標準(見表3)可知，該滑坡處于基本穩(wěn)定和穩(wěn)定狀態(tài)，與通過野外調查得到的滑坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀相符。若不對滑帶土進行分區(qū)，計算滑坡穩(wěn)定性時全部采用滑帶土的飽和殘余強度參數(shù)，計算得到的175 m和145 m庫水位以下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.04和1.08，根據(jù)表3判斷該滑坡處于欠穩(wěn)定和基本穩(wěn)定狀態(tài)，這低估了滑坡的穩(wěn)定性現(xiàn)狀。

表3 滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分標準

4 結 論

本文以四方碑滑坡滑帶土為例，通過環(huán)剪試驗分析了不同含水率和不同法向應力作用下滑帶土的殘余強度特性，并基于滑坡滲流模擬結果對滑帶土殘余強度的空間差異性進行分區(qū)取值來分析該滑坡的穩(wěn)定性，主要得到如下結論：

(1) 不同含水率滑帶土試樣，其殘余強度與法向應力呈現(xiàn)較好的線性關系，符合Mohr-Coulomb準則；法向應力相同時，隨著滑帶土含水率的增加，滑帶土試樣的殘余強度減小。隨著滑帶土含水率的增加，滑帶土試樣的殘余黏聚力和殘余內(nèi)摩擦角都減小，且滑帶土殘余內(nèi)摩擦角的衰減程度更大。通過數(shù)值擬合發(fā)現(xiàn)，滑帶土殘余內(nèi)摩擦角與含水率之間呈現(xiàn)良好的負指數(shù)關系。

(2) 基于滑坡滲流模擬的地下水水位對四方碑滑坡滑帶土進行分區(qū)，計算滑坡穩(wěn)定性時不同區(qū)域的滑帶土取不同的計算參數(shù)，結果表明：175 m和145 m庫水位以下該滑坡處于基本穩(wěn)定和穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡穩(wěn)定性計算結果與通過野外調查得到的滑坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀相符，表明本文方法具有可靠性。