基于环剪试验的四方碑滑坡滑带土残余强度空间差异性和稳定性分析

杨宇轩，霍志涛，方仕达，柯 超，杨超越，汪 洋

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.中南地质科技创新中心，湖北 武汉 430205；3.中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北 武汉 430074)

滑带土的力学强度参数对滑坡稳定性的影响很大。葛云峰等分别采用正交数值模拟试验和动态反演分析，研究了滑坡滑动面力学参数对滑坡变形特征的影响；Tang等对三峡库区滑坡的活动规律和滑动面渗透性的相关性进行了研究；何晨等对三峡库区黄土坡滑坡滑带土在不同pH值条件下的溶出特征和释放规律进行了研究；何坤等基于现场调查、无人机航测、数值模拟分析等对四川省玄武岩古滑坡复活机制进行了分析，结果表明由于滑带长期受地下水影响，滑带土体强度逐渐削弱，抗剪强度降低，从而诱发了古滑坡复活。

三峡库区水位的年复一年的波动会导致部分古滑坡的复活或引起滑坡间歇性活动。对于间歇活动的复活型古滑坡，一般用滑带土的残余强度来分析滑坡的稳定性。环剪仪因具有剪切面积固定、允许试样沿一个方向连续剪切的特点，常常用于测试滑坡滑带土的残余强度。许多学者利用环剪仪研究了滑坡滑带土的含水率对其残余强度的影响，如Wei等研究了不同风化层花岗岩滑坡滑带土残余强度随含水率的变化特征，结果表明随着滑带土含水率的降低，黏土有显著的软化趋势，但砂土有硬化现象，且在低含水率状态下，含水率变化对滑带土内聚力和内摩擦强度有显著的影响；古鹏翔等通过室内环剪试验研究了边坡滑带土在不同含水率下的蠕变特性，建立了考虑含水率变化的滑带土蠕变本构模型；吴迪等对残积土进行了环剪试验，得到了滑带土含水率与其残余强度指标之间的关系，并证明大变形下残积土具有浸水软化的特性；Zhou等、吴岱諠等、翟栋梁等和Lian等分别对根-土复合材料、金坪子滑坡滑带土、典型黄土和灞桥滑坡滑带土进行了不同含水率下的环剪试验，结果都表明滑带土的残余强度受其含水率的影响较大，但滑带土的残余强度随含水率的变化规律不同。受库水位波动的影响，三峡库区滑坡不同位置处滑带土的含水率不同，滑坡不同位置处滑带土的残余强度也有差异，因此开展不同含水率下滑带土残余强度的研究对于分析三峡库区滑坡稳定性具有重要的意义。

本文基于环剪试验，开展了不同含水率和不同法向应力作用下四方碑滑坡滑带土的残余强度特性分析，并结合滑坡渗流模拟的地下水水位对滑带土残余强度进行分区取值，进而开展了滑坡稳定性计算。该方法考虑了滑带土力学指标在空间上的差异性，对于复活型滑坡滑带土强度参数的选取以及提高滑坡稳定性评价的精度具有重要的意义。

1 四方碑滑坡基本概况和变形特征

图1 四方碑滑坡工程地质平面图Fig.1 Geological map of Sifangbei landslide

图2 四方碑滑坡工程地质剖面图Fig.2 Engineering geological profile of Sifangbei Landslide

根据地表位移监测点监测结果，2019年1月至4月滑坡累计位移曲线表现为近水平状，呈现基本稳定状态；2019年4月至9月滑坡累计位移曲线随时间呈阶跃型上升，9月至11月滑坡累计位移曲线又变为基本稳定状态，见图3。四方碑滑坡滑带土在周期性库水位变动的作用下，含水率发生变化，进而引起滑带土抗剪强度发生变化，滑坡常呈现间歇性活动特点，据此将滑坡活动分为活动期和间歇期。滑坡间歇性活动演化不仅受库水位变化引起的孔隙水压力变化的影响，而且也与滑带土抗剪强度的变化关系密切。

图3 四方碑滑坡累计位移曲线Fig.3 Cumulative displacement curves of Sifangbei landslide

2 四方碑滑坡滑带土残余强度特性分析

2. 1 滑带土基本性质

滑带土试样取自重庆市万州区四方碑滑坡钻孔，测得滑坡后缘和中部的滑带土质量含水率分别为16.0%和20.5%，滑坡前缘的滑带土由于位于地下水水位以下，故取其饱和含水率为24.0%，3种滑带土试样含水率对应的饱和度分别为0.67、0.85和1.00。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)要求，对滑带土试样进行了基本物理力学性质指标的测试，其测试结果见表1。

表1 四方碑滑坡滑带土基本物理力学性质指标

2. 2 滑带土环剪试验方案

环剪试验采用德国Wille Geotechnic公司生产的ARS型全自动闭合回路控制环剪仪，剪切盒内环直径为100 mm，外环直径为150 mm，有效高度为30 mm，其剪切面积为98.13 cm。本次试验利用过2 mm筛的重塑土样进行环剪试验，控制重塑土样干密度为1.77 g/cm，即与原状土样干密度相同；配置含水率为16.0%、20.5%、24.0%的滑带土试样，分别对应滑坡后缘、中部和前缘滑带土的含水率。四方碑滑坡滑体厚度区间较大，厚度为6～38 m，根据滑带土上覆自重应力综合确定试验的法向应力分别为200 kPa、325 kPa、450 kPa、575 kPa和700 kPa，并根据滑坡变形特征确定试验的剪切速率为0.06 mm/min。试验采用单级剪切程序，试验前先让滑带土试样在各法向应力下固结稳定，然后采取固定的剪切速率对滑带土试样进行排水剪切，直至滑带土试样达到残余状态为止。

2. 3 滑带土残余强度特性

不同含水率和不同法向应力作用下四方碑滑坡滑带土的剪应力-剪切位移曲线，见图4。

由图4可见，四方碑滑坡滑带土的残余强度随着法向应力的增加而增大，并在相同法向应力作用下，随着滑带土试样含水率的增加，其残余强度均减小。

不同含水率下四方碑滑坡滑带土的残余强度参数，见表2。

表2 不同含水率下四方碑滑坡滑带土的残余强度参数

图4 不同含水率和不同法向应力作用下四方碑滑坡滑带土的剪应力-剪切位移曲线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，与含水率为20.5%的滑带土相比，含水率为16.0%的滑带土的残余黏聚力减小了33.51%，残余内摩擦角减小了38.33%；与含水率为24.0%的滑带土相比，含水率为16.0%的滑带土的残余黏聚力减小了37.86%，残余内摩擦角减小了53.92%，说明随着含水率的增加，滑带土的残余黏聚力和残余内摩擦角都减小，且滑带土的残余内摩擦角衰减程度更大。

通过数值拟合发现：四方碑滑坡滑带土的残余强度与法向应力呈现较好的线性关系，符合Mohr-Coulomb准则(见图5)；该滑坡滑带土的残余内摩擦角与含水率之间呈现良好的负指数关系(见图6)，这与王炜等得出的结论类似。

图5 四方碑滑坡滑带土残余强度与法向应力的拟合 关系曲线Fig.5 Fitting curves of residual strength and normal stress of sliding zone soil of Sifangbei landslide

图6 四方碑滑坡滑带土残余内摩擦角与含水率的 拟合关系曲线Fig.6 Fitting curve between residual internal friction angle and moisture content of sliding zone soil of Sifangbei landslide

3 滑带土残余强度空间差异性和滑坡稳定性分析

3. 1 滑坡渗流场分析

本文选取四方碑滑坡1-1′剖面为研究对象，采用GeoStudio软件对该滑坡渗流特征和稳定性进行了数值模拟计算与分析，建立了滑坡渗流特征和稳定性计算模型，见图7。该滑坡滑动面为不透水边界，滑坡表面以水库水位为分界线，其上为零流量边界，其下为变水头边界，其水头随着库水位的变化而变化，依据现有水文孔监测数据设定初始地下水水位线。由单环渗水试验测得的滑带土渗透系数为0.3 m/d，选取2017年10月28日到2018年10月28日的库水位变化作为渗流模拟的分析工况。

图7 四方碑滑坡渗流特征和稳定性计算模型图Fig.7 Seepage characteristics and stability calculation model of Sifangbei landslide

3.2 滑带土残余强度分区取值和滑坡稳定性分析

由前述室内环剪试验可知，四方碑滑坡滑带土残余强度受含水率的影响较大。受库水位波动的影响，库区滑坡不同位置处滑带土的含水率不同，基于滑坡渗流模拟的地下水水位对滑带土进行分区，计算滑坡稳定性时不同区域的滑带土取不同的计算参数。地下水水位线以上的滑坡后缘滑带土含水率较小，计算滑坡稳定性时滑带土抗剪强度取参数1(见表2)；库水位以下的滑坡前缘滑带土按饱和状态考虑，计算滑坡稳定性时滑带土抗剪强度取参数3(见表2)；处于地下水水位和库水位之间的滑坡中部滑带土，含水率介于滑坡前缘滑带土和滑坡后缘滑带土之间，计算滑坡稳定性时滑带土抗剪强度取参数2(见表2)。参考四方碑滑坡勘察报告进行其他材料参数取值，滑体黏聚力取25 kPa，滑体内摩擦角取13°，滑体重度取21 kN/m，滑带重度取20.3 kN/m。

在滑坡渗流模拟的基础上，采用极限平衡法中的摩根斯顿-普赖斯法(简称MP法)计算175 m和145 m库水位以下四方碑滑坡的稳定性，水位线采用滑坡渗流模拟得出的地下水水位线，滑带土不同区段抗剪强度参数取不同值。通过计算得到的175 m和145 m库水位以下滑坡的稳定性系数分别为1.14和1.17，根据滑坡稳定性状态划分标准(见表3)可知，该滑坡处于基本稳定和稳定状态，与通过野外调查得到的滑坡稳定性现状相符。若不对滑带土进行分区，计算滑坡稳定性时全部采用滑带土的饱和残余强度参数，计算得到的175 m和145 m库水位以下滑坡的稳定性系数分别为1.04和1.08，根据表3判断该滑坡处于欠稳定和基本稳定状态，这低估了滑坡的稳定性现状。

表3 滑坡稳定性状态划分标准

4 结 论

本文以四方碑滑坡滑带土为例，通过环剪试验分析了不同含水率和不同法向应力作用下滑带土的残余强度特性，并基于滑坡渗流模拟结果对滑带土残余强度的空间差异性进行分区取值来分析该滑坡的稳定性，主要得到如下结论：

(1) 不同含水率滑带土试样，其残余强度与法向应力呈现较好的线性关系，符合Mohr-Coulomb准则；法向应力相同时，随着滑带土含水率的增加，滑带土试样的残余强度减小。随着滑带土含水率的增加，滑带土试样的残余黏聚力和残余内摩擦角都减小，且滑带土残余内摩擦角的衰减程度更大。通过数值拟合发现，滑带土残余内摩擦角与含水率之间呈现良好的负指数关系。

(2) 基于滑坡渗流模拟的地下水水位对四方碑滑坡滑带土进行分区，计算滑坡稳定性时不同区域的滑带土取不同的计算参数，结果表明：175 m和145 m库水位以下该滑坡处于基本稳定和稳定状态，滑坡稳定性计算结果与通过野外调查得到的滑坡稳定性现状相符，表明本文方法具有可靠性。