1、第 卷 第 期 年 月资源环境与工程 .收稿日期:改回日期:责任编辑:于继红资助项目:鄂西北变质岩区典型涉水滑坡成因机制分析及监测预警技术应用()第一作者:梅红专()男 高级工程师 水工环地质专业 从事地质灾害勘查与调查评价工作 :通信作者:杨新()男 硕士 土木水利专业 从事工程地质研究工作 :梅红专杨潇于义军等.鄂西北软弱变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理分析.资源环境与工程():.():.鄂西北软弱变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理分析梅红专 杨 潇 于义军 李 彬 何文武 杨 新 田静静 朱智超(.湖北省地质局 第八地质大队湖北 襄阳 .湖北省地质局 冶金地质勘探大队湖北 十堰.中国地
2、质大学(武汉)环境学院湖北 武汉)摘 要:十堰市地处中国鄂西北山区 区内地质环境背景复杂 主要地层岩性为变质岩 受地质环境的影响 区内变质岩岩性软弱 岩体结构较为破碎 风化强烈 与第四系松散岩地层一起构成了易滑地层 是滑坡灾害的高易发区 以十堰市软弱变质岩为研究对象 基于吸水性、耐崩解性、单轴压缩试验及直剪试验 分析变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理 结果表明 软弱变质岩吸水性较强且具有明显的各向异性特征和遇水软化特征 其单轴抗压强度随着法向应力方向与片理面之间夹角的增大呈现出两边高、中间低的“”型变化规律 抗剪强度参数随着法向应力方向与片理面之间夹角的增大而增大 并且随着浸水时间的延长而逐渐
3、减小 同时降雨诱发软弱变质岩滑坡的变形破坏 与岩土体强度、潜水、承压水作用息息相关 均遵循有效应力的原理 其研究成果可对十堰地区以及中国类似软弱变质岩地区的滑坡成灾机理认识及防灾减灾工作提供有益参考关键词:软弱变质岩 库岸滑坡 工程特性 变形破坏机制 十堰市中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.十堰地区广泛分布软弱变质岩岩体结构较为破碎风化强烈与第四系松散岩地层一起构成了主要易滑地层是该地区滑坡的主要诱因之一 境内河流均属于汉江第一大支流 堵河流域水系地质构造背景复杂地貌变化过程活跃河谷深切地势陡峭汛期频发暴雨及洪水是滑坡等地质灾害的高易发区 堵河流域由于水位涨落变化库岸边坡岩土体遭
4、到水体长期浸泡导致岩土体松软水位面一带常形成岩土体软弱带在上部自重或人为扰动作用下涉水滑坡总量逐年递增 因此开展十堰地区软弱变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理分析十分必要目前国内外学者针对软弱变质岩水理力学性质有许多可借鉴的研究成果他们通过对不同含水状态下变质岩耐崩解性、吸水性与软化性系统研究了软弱变质岩的水理特性 如李志刚等 通过试验测定软弱变质岩的膨胀性、耐崩解性、吸水性与软化性研究变质岩的水理特性及其风化机理和强度劣化规律叶宏林开展了鄂西北云母石英片岩干湿循环作用下物理、力学性质劣化试验分析岩石物理、力学性能的劣化规律 同时学者们通过单轴压缩试验、点荷载强度试验、三轴抗压强度试验、巴西劈
5、裂试验系统研究了软弱变质岩的力学性质 如刘胜利等开展了武当群绿泥石片岩长方体试样的单轴压缩和圆盘试样的间接拉伸试验探讨了试样各向异性的力学特征和在不同受力状态下的变形破裂特性以及在不同变形破裂方式下的力学机制 .通过单轴压缩和巴西劈裂试验研究了片麻岩和片岩变形破坏及强度的各向异性特征 由于十堰地区软弱变质岩形成与演化过程的多期性和结构的复杂性造成岩石成分复杂片理、板理面发育各向异性特征十分显著且取样、加工试件都存在较大困难导致其水理力学特性还不能完全掌握本文以十堰地区软弱变质岩为研究对象通过吸水性、耐崩解性、单轴压缩试验及直剪试验分析其水理、力学性质及其滑坡致灾机理揭示该地区软弱变质岩工程特性
6、及其与滑坡的成生关系以期为十堰地区以及中国类似变质岩地区的防灾减灾工作提供有益参考 研究区概况.地质背景条件十堰市位于湖北省西北部地处秦巴山区腹地、汉水中上游 区内地形地貌从北到南依次为秦岭山区汉江河谷低丘地区中部武当山区山间盆地区大巴山区地形陡峻高差变化大新构造活动较强烈根据岩土体工程地质类型的划分区内变质岩工程地质岩组可划分为较软弱薄片状片岩工程地质岩组()、较坚硬薄板状板岩与较软弱千枚岩互层工程地质岩组()、较坚硬薄板状板岩夹坚硬薄板状硅质岩工程地质岩组()、较软弱薄片状片岩与较坚硬块状粒岩互层工程地质岩组()类区内非变质岩工程地质岩组可划分为第四系松散软土体类()极软弱厚层块状半胶结砾
7、岩、泥岩、黏土岩工程地质岩组()较坚硬薄层状页岩、黏土岩工程地质岩组()坚硬薄厚层状岩溶较发育灰岩、白云岩夹软弱页岩工程地质岩组()坚硬薄厚层状岩溶较发育灰岩、硅质岩夹较坚硬板岩工程地质岩组()坚硬块状岩浆岩类()类(图)受区域地形条件影响及高差的不同十堰市降雨集中、雨量充沛、暴雨频发在软弱变质岩区常发生滑坡灾害 基于此本次研究的主要软弱变质岩类别包括板岩、千枚岩和片岩图 十堰市工程地质岩组分区图 .变质岩滑坡发育特征十堰市软弱变质岩滑坡约占滑坡总数的.从物质组成上来看其主要为土质滑坡从滑体厚度上来看多数为浅层滑坡从运动形式上来看主要为牵引式和推移式滑坡从形态上来看主要发育的平面形态为舌形、半
8、圆形和不规则形剖面形态为凸形、直线形和阶梯形从规模上来看软弱变质岩区主要发育中小型滑坡 在时间上滑坡分布具有较强的规律性由于受降雨影响非常大所以一年内滑坡主要集中在 月份年际滑坡表现为与暴雨同期在空间上滑坡主要分布在软弱炭质板岩、绢云母石英片岩、绢云石英千枚岩等且沿河流呈明显条带状分布及断裂构造带中各分断层的两侧分布 受降雨、库水等因素影响软弱变质岩水理及力学性质变化较大因此软弱变质岩区极易诱发滑坡资源环境与工程 年 研究方法.水理试验.吸水性试验为了解软弱变质岩的吸水性本文开展了天然条件下片岩、板岩的吸水性试验 按照工程岩体试验方法标准(/)将岩样分别加工成尺寸为 的浑圆状岩块其中片岩 块、
9、板岩 块试验步骤如下:()将岩样置于烘箱内在 温度下烘 再取出放入干燥器内冷却至室温后称量()采用自由浸水法将岩样放入水槽先注入洁净水至试件高度的/处以后每隔 分别注水至试件高度的/和/处 后全部浸没试件再每隔 将试件取出沾去表面水分后分别称量()岩石饱和吸水率在岩石吸水率测定后进行采用煮沸法强制饱和后测定煮沸时间为 将煮沸的试件放置在原容器中冷却至室温后取出并沾去表面水分后称量岩石吸水率计算公式如下:()/()()/()()/()式中:为天然含水率()为自然吸水率()为饱和吸水率()为试件天然状态下的质量()为试件自然吸水后的质量()为试件烘干后的质量()为试件强制饱和后的质量().耐崩解性
10、试验为获取干湿循环条件下片岩崩解的变化规律本文根 据 工 程 岩 体 试 验 方 法 标 准(/)开展了片岩室内静态循环崩解试验结合十堰地区气候条件将干湿循环次数设置为 次 试验步骤如下:()将从现场取回来的变质岩取 块 具有代表性的岩块进行试样描述记录后在 的温度下烘 再取出放入干燥器内冷却至室温后称量()将变质岩试样放入水槽中沿容器壁缓慢注入清水直至淹没岩样 观察并记录试样崩解情况()将残留试样(粒径 )在的温度下烘 冷却至室温对崩解物描述记录后称重()重复步骤 进行循环崩解试验每组试样干湿循环 次每一次烘干浸水循环后取粒径 的崩解物做下一次循环试验观察并记录试样崩解现象与过程图 烘干吸水
11、处理试样示意图(据参考文献修改)耐崩解性指数按下式求解:()式中:为试样循环耐崩解性指数()为原试样烘干质量()为残留试样烘干质量().力学试验本次力学试验包括单轴压缩试验和直剪试验根据工程岩体试验方法标准(/)单轴压缩试验圆柱体试件直径约为 高度约为共 组直剪试验正方体试件直径约为 高度约为 共 组 具体试验内容如下:()变质岩岩体受到与层理面夹角不同的荷载时会产生不同的破坏模式以层理角为控制变量在天然状态下进行层理角为、的单轴压缩试验和直剪试验获取变质岩试样单轴抗压强度、内摩擦角和黏聚力与层理角之间的关系()变质岩具有浸水软化效应因此本文选取层理角为的变质岩试样以浸水时间为控制变量开展天然
12、状态下浸水时间为、的直剪试验获取其内摩擦角和黏聚力随浸水时间的变化规律 变质岩水理及力学特性试验结果.软弱变质岩水理性质.吸水率随时间变化的特征从变质岩吸水率变化数据(图)可以看出在自然浸水条件下片岩(、)、板岩(、)的自然吸水率在 之后即趋于最大值 其中片岩的自然吸水率在 板岩的自然吸水率在 两者吸水率均较大并且随着浸水时间的延长片岩和板岩的自然吸水率无限接近于饱和吸水率.遇水耐崩解性能选取片岩()进行室内静态循环崩解试验以此分析水岩作用对片岩结构的影响第 期梅红专等:鄂西北软弱变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理分析图 片岩、板岩自然吸水率随时间变化图 .试样形态变化特征片岩在经过 次循环崩
13、解过程中岩块主体剥离崩解其崩解物呈块状、片状和颗粒状 随着循环次数的增加试样棱角逐渐磨圆崩解物的粒径总体上呈减小趋势 经历多次不同循环后的片岩()崩解过程形态见图 片岩崩解模式见图 图 片岩()初始形态及残留块体形态变化图 .试验结果分析()崩解循环次数对残余崩解物质量的影响 由残余崩解物质量与循环次数关系曲线(图)可知岩石崩解均是由外向内崩解且裂隙呈不断扩张的过程片岩试样每次干湿循环后残余崩解物质量变化较小试样质量损失较小图 片岩崩解模式示意图(据参考文献修改)图 残余崩解物质量与循环次数关系曲线图 ()崩解循环次数对耐崩解性指数的影响 片岩耐崩解性指数与循环次数关系曲线见图 图 耐崩解性指
14、数与循环次数关系曲线图 资源环境与工程 年 经过 次循环崩解后片岩的耐崩解性指数随循环次数的增加而降低并且耐崩解性指数与循环次数之间呈线性关系其表达式为 (式中:和 为系数 为循环次数).软弱变质岩力学性质.单轴抗压强度随层理方向变化特征对 组软弱变质岩试样进行单轴压缩试验以层理角为控制因子研究在不同层理角条件下软弱变质岩的单轴抗压强度的变化规律根据图 可得随着片理面角度的增大单轴抗压强度呈现先减小后增大的“”型分布 当片理面角度 或 时试样的单轴抗压强度值较大且 时试样的单轴抗压强度值最大达.当 时试样的单轴抗压强度值最小为.根据岩石坚硬程度分类表(表)十堰地区千枚岩为极软岩较软岩板岩为较软
15、岩较硬岩片岩为极软岩较软岩.抗剪强度随层理方向变化特征通过对 组片岩试样进行直剪试验以层理角为控图 软弱变质岩单轴抗压强度与片理面角度的关系 表 岩石坚硬程度分类表 饱和单轴抗压强度/坚硬程度坚硬岩 较硬岩 较软岩 软岩极软岩制因子法向应力设置为、研究在天然状态下不同层理角片岩抗剪强度的变化规律()剪应力与剪切位移关系曲线图(图)由图 可知片岩的剪切破坏表现出明显的脆性特征 当法向应力为 时片岩的剪应力与剪切位移关系曲线可以分为 个阶段:初期压密阶段剪应力迅速增加阶段剪应力峰值跌落阶段 当法向应力相同且 时片岩的峰值剪应力最大(图)当法向应力相同且 或 时片岩的峰值剪应力相差不大(图)()片岩
16、抗剪强度参数计算结果 岩石的抗剪强度参数可以用黏聚力()和内摩擦角()表示通过摩尔库伦公式进行拟合 如图 所示片理面角度()对片岩抗剪强度具有显著影响当 时试样的黏聚力值最大当 时试样的黏聚力值最小当 时试样的黏聚力值与 的黏聚力值相差不大且远小于 的黏聚力值 当 时试样的内摩擦角最大当 或 时试样的内摩擦角接近产生这种现象的主要原因是当层理方向与剪应力方向相同时剪切裂纹主要沿节理面萌生、扩展试样基本沿层理发生剪切破坏 当 时试样剪切断面与片理面有一定的夹角在相同的法向应力作用下试样从节理面处发生断裂所需的剪应力大于 时的剪应力当 时试样剪切断面与层理面方向垂直岩石基质强度高于片理面强度试样在
17、该片理面角度下黏聚力相对较高图 不同片理面角度剪应力与剪切位移关系曲线图(法向应力为 )第 期梅红专等:鄂西北软弱变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理分析图 天然状态下片岩抗剪强度参数与片理面角度关系图 ()片岩剪切破坏机制 如图 所示为不同片理面角度片岩剪切破坏面形态这种形态可分为 种:当 时试样破坏模式主要为沿层理面发生剪切破坏剪切面上有明显擦痕从剪切破坏面上可以观察到片理面上分布的丝绢光泽云母当 时试样破坏模式主要为沿片理面张拉破坏与沿剪切面剪切破坏的复合破坏剪切面局部片理面开裂当 时试样破坏模式首先沿片理面发生张拉裂纹当张拉裂纹沿层理面贯通后剪切裂纹在剪应力作用下继续沿剪切面扩展发生张拉
18、破坏 由此可知片岩的片状构造是其产生剪切破坏机制各向异性的根源且片岩抗剪强度的各向异性特征是由其剪切破坏机制的各向异性控制.抗剪强度随含水率变化特征取层理角 的试样按照浸水时间分为 组每组试样数量为 块共 块法向应力同样设置为、由图 可知浸水时间对片岩的黏聚力及内摩擦图 不同片理面角度片岩试样破坏照片 图 时片岩试样抗剪强度参数与浸水时间关系图 资源环境与工程 年 角影响规律基本一致在浸水时间不长()的情况下抗剪强度参数随浸水时间的增加其值降低幅度较大在浸水时间较长()的情况下抗剪强度参数随浸水时间的增加其值降低幅度逐渐减小 因此可以判断当片岩达到饱和状态时片岩抗剪强度参数会趋于稳定 讨论.变
19、质岩水理力学特性与滑坡的成生关系.变质岩遇水耐崩解特征及其与滑坡的成生关系分析片岩耐崩解性试验可知在第 次干湿循环时试样仅沿着片理面剥离崩解岩体内部破坏程度有限多次干湿循环后片岩的崩解破碎会随着时间逐渐积累直至试样表面脱落发生崩解破坏由此可见干湿循环对片岩崩解特性的影响十分显著 而在自然条件下由于昼夜温差、年际气温变化雨阳交替、河流及水库水位升降岩体逐渐产生一些不可恢复的细微裂隙 当季节突变、温差变化较大时细微裂隙逐步发展时机成熟时形成剥离基岩的岩石为滑坡灾害提供了大量的物质成分.变质岩遇水力学强度衰减特征及其与滑坡的成生关系 根据片岩抗剪强度随含水率变化特征发现随着含水率的增大片岩的内摩擦角
20、和黏聚力均减小受水的影响变质岩表现出较明显的软化效应 由此可推断受到研究区内自然地理条件的影响在构造及风化作用下变质岩边坡松散破碎、节理裂隙发育、透水性能强 产生这种情况的原因为:一方面水进入岩石内部后黏土矿物(片岩中黏土矿物主要包括伊利石、高岭石伊利石含量约 高岭石含量约)吸水后发生膨胀(图)矿物颗粒结构产生变化岩石内部某些可溶矿物软化溶解最终从岩石内部流失导致颗粒间摩擦强度减弱在孔隙水润滑作用下颗粒相互之间发生错动位移的阻力减小连接力减弱致使黏聚力降低(图)另一方面水通过较大的裂隙侵入岩石内部导致初始裂隙的联通和扩展产生新的裂隙(图)在构造、风化和水的软化作用下岩体力学强度呈现持续衰减趋势
21、并随着岩体力学强度的不断降低不足以维持斜坡整体稳定性在陡倾临空条件下斜坡发生失稳破坏 因此软弱变质岩区岩质滑坡多发的主要原因为:变质岩边坡岩体力学强度低且遇水易软化、风化稳定性较差在人类工程活动及降雨的诱发下易发生失稳破坏.变质岩片理、板理面发育特征与滑坡的成生关系变质岩片理、板理面对于滑坡变形破坏模式的影响主要是通过片理、板理面与坡向的组合关系控制以及片理、板理面与其它节理裂隙的组合特征体现 十堰地区软弱变质岩光滑的片理、板理面为斜坡体滑动破坏提供了天然良好的滑面在顺向或斜顺向边坡中当片理、板理面临空上部岩体失去支撑时在降雨的诱发下易顺层面、片理面、强弱风化接触面及基覆界面等形成潜在的滑动面
22、或滑带成为滑坡的主控因素.变质岩滑坡变形破坏机制分析.岩土体强度致灾效应十堰地区变质岩中高岭石、绿泥石、伊利石等黏土矿物溶解、水解或离子交换后会使岩土体发生软化并且在颗粒间孔隙水润滑作用下连接力减弱 当含水率增加时一方面矿物内部结构在水的浸润下孔隙增大颗粒之间接触面减小另一方面土体中结合水膜厚度增加颗粒间距离增大吸引力减弱综合影响岩土体的黏聚力 同时雨水入渗又致使岩土体的孔隙压力增加、有效应力减小坡体后缘水平位移加大 可以看出坡体中出现一定的膨胀这主要是由于降雨导致滑坡体饱和度增大而基质吸力有所降低的同时有效应力减小从而出现卸荷回弹现象、局部应力集中效应而造成滑坡的发生图 黏土矿物吸附水膜示意
23、图 第 期梅红专等:鄂西北软弱变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理分析图 变质岩遇水软化机理图 图 滑坡变形破坏机制(据参考文献修改).滑体内潜水致灾效应十堰地区软弱变质岩滑坡表层滑体为第四系粉质黏土夹碎石土具有松散堆积结构及很强的渗透性变形模量很小地表裂缝的发育有利于地表水快速入渗降雨在堆积层中能快速入渗补给潜水潜水同时通过前缘通道进行排泄形成潜水管网渗流系统降雨入渗持续进行时地下水在排泄的同时会带走粉质黏土造成前缘岩土体骨架变形进而发生滑塌资源环境与工程 年 或者由于人为堵塞前缘排泄通道等状况时降雨入渗补给量远远大于地下水排泄量原来稳定的地下水管网渗流系统平衡会被打破这时由于潜水位的迅速上升
24、造成坡体的水文地质条件发生改变增大岩土体的饱水面积增加滑体自重同时降低滑面上岩土体的物理力学参数孔隙水压力上升造成岩土体有效应力降低最终导致坡体稳定性系数下降至.以下从而发生变形破坏甚至发生滑坡灾害.滑体内承压水致灾效应承压水对边坡的作用与潜水类似可通过滑面附近的孔压来反映 而相比潜水承压水的变化更为复杂在同一时刻、不同渗透条件下承压水作用在滑面附近的孔压(在时空维度上的)具体分布情况较为复杂是与时间和位置相关的变量 赋存于滑床残坡积物中的孔隙承压水在上部相对弱透水残坡积层的覆盖及下部弱透水片岩阻隔下对上部滑体施加浮托力不利于滑塌体的稳定性 承压水对边坡稳定性的影响并不是随着降雨的开始而即刻发
25、生的 渗透层从后缘补给水分边坡体积含水量增大、孔压增大进而对隔水层以上坡体产生力的作用这种力学作用需要一定时间才能达到一个稳定状态因此边坡体积含水量相对于坡体充水有一定的滞后性 结论()利用变质岩水理试验可知变质岩饱和吸水率大于自然吸水率浸水 内其吸水率即可达到饱和吸水率的 左右吸水性较强且片岩耐崩解性指数随干湿循环次数的增加而降低()根据单轴压缩试验结果表明变质岩的抗压强度随层理角的变化而改变并随着法向应力与片理面之间夹角 的增大呈现出两边高、中间低的变化规律 本次试验中试样的单轴抗压强度最大值出现在 时最小值出现在 时 根据直剪试验结果显示片理面角度 时试样的黏聚力最大 时试样的内摩擦角最
26、大抗剪强度参数随着浸水时间的延长而逐渐减小直至趋于稳定()从岩土体、潜水、承压水致灾效应 个角度分析了软弱变质岩滑坡变形破坏机制:水与岩土体相互作用导致岩土体强度降低从而导致滑坡的发生潜水位的迅速上升造成坡体的水文地质条件发生改变增大了岩土体的饱水面积增加了滑体自重同时降低了滑面上岩土体的物理力学参数从而导致坡体发生变形破坏赋存于滑床残坡积物中的孔隙承压水在上部相对弱透水残坡积层的覆盖及下部弱透水片岩的阻隔下对上部滑体施加浮托力降低了滑塌体的稳定性 变质岩滑坡变形破坏机制均遵循有效应力的原理参考文献:熊炜.秦巴山区软弱变质岩浅表层滑坡成因机理研究.西安:长安大学.冒海军.板岩水理特性试验研究与
27、理论分析.武汉:中国科学院大学(中国科学院武汉岩土力学研究所).张海明.板岩环境影响特性试验研究与数值模拟分析.湘潭:湘潭大学.李志刚.堵河流域变质岩工程特性与地质灾害成生关系研究.武汉:中国地质大学(武汉).李志刚徐光黎黄鹏等.粉砂质板岩力学特性及各向异性特性.岩土力学():.叶宏林.干湿循环作用下云母石英片岩劣化规律研究.扬州:扬州大学.():.王章琼晏鄂川黄祥嘉等.鄂西北片岩变形参数各向异性及水敏性研究.岩石力学与工程学报():.():.邵勇左冬立徐光黎等.十堰邓坪滑坡变质岩工程特性研究.资源环境与工程():.郑达巨能攀.某水电站坝址千枚岩的岩石强度各向异性特征.成都理工大学学报(自然科
28、学版)():.魏心声.秦巴山区云母石英片岩蠕变力学特性研究.西安:长安大学.赵建军解明礼李涛等.饱水条件下千枚岩软化效应试验分析.工程地质学报():.():.刘胜利陈善雄余飞等.绿泥石片岩各向异性特性研究.岩土力学():.():.中国电力企业联合会.工程岩体试验方法标准:/.北京:中国计划出版社.李志刚叶宏林刘伟等.干湿循环作用下云母石英片岩抗压性能劣化规律及机理/.地质科技通报:().:/././.芦涌峰侯克鹏孙华芬等.不同种类片岩耐崩解特性试验研究.中国安全生产科学技术():.支墨墨.降雨诱发大型滑坡变形破坏机理研究:以下山村滑坡为例.杭州:浙江大学.(下转第 页)第 期梅红专等:鄂西北软弱变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理分析 :(.):.:(上接第 页)(.():.“”.:资源环境与工程 年
