浅表层滑坡与秦巴山区软弱变质岩斜坡变形破坏模式研究.docx

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浅表层滑坡与秦巴山区软弱变质岩斜坡变形破坏模式研究摘要：秦巴山区地处中国中部，该区地质构造及岩性条件复杂，加之气候条件的特殊性使其成为全国地质灾害高发地之一。在多种地质灾害中又以浅表层滑坡为主,该类滑坡的诱发因素主要是降雨和人为因素，因此了解降雨诱发浅表层滑坡的破坏特征以及雨水入渗对坡体稳定性的影响对浅表层滑坡形成机理研究有着重要的作用。针对研究区常见的浅表层碎石土滑坡，为研究降雨诱发浅表层滑坡的破坏特征及雨水入渗对滑坡的形成机理，采用人工降雨模型试验的方法对其进行研究，论文共开展三组试验，控制雨强分别为50mm/h,50mm/h,30mm/h并维持该雨强直至坡体模型破坏完全，进而得到该雨强下滑坡破坏特征及雨水入渗规律，分析降雨条件下浅表层碎石类土滑坡渗流场、位移场、应力场的变化情况，揭示滑坡变形破坏机理和观察滑坡向泥石流转化过程特征。本次降雨模型试验的开展为降雨诱发滑坡机理提供科学依据，同时也可以为降雨诱发滑坡的防治提供理论基础。在完成资料搜集、模型槽设计搭建之后共进行了三次降雨模型试验，并取得以下成果：1、设计一套秦巴山区浅表层碎石土滑坡试验模型，充分体现了秦巴山区内碎石土滑坡的特性；2、通过降雨试验及野外调查结果认为大部分浅表层碎石土滑坡在强降雨条件下滑坡的破坏模式并不是常见的整体破坏模式，而是渐进式的流土破坏;3、在强雨强条件下，滑坡是逐渐向泥石流转化的，在流土现象发生的同时表现出泥石流特征；4、在低雨强条件下，浅表层碎石土坡的饱和度相对较小，孔隙中的空气阻力会影响雨水向坡体内部的渗流。相反，在强雨强条件下，雨水沿坡向发生渗流，使坡体内孔隙水压力增大，滑面抗剪强度降低，易引发坡体失稳破坏。关键词：地质灾害、浅表层滑坡、成因机理、地质灾害调查、物理力学试验、变质岩、土石混合体图2.2紫阳县地貌图(1)高中山区：面积约H4km2,占全县总面积5.17%o主要为东南部一带，海拔1800-2522m,切割深度600-1200m,坡度35。一50。，多为悬崖、尖峭险峰及狭窄沟谷。(2)中山区：面积约1261km2,占全县总面积57.22%O主要为西部的高滩一潦原和中南部的双桥一界岭地区，海拔1000-1800m,流水深切，切割深度600-1000m,河谷断面多呈“V”型，以谷狭坡陡山峰尖峭为特点。该区是主要的人口居住区，耕种、建房等人类活动频繁，造成软变质岩区地质灾害频发，属灾害高发区和重灾区。(3)低山区：面积约825km2,占全县总面积37.43%。主要为汉江、任河及其各支流两岸地区，海拔500-1000m,且大部分在800m以下，山势低缓，残坡积覆盖层较厚，切割深度一般400m左右，坡度大多超过35°,在长历时阴雨或暴雨作用下，浅表层的堆积层易形成滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，属灾害高发区和重灾区。(4)河谷阶地区：面积约4.6km2,占全县总面积0.22%,海拔多在500m以下。由于河流侵蚀作用强烈，仅在汉江、任河及蒿坪川道谷地两岸局部地段见到残留古阶地，阶地长度大多小于1000m,宽100m左右，覆盖厚度2—21m左右，由于受河水暴涨反复冲蚀和浸泡，常成为堆积层滑坡易发带，在强降雨作用下极易形成岸边小滑坡或岸塌、岸崩。区内中山、高中山区沟谷发育，地形陡峻，高差变化大，为浅表层滑坡的发生提供了必要的动力条件。2.2气象水文1、秦巴山区气象水文特征秦岭山脉作为我国气候上的一条重要分界线，南北气候差异十分显著。秦岭北部1000m以上的中、高山区属暖温带山地气候，年平均气温5.9〜7.8°C,年降水量700〜1000mm,降水量随着地形高度的上升而随之增大，气候垂直分带性特征十分明显。秦岭南部海拔高度在1000m以下的低山丘陵区属北亚热带湿润、半湿润气候。年平均气温11〜14°C,年降水量750〜1000mm。降水量多集中在每年的7〜9月，占全年降水量的50%左右，期间暴雨和连阴雨天气居多。长历时降雨或暴雨、特大暴雨常会引发山洪、滑坡、泥石流等山地自然灾害。秦岭巴山之间的谷地是长江的第一大支流汉江的主要发源地，汉江由西向东流经整个陕南地区，在湖北与丹江汇合,并在武汉汇入长江。向西还有长江第二大支流嘉陵江的东支。2、紫阳县气象水文特征（1）气象特征紫阳位于秦岭南部、大巴山以北，属暖温带半湿润大陆性季风气候区。具有气候温和，雨量充沛，夏无酷暑，冬无严寒的特点。气温空间分布受地形地貌影响较大,各地差异明显，大巴山区和风凰山区气温较低，而任河、汉江河谷及蒿坪川道气温相对较高。区内降水具有明显地域差异性，各地区降雨分布不均，南部大巴山区多于北部凤凰山区。据区内降雨量等值线图可知，西南部山区平均降雨量1175mm,北部山区平均降雨量1025mm o区内降雨与时间关系密切，首先表现在年际降雨量变化大，洪涝灾害时常发生。据2000-2010年降雨统计资料可知，多年平均降雨量1112mm,多年年最大降雨量1466mm（2003年），多年最小降雨量747.4mm（2001年）。其次年内降水分布极不平均，其中夏、秋两季月平均降雨量占全年降雨量90.01%o月平均降雨量最多月份为7—9月，最小月份为12月。多年月平均降雨量4月以后逐月增加，7月份平均降雨量为最高（175.1mm）,8月份以后月平均降雨量逐月减少，12月份月平均降雨量达到最低。图2.3工作区降雨量等值线图(2000—2010年)2.3地质构造1、秦巴山区地质构造特征陕西省境内的秦巴造山带其西与西秦岭、松潘甘孜褶皱带、祁连造山带相连，东接南阳盆地与桐柏一大别造山带西部的随县地区。其南涉及扬子地块北缘的四川盆地的南大巴地区，其北与关中盆地、华北地块南缘的小秦岭地区相邻（如图2.4）o 1—liBS?U纪7-虻：2—T3-K1心包：3—K2-Q断l"l—地：」一H介苗：5—-四冲*1 UWjfz’:SB—商丹MS—S8—华HI增山;I；：N.DBS—北人巴山逆冲雅mt带：SLDBS—由人巴山丽陆■械冲断借:MSG-一仓山―:LMS—肮门山—哦冲断带：’••「II•漫城的：«T<..’•・:⑤黄险：W；："!.图2.4秦巴地区大地构造简图（据任纪舜等，1999b,简化）根据张国伟的总结，秦巴山区现今基本构造单元划分如图2.5所示，秦岭造山带基本构造单元是三个板块（华北、秦岭、扬子）沿两个主缝合带（商丹和勉略带），经早古生代加里东板块俯冲期，于晚海西一印支期碰撞造山完成其最后拼合，之后又经历中新生代强烈陆内造山作用叠加复合，在其主造山期板块构造基础上，形成现今的三个地块八个主要构造带的构造单元。主要包括：I华北地块（原华北板块）南部：I 1秦岭造山带后陆逆冲断裂褶皱带，或称华北地块南缘带，I 2北秦岭厚皮叠瓦逆冲构造带；II秦岭地块：III南秦岭北部晚古生代断陷带，或称南秦岭北部逆冲推覆构造带，112南秦岭南部晚古生代隆升带，或称南秦岭巴山弧形逆冲推覆系；III扬子地块（原扬子板块）北缘：III 1秦岭造山带前陆逆冲断裂褶皱带，III2巴山一大别山南缘巨型推覆前锋逆冲带；SF1商丹断裂系（原商丹板块主缝合带）；SF2勉略断裂系（原勉略板块主缝合带）等。可见，目前对秦巴山区构造带的分带分区主要是通过构造活动形成的断裂、断层划分界图2-5秦巴山区现今基本构造单元划分2.4地层岩性1、秦巴山区地层岩性特征秦岭造山带在中国大陆形成与演化中占有突出的地位，向西与昆仑和祁连造山带相连，向东被炎B庐断裂所截（图2.6）,东西向延伸约2000kmo同时，这里也是世界上著名的超高压变质带之一，发育含金刚石和柯石英的榴辉岩（Xu等，1992）,西伯利亚构造域、青藏一喜马拉雅构造域和西太平洋构造域动力体系在此交会、复合、叠加，成为研究中国大陆乃至东亚大陆中部巨型复杂构造带的重要地段。秦岭造山带经历了长期发展和演化，具有复杂的组成和结构，是一个独具特色的典型的复合型大陆造山带（张国伟等，2001）□106*108*1W 112*114*IMP g 77771您品«MtL中南爬华北矛厂I古生爪切刁na«-盆底■■*块*崔....-器石<1舍I中生界X.，二M at生界源膈仑通山牝Q•浙布还山卅：SOO-Trilli<!）：T-All lift山带：Y-^iliiih!|：：山借.闷阉中的败字♦示角山*相和0枪宕梢靖蹦果蝮：①令约IT；②再的罪；—岭群:④小—：⑤力坪部..「块中的龄代赛♦片岩相皿低角山岩相过遂m炭;1•宽绊畔；»*Mih»武*3：4-局西S-WlliT.SS-iftjPJSlfKI?：MS•蛔■E：MX马—能:LMSderi山■山傍图2.6秦巴地区地质略图（据Meng&Zhang,2000）从总体上看，秦巴山区主构造线的展布方向，由北部汾渭地堑近W向，逐步转为中部秦岭构造带的NWW向，再变为大巴山一带NNW向的弧.形构造带，造成地层分布显示出自NW向S时代由老到新的特点。由于各个构造带形成的时代和其内部矿物成分的不同，后期所受的构造应力也不尽相同，使整个秦巴山区地层岩性存在较大差异，按照构造带对其简述如下：①华北地块南部（I）：北部秦岭造山带后陆逆冲断裂褶皱带（I 1）主要由中上元古界宽坪群的云母石英片岩、绿泥石、片岩、大理岩及部分黑云斜长片麻岩、变粒岩构成；南部北秦岭厚皮叠瓦逆冲构造带（I 2）主要为下元古界秦岭群的混合片麻岩、片麻岩、变粒岩、片岩、大理岩等。②南秦岭北部逆冲推覆构造带（III）：带内主要分布着中泥盆统砂岩、粉砂岩、板岩、泥灰岩等，华力西期石英闪长岩和印支期二长花岗岩、花岗闪长岩、石英二长岩侵入其中。③南秦岭南部构造带（112）：以月河断裂带为界，可分为两个亚带，北亚带地层主要出露寒武一奥陶系的灰岩、泥灰岩、白云质灰岩及板岩、千枚岩；下志留统的云母石英片岩、碳质板岩、石英岩、大理岩；中泥盆统的泥灰岩、灰岩、砂岩、千枚岩；局部发育震旦系和中上志留统。南亚带主要出露中元古界鄢西群、上元古界耀岭河群及上震旦统的板岩、凝灰岩、凝灰质千枚岩、凝灰质砾岩、火山角砾岩及熔岩；寒武一奥陶系的灰岩、泥灰岩、板岩；下志留统的石英砂岩、砂岩、板岩等，并伴有呈脉状侵入的加里东期辉长岩、辉绿岩、辉绿玲岩和以岩体形式侵入的石英闪长岩。④秦岭造山带前陆逆冲断裂褶皱带（III1）:主要出露震旦统的粗砂岩、砾岩、页岩、硅质灰岩、白云质灰岩等；寒武一奥陶系主要为一套灰岩、泥灰岩、白云岩、白云质灰岩夹粉砂岩、页岩的岩性组合；中下志留统为泥岩，砂质页岩夹灰岩；石炭系分布面积小，主要为厚层灰岩夹砂岩、泥岩；二叠统主体为灰岩、泥晶灰岩，夹煤层；三叠系和侏罗系分布广泛。2、紫阳县地层岩性特征紫阳地区地层岩性基本都位于南秦岭南部构造带（112）中的南亚带，即南秦岭—大别地层区，更进一步还可划分为高滩一兵房街地层小区和北部紫阳一平利区属南秦岭地层小区，仅西南小部分出露为扬子地层区震旦系地层。区内主要出露震旦系-志留系地层，特别是与浅表层滑坡相关的寒武、奥陶、志留系变质岩地层更是广泛出露，而泥盆系-侏罗系出露极少或未见出露，且多集中于西南巴山弧形断裂处。岩层分布形式与构造分区一致，为NW向。现就本区主要出露地层由老到新（由南向北）分述如下①震旦系（Z）西南部分布于紫黄和麻柳坝一带，主要属扬子地层区，地层呈北西一南东向展布，出露宽度约6kmo主要包括陡山沱组（Zld）紫红色条带状页岩、灰质岩页；灯影组（Z2《ld）硅质灰岩为主，夹白云质灰岩。在南秦岭-大别地层区，岩性主要为鲁家坪组下段炭质板岩、泥质粉晶灰岩。②寒武系（E）中部主要分布于高滩一铁佛寺一松树粱以南地区，出露宽度约12km左右。岩性为鲁家坪组（仁11）黑色板岩为主的碎屑岩，夹黑色薄层硅质岩和少量灰岩、粉砂岩；箭竹坝组（Elj）薄层灰岩夹泥灰岩；毛坝关组（G2m）灰-深灰中厚层泥灰岩夹石灰岩；八卦庙组（E2b）薄层灰岩夹泥灰岩；黑水河组（&3h）薄层灰岩夹钙板岩。2.5地下水1、秦巴山区地下水特征秦巴山区具有明显的山区水文地质特征，地下水主要由大气降水垂直入渗形成,其运移和赋存形式，表层多为松散堆积物孔隙水，深层为基岩裂隙水。由于区内植被发育，降水丰沛，补给充分，地下水自脊岭向沟谷运移具有径流速度快、强度高等特点，并在沟谷处常常以泉的形式排泄至地表，亦有部分地下水通过裂隙向深层补给。因补给源主要为降水，故地下水动态变化随气候变化极大，雨季补给量增加，区域水位上升，泉水流量大，枯水季节补给量减少，区域水位下降，泉水流量相应减少，甚至干涸。2、紫阳县地下水特征紫阳县作为秦巴山区典型地段，属暖温带气候，丰富的降雨量为地下水提供补给来源。多年平均降雨量1101.0mm是地下水土要补给来源。区内拥有大、小104条河流是地下水主要排泄场所。按地下水贮水地质条件，区内地下水划分为以下类型:(1)基岩裂隙水在区内主要分布在红椿坝断裂以南，粉砂岩含水量较高，加之构造断裂发育，泉水流量0.1—0.2L/s,凤凰山一带泉水流量0.01—0.03L/So(2)碳酸盐岩夹碎屑岩裂隙水在区内主要分布于西部山区，其水量为中等，暗河流量130L/S左右。(3)松散岩类孔隙水主要分布于低山沟谷区，河流宽谷地段。含水层为第四系冲积、洪积砂砾石层,含水层厚十余米。松散物堆积地区在连阴雨、暴雨集中的7—9月土体易饱和，载荷增加，抗剪强度降低，从而诱发滑坡、泥石流等地质灾害，该类地下水与浅表层滑坡的发育关系极为密切。2.6小结本章通过野外实地调查并结合大量基础地质资料，从整个秦巴山区入手分析了典型研究区紫阳县的浅表层滑坡孕灾环境，得出以下结论：(1)研究区地处秦巴山区中山区，区内中山、高中山区沟谷发育，地形陡峻，高差变化大，为浅表层滑坡的发生提供了必要的动力条件。(2)区内连阴雨、暴雨的降雨形式极为常见，且相伴产生，是区内形成浅表层滑坡的主要诱发因素之一。(3)研究区从大地构造上看属南秦岭北部逆冲推覆构造带，以推覆断层为界呈现为强弱、疏密相间的反复变化。区内受一级大巴山断裂的控制，发育了次一级红椿断裂，及多条一般性断裂，造成山石破碎，对浅表层滑坡的发育起到促进作用。(4)研究区地层岩性大部分属于南秦岭一大别地层区，还可划分为高滩一兵房街地层小区和北部紫阳一平利区属南秦岭地层小区，仅西南小部为扬子地层沉积区。地层以寒武系至志留系出露较广泛，其分布形式与构造分区一致，为NW向，区内大量存在的岩浆岩也是造成岩体破碎、易风化的原因。（5）区内地下水主要为基岩裂隙水、碳酸盐岩夹碎屑岩裂隙水、松散岩类孔隙水。（6）新构造活动较强烈，主要活动断裂包括汉王城断裂、红椿坝断裂、麻柳断裂。紫阳县全县范围的地震动峰值加速度为0.05g,其特征周期则分为0.35s和0.40s两区。（7）按岩石强度、结构类型可将岩体划分为：坚硬块状侵入岩类、坚硬中厚一厚层状碳酸岩类、较坚硬薄层状浅变质岩类、松散粘性碎石土类，其中松散粘性碎石土与区内浅表层滑坡关系最为密切。第三章浅表层滑坡发育规律及类型划分3.1浅表层滑坡的时空分布规律紫阳县位于秦巴山区深处，具有极其复杂的地质条件和气候条件，使得区内浅表层滑坡表现出明显的时间和空间分布规律。1、浅表层滑坡的时间分布规律浅表层滑坡表现出强烈的时间分布不均匀性，且与雨季同步性，其规律表现为:①从图3.1看到，调查的滑坡多发生在2010年“7.18”和2000年“7.13”,尤其是2010年，滑坡个数达621个，占全部调查滑坡的80%,而根据前文中的气象水文资料，2010年“7.18”全区普降暴雨，降雨量为175.1mm,达10年之最。其次为2000年6月2日，降雨量为109mm,而在“7.13”再次发生暴雨，导致当年发生大量滑坡。由此可见，气候条件（主要是降雨）是引发区内浅表层滑坡的重要致滑因素。②据气象资料，在2000年与2011年之间还发生三次暴雨，分别是2001年7月29 H,降雨量达105.8mm；2003年8月30日，降雨量达126.4mm,以及2011年9月再次普降暴雨。而这三年滑坡数量增加并不多（如图3.1）,主要是因为浅表层滑坡的滑体主要为残坡积物，一次滑动后坡面的可滑物质大量减少，必须有足够的时间进行再次风化堆积，所以在秦巴山区一次大规模滑坡爆发后，往往会经历多年的平静期，而这个平静期粗略估计为十年左右（人为活动可能缩短爆发周期）。150年照图3.1滑坡年际分布图2、浅表层滑坡的空间分布规律通过紫阳县全县地质灾害调查结果，得到地质灾害易发程度分区图（如图3.2）,结合前文中的地质环境条件，可以得到以下浅表层滑坡的空间分布规律。图3.2紫阳县地质灾害易发程度分区图从图3.2可以看到紫阳县地质灾害的分布规律，由于浅表层滑坡是区内主要的灾害，所以分布规律与其一致，其中颜色由深到浅分别表示地质灾害已发程度由高到低,结合前一章中的地质环境条件对每个区域进行分区说明。第一章绪论4 1.1选题背景及研究意义4 1.2国内外研究现状5 1.2.1层状斜坡变形破坏模式研究现状5 1.2.2层状斜坡变形破坏机理研究现状6 1.3小结7第二章研究区地质灾害的孕灾背景8 2.1地形地貌8 2.1.1秦巴山区地形地貌特征8 2.2气象水文10 2.3地质构造12 2.4地层岩性14 2.5地下水16 2.6小结17第三章浅表层滑坡发育规律及类型划分18 3.1浅表层滑坡的时空分布规律18 3.2浅表层滑坡的发展演化规律20 3.3小结22第四章滑坡组成物质试验设备研制与试验方法优化22 4.1设备改造的必要性22 4.2试验设备改造22 4.3试验步骤24 4.4试验方法优化25 4.5小结27第五章秦巴山区软弱变质岩变形破坏模式27 5.1滑移-拉裂式28 5.2滑移-弯曲式28 5.3弯曲-拉裂式29 5.4本章小结29①高易发区位于紫阳县的中低山及河谷阶地区，包括汉江、任河的主河道及其主要支流，主要是因为沿河道是乡镇及人口居住相对集中的地方，并且公路、铁路等交通干线都沿河道走势，人为活动强烈是影响区内浅表层滑坡分布的重要因素。易发区还表现出明显的北西走向，且与区内断层、褶皱的构造的发育情况一致。如西南部为秦岭微地块和扬子地块的挤压带，形成麻柳弧形断裂（F1）,中部的次级断裂一红椿断裂（F2）,以及高滩-铁佛断裂（fl）、高桥-斑桃断裂（f2）、蒿坪断裂（f3）、汉王-双安断裂（f4）等四条一般性断裂，其构造活动强烈、岩体破碎，决定了滑坡易发程度的分布规律。3.2浅表层滑坡的发展演化规律秦巴山区滑坡灾害通常以中小规模为主，滑坡厚度多是10米以内的浅表层滑坡,主要是因为秦巴山区的浅变质岩岩性软弱，在长期构造应力作用下，发生变形、破碎，岩体内结构面极为发育，表层岩体在雨水、温度等影响下易发生风化，边坡内、外岩体的风化程度和岩体力学性质也存在较大差异，当风化层不能满足自身稳定性时便发生失稳崩滑，风化一层剥落一层，故一般崩滑规模都不大。通过对紫阳县大量滑坡的调查发现，滑坡多发育于20。〜40。的坡体，总结起来将其发展共分为四个时期：表层卸荷期、加速风化期、风化堆积期、浅表层滑坡发生期（图3.3）o<a）衣层卸有期（b）加速凤化期（c）风化堆枳期（d>滑坡发生期图3.3浅表层滑坡发展演化的各个时期（1）表层卸荷期（如图3.3（a））坡体由于开挖或之前发生滑坡，深层新鲜岩体暴露于地表，岩体在竖向上受到的应力降低，表层岩体卸荷回弹，坡体表面出现张应力，且越靠近坡面，张应力值越大，坡面产生一系列平行于坡面的张裂隙。此时若岩体原生劈理平行于坡面，或在背斜两翼部位，则很容易形成贯通的张裂隙，坡体表面不能达到自稳状态，便出现顺层的滑动，此类滑坡在研究区较为常见，但通常是坡脚受到开挖降低表面岩体稳定性(如图3.4(a))。(2)加速风化期(如图3.3(b))表层岩体产生大量卸荷裂隙后，岩体完整性降低，地表水顺着岩体裂隙渗入，在水、温度、CO2等共同作用下，发生物理风化和化学风化，岩体进一步破碎，且破裂面逐渐向深层扩展，进而水进一步入渗，激发深层的岩石出现破裂面(如图3.4(b))o(3)风化堆积期(如图3.3(c))表层产生的强风化碎石，在重力作用下逐渐向坡脚堆积，使坡脚角度越来越缓,堆积层越堆越厚，而上部则出现后退式剥落，下部处于自然条件下的极限平衡状态。整个坡体处于自行微调平衡状态(如图3.4(c))0(4)浅表层滑坡发生期(如图3.3(d))当出现强降雨、地震、人工活动等外部因素的影响，坡体无法满足自身稳定时,将发生大规模的破坏，其实是第三时期的大规模、突然爆发阶段，对人类危害最为严重(如图3.4(d))o(3>表层网彷(河河仙疏河(b)加速凤化［题A映苗溪H)<c)觇化地枳(城夫触垛么尸沟片)<d)沿坡发生(E坝M染沟图3.4浅表层滑坡形成演化时期3.3小结以现场调查作为主要研究手段，对紫阳县776处浅表层滑坡进行详细调查研究,揭示浅表层滑坡的发育规律，总结滑坡的演化阶段，并将滑坡归类于常用的分类方案以供参考，具体成果如下：（1）滑坡的时间分布具有较强规律性，由于浅表层滑坡受降雨影响非常大，所以滑坡在年内集中在7-9月，年际表现为与暴雨同期。而空间分布与地形地貌、地层岩性、地质构造、人工活动等因素影响具有较强的一致性。（2）浅表层滑坡的整个孕育时期可分为表层卸荷期、加速风化期、风化堆积期和滑坡发生期，而其发生期的演化阶段又可细分为临滑阶段、蠕滑阶段、剧滑阶段、停歇阶段。（3）秦巴山区浅表层滑坡可归纳为剧滑一平推和蠕滑一拉裂两种破坏模式，而滑坡破坏的具体表现形式可分为整体滑出型、后缘坐滑型、前缘牵引型、破碎分离型、带状长舌型、坡面漫流型。第四章滑坡组成物质试验设备研制与试验方法优化4.1设备改造的必要性秦巴山区坡体通常为上软下硬的二元结构。岩体作为基座广泛分布于整个秦巴地区底部，局部由于自然风化剥蚀或人为改造而直接出露于地表。土石混合体覆盖于岩体之上，在区内分布极为广泛，多生成于第四系，主要由岩石的完全风化物组成，根据其成因可分为残积、坡积、滑坡积、冲洪积及耕植土等，土石混合体是区内广泛发育的浅表层滑坡的主要滑体物质。根据本校目前的科研试验条件，可以完成岩石的所有常规力学试验，而土石混合体的力学试验还没有仪器可以完成，而其对于本次研究的重要性是显而易见的。所以,结合导师项目对现有仪器进行改造，以满足土石混合体的相关力学试验研究。4.2试验设备改造通过对研究区浅表层滑坡的调查发现，区内滑坡体不但存在岩质滑坡、更多的为土石混合体滑坡,或滑动面发生于碎石和基岩接触面的滑坡，所以拟针对变质岩岩石、岩体、风化碎石土进行多场耦合的力学试验，而且前的试验仪器很难完全满足试验要求，故本次研究需要在原有的2000kN压力试验机的基础上，改造成多功能岩体力学试验机（如图4.1）,改造为期6个月。试验机在原有压力机的基础上，通过增加剪切装置、水平加载系统、伺服液压系统、电控系统，以实现试验的自动化、可控化、精确化。试验机可针对岩石、岩体、土石混合体等试验材料，进行如下几类试验：①压缩试验；②剪切试验；③压缩’剪切-流变试验。图4.1改造前后试验机照片对试验机各部分的改造及功能详细介绍如下：(1)剪切装置(图4.2(a))本次改造主要是在原有单轴压缩试验机的基础上增加了水平剪切装置，剪切盒尺寸为350mm的立方体，分为上下两个部分，上部固定，下部与水平加载系统连接,底部用滚轮以减少摩擦对试验的影响。剪切盒沿剪切向两侧采用特制合金钢板，其刚度完全满足目前各种岩石的试验要求。剪切盒一侧钢板可更换为钢化玻璃板，这样在侧面不受力或受力较小时可换成透明的钢化玻璃板，以观察整个试样的外形变化，有助于定性认识试样破坏的各个阶段。剪切盒上、下压板采用密闭钢板和带孔钢板两种类型，底部水槽用于集水排水,可实现天然、干燥、饱和、排水、不排水及试验中加水等不同含水量的多种工况试验，模拟实际中的各种降雨条件，以达到多样化的试验结果。(2)加载系统(图4.2(b))试验机竖向沿用原有的2000kN压力系统，最大可还原埋深300m以内岩土体竖向受力，满足浅表层岩土体试验条件，其加载原理是靠底部液压向上推顶整个剪切装置而实现竖向加压的，但其缺少主动回油装置，只能靠剪切盒自重被动将油压回油缸，缺点是这种回油方式相对较慢，且单向加载容易影响控制的精度。侧向新增加WOOkN水平推力系统，采用进油、回油双向阀门控制，可满足双向推拉要求，这样改造后既可以进行压缩试验，又可进行直剪试验。(3)测量系统(图4.2(b))试验中可通过测量系统采集力、位移及变形等参数，竖向力传感器位于上压头,水平力传感器位于下剪切盒与液压的接合处，其测量精度均达到O.OlkNo竖向和水平向位移分别通过两个方向的线位移计测量剪切盒上下和左右的位移量，测量精度为0.01mm。4.3试验步骤一般室内岩土试验的具体工作包括采样、制样、装样、卸样等四个步骤，而实际中针对不同的研究对象，各个步骤的操作方法亦不尽相同。本次研究主要的研究对象为强风化〜全风化变质岩岩石及由变质岩风化形成的残积物和坡积物所组成的土石混合体，考虑到时间限制，岩石试验采用已有试验机进行，而本次改造的仪器主要用于土石混合体试验，由于试验仪器为自行研制改造的，所以需要对其试验步骤进行必要的分析研究，以减少试验方法带来的误差效应。1、采样采样对于性质稳定的土体或者坚硬岩体来说并不是什么费劲的事，但是在明确目的的情况下，采集符合实地条件且具有代表性的试样就需要进行一番思考，尤其是本研究中所用的土石混合体采集起来就应该有所注意。前文已经分析了浅表层滑坡的变形破坏模式，其破坏面主要发育于强风化的残积层和坡积层内，那么取样就要遵循规律，采取符合实际条件的岩土试样。(1)对于坡积物，由于其形成过程是在自然条件下，在重力作用下散落于坡体表面，本身是一种扰动样，所以取样时相对比较简单，但是坡积物质也有一定的分选性和磨圆度，所以取样时不应太靠近坡脚，并且尽可能采取滑动面附近不同位置的土样，这样的试样才最有代表性。(2)面对于残积物，虽然物性和坡积物类似，但其自风化以来未发生相对位置的变化，继承了岩体原有的结构性，本身又比较破碎，而且在调查中也发现，顺向坡才会有清晰的滑床，斜向和反向坡并没有固定的滑面，所以没有必要纠结于残积物的结构性影响，试验时与坡积物一律称为土石混合体试样。2、制样通常从现场采取的土石混合体试样不能直接用于室内剪切试验，一方面因为滑坡造成一定分选性，取样来自不同部位必然导致颗粒级配的不均匀，并且试样中含有部分超径大颗粒，对试验结果产生一定影响；另一方面，直接采回的土石混合体不可避免会散失部分水分，且开挖造成的扰动，也使其与自然条件下的密实度有所区别，则一般试样采回来后都要经过颗粒替换、混合搅拌、含水量配比、试样压密等几项工作的处理。4.4试验方法优化由于本次使用的压剪流变试验机是为了满足该研究要求而专门进行研制及改造的，其仪器性状尚不明确，为了能够制定切实可行的试验方案，首先进行如下探索性试验，研究具体的试验方法和指标，在此基础上制定合理的试验方案。1、剪切次数的影响分析由于土石混合体试验卸样、装样过程费时费力，且根据以往经验，土体在反复剪切试验中，第一次剪切强度达到最大值，之后剪切力常认为是残余强度，其值均小于第一次的剪切强度，并且在三次剪切后，其强度基本稳定（如图4.4）o通常滑坡计算为了保证安全性会取残余强度作为计算值，所以对于土石混合体的抗剪强度也应进行合理的反复剪切试验，得到合适的计算取值。本次研究保持轴向力为100k N,剪切速率为0.5mm/min,通过6次剪切，得到最大剪切力的变化曲线如图4.5所示。图4.4典型土体反复剪试验应力-位移曲线图图4.5剪切力受剪切次数影响的曲线通过多组试验后得到土石混合体的最大剪切力影响曲线，从图上可以看到，土石混合体反复剪切得到的剪切力与土体剪切有所差别，随剪切次数的增加，前三次最大剪切力逐渐增大，在第三次达到最大值，其后又逐渐减小，到第五次之后最大剪切力基本稳定。这是因为试样固结后固体颗粒本身存在一定交错和架空，前两次剪切时,固体颗粒进行定向调整，试样剪切面处的岩土被挤密压实，所以最大剪切力逐渐增大。第三次剪切后，剪切面上的固体颗粒基本全部定向排列或沿剪切面破裂（是否会破裂应根据颗分试验确定），故之后最大剪切力逐渐降低，并在第五次剪切之后基本保持稳定。所以在测试土石混合体剪切强度时，可用残余强度作为强度的计算值，则应取四次反复剪切后的值作为土石混合体的强度，这种试验方法不但可行，而且能提高试验效率，减少不必要的时间浪费。图4.6为其中两组反复剪切试验后的剪切面照片，剪切次数均在6次以上，可以看到大块的石块都平行于剪切方向排列，且剪切面的水平起伏程度在沿剪切方向上具有一致性（即起伏走向与剪切方向平行），形成贯通的剪切面，仔细观察在石块上有细微的沿剪切方向的擦痕。块石在剪切面上下不对称、不成套，说明块石在剪切中以位置调整为主，而出现块石从中切断的可能性较小。图4.6多次剪切后的剪切面2、竖向加压速率的影响分析根据以往土的直剪试验，竖向力是通过秩码一次性加载到试样上，这种加载方式从理论上分析，对试验结果应该会有一定影响，因为剪切盒与试样会产生摩擦，造成试样内部各处不均匀受力，当应力高的地方超过土体强度则产生局部微破坏，影响试验的准确性。与其相比，该试验机可采用一定速率逐渐将竖向力加载于试样上，这种加载方式使试样内部有足够时间进行变形调整，不至于产生突然的应力集中。那么，加载速率对试验有没有影响呢？通过试验发现在加载速率不很大（＜lk N/s）的情况下，即不产生冲击荷载的情况下，竖向加压速率对试验不产生影响，但会影响后续的固结时间，这是因为加压越快，碎石颗粒来不及调整位置，并且孔隙水越来不及排出，造成后面固结阶段的用时相对较长（如表4.l）o表4.1竖向加压速率对试验时间的影响加代时间<mni:。