0 引言

黄土滑坡是我国西北地区最为严重的地质灾害之一。据不完全统计，仅陕西省就已发生黄土滑坡1 131处，密度超过6处/km^2[1]。这些滑坡的发生给当地造成严重的经济损失和人员伤亡。如：2010年3月在陕西省子洲县发生的黄土滑坡，造成了19人死亡；2011年9月17日白鹿塬“灞桥滑坡”，造成32人死亡^[2]。黄土滑坡一般具有分布广泛、集中暴发、危害严重和难以预测等特点；特别是在合适的地形、地质以及气候(降水)等条件下，还会诱发具有滑动速度快、滑距远、危害大的高速远程大型滑坡。

作为一种特殊类型的滑坡现象，许多学者从不同角度对黄土滑坡发生机理进行了研究。徐峻龄^[3]曾针对高速远程黄土滑坡提出了“阀门效应说”，试图解释该类型滑坡的启动机制；钟立勋^[4]基于对洒勒山黄土滑坡等典型滑坡的调查研究，提出了“崩滑灾害形成的相似性”；王家鼎等^[5]针对典型高速黄土滑坡开展了系统的工程地质研究，提出了地震诱发高速黄土滑坡的“黄土体解体-斜抛-粉尘化效应”机理, 并且分析了强震作用下低角度黄土斜坡滑移的机理；彭建兵等^[6]对地震作用下黄土滑坡的稳定性动力学机理进行了细致的分析和研究；王家鼎^[7]通过对饱和黄土受力前后的应力条件以及土体结构内部强度变化的分析，提出了“饱和黄土蠕(滑)动液化”的概念以及饱和黄土的蠕动液化机理；张振中^[8]依据滑坡地貌形态和地质条件确定了地震诱发黄土液化失稳机理；王兰民等^[9]从土动力学、水电化学和微结构角度分析了黄土液化的机理。这些研究对于我国黄土滑坡研究起到了积极的推动作用。

但是，由于黄土滑坡分布广泛，所涉及地质条件和诱发因素存在显著差异，因此还需要对重点地区的典型滑坡开展进一步的研究。滑坡的演化以及最终破坏和运动与剪切滑动带(面)处土的力学特性有着密切的关系。鉴于相关研究手段的局限性，对于黄土滑坡发生破坏过程中和运动路径上所涉及土的力学特性的研究还非常薄弱。目前有关滑坡灾害中黄土力学性质的研究主要集中于对其工程特性和强度参数的测定方面。一般采用现场原位测试和室内常规土工试验等手段来揭示黄土的基本力学特征；采用直剪试验、常规三轴试验等土工试验手段，利用统计、类比和反演分析等方法测定滑坡灾害中黄土的基本强度参数及其应力-应变关系，并用于滑坡稳定性评价和机理分析^[10-14]。从现有的试验结果来看，这些基于全应力应变试验所量测的结果与实际滑坡中土体内部的变形过程存在较大差异，不能完全真实地反映实际滑坡灾害中土体剪切破坏情况；并且鉴于这些研究所用试验仪器在试验功能和方法上的局限性，并不能很好地反映土在实际滑坡发生过程中诸如颗粒定向排列、粒子破碎、孔隙水运移以及变形局部化发展等情况。因此，通过开发和运用先进的土工试验方法和手段，针对典型黄土滑坡灾害中土的剪切力学特性开展针对性的研究，对于客观真实地揭示滑坡的发生和运动机理以及为地质灾害防治提供理论支持等都具有深刻的学术和实际意义。

本文以陕西泾阳南塬黄土滑坡为例，借助于大型高速高压环剪试验设备，对当地黄土进行了不同含水状态、不同剪切速率与不同法向应力等条件下的快速大剪切试验，以期更加真实地揭示该地区滑坡灾害中黄土的力学特性及其作用机理。

1 研究地区概况

泾阳南塬位于陕西省泾阳县城南部泾河右岸, 系关中盆地渭北黄土台塬的北缘。南塬横跨太平、蒋刘、高庄3个行政乡, 地势开阔, 塬区面积约70 km², 东西长达27.1 km, 高程420~490 m, 微向西南倾伏^[15] (图 1)。自1976年“提渭漫灌”以来, 塬边崩塌滑坡灾害频繁发生, 造成了严重的人员伤亡和经济损失^[16]。

泾阳南塬滑坡是关中地区黄土台塬地质灾害的典型代表。这类黄土滑坡滑体主要由新生代中晚更新世风积巨厚层状黄土组成, 以粉砂质黏土为主, 具湿陷性，垂直节理发育，团粒结构明显，干燥状态下硬度较高, 抗剪强度大, 遇水后抗剪强度大大降低, 易形成天然的软弱滑动面；加之土层和斜坡倾向一致, 为滑坡的发生提供了天然的地质条件。此外其前缘直接与平坦开阔的泾河阶地相连，这也为滑坡发生高速远程滑动提供了条件。滑坡滑动速度快、滑动距离远、发生频次高为该地区滑坡的主要特点。

2 试验方法 2.1 环剪试验设备

环剪试验是一种空心扭剪试验。作为一种主要用于研究土在大剪切位移条件下力学特性的土工试验设备，环剪仪(ring shear apparatus)具有独特的设计构造和试验功能^[17]。在剪切试验试验过程中，可以保持试样的剪切面积不变，并且可以在连续位移条件下进行剪切，因此环剪仪已被广泛用于大剪切移条件下土的剪切力学特性研究。本项研究所采用的试验设备为DPRI-3型大型高速高压环剪仪(图 2)。该环剪仪由剪切盒、加载系统、监测系统、间隙控制与剪切速率控制系统组成。环形剪切盒由上下分离的剪切环组成，内径为21.0 cm，外径为31.0 cm，剪切面积为408.4 cm²，最大装样高度为10 cm。竖向最大加载能力达到500 kPa。可以通过内置的3个档位进行不同剪切速率下的环剪试验，最大剪切速率可以达到30 cm/s。由此可以实现在不同法向应力、不同剪切速率等试验条件下的各种模拟剪切试验。

2.2 试样与试验方法

本次试验所用试样采自于陕西泾阳南塬蒋刘乡东风村附近的大型黄土滑坡现场(图 3)。该滑坡最大滑动距离为267.4 m, 东西宽约500 m, 滑动体积约164×10⁴ m³, 属于典型的黄土远程流滑。集中降雨和塬顶农业灌溉是导致其发生的主要原因。如泾阳南塬东风滑坡地质剖面(图 4)所示，东风滑坡由巨厚层状新生代中晚更新世风积黄土组成，夹数层红褐色古土壤层：塬坡上部为晚更新世风积马兰黄土Q₃(L₀)，平均厚度10 m，垂直节理发育；塬坡的主体为中更新世离石黄土Q₂(L₁—L₈), 厚度约50 m，黄土层内所夹古土壤层厚度较小，其平均厚度约为0.2~0.3 m。与厚度较小的塬顶马兰黄土层和各古土壤层相比，厚度巨大的中更新世离石黄土层构成东风滑坡的主体，并对其发生和运动过程起主要影响和控制作用。该离石黄土层由数个具有不同时代层位的黄土层组成(L₁—L₈)，并与古土壤层呈序列状。各离石黄土层在力学性质尤其是抗剪强度指标上具有相近特征^[18]。本项研究所用土样选取自离石黄土层中部靠近主滑动面处的代表性土体(L₅)。该层黄土颜色呈灰黄色、较密实、颗粒较细、质地均一、黏性较高。通过室内试验并根据《土的工程分类标准》 (GB/T 50145-2007)^[19]试验土样定名原则，该黄土属于粉质黏土。其原状土各项基本物理性质指标见表 1。

由于无法对现场原状土样进行完好的现场采集以及在试验过程中存在制样困难等问题，本项研究采用重塑土进行试验研究。由于当地降雨和灌溉导致坡体内部土体含水状态及力学性状改变，并且其与滑坡的发生及其运动过程具有密切关系，本项研究选择饱和黄土和干燥黄土试样分别进行试验和对比分析。试验前首先将所采集的土样用烘箱以105 ℃的温度进行24 h以上烘干，试样完全干燥后碾碎并过5 mm筛备用。试验时分别对完全干燥黄土试样和完全饱和黄土试样进行不同剪切速率和法向应力试验条件下的环剪试验。各试验分组情况见表 2，共进行18组试验。

试验时将每组试样分别在100、200、300 kPa法向应力下固结至垂直沉降量保持不变为止；然后，针对每一组具有相同法向应力的试样分别进行剪切速率(r′)分别为0.01、0.10、1.00 cm/s的剪切试验；当其达到稳定残余强度后停止试验。通过上述试验得到每个试样在不同剪切速率和法向应力条件下的剪应力-位移关系曲线。通过对比两种不同状态土的力学性质，进而得出不同含水状态下黄土在大剪切条件下的抗剪强度变化规律。

3 试验结果 3.1 不同法向应力下土体剪切力学性质变化

图 5为相同剪切速率条件下饱和黄土、干燥黄土试样在各法向应力条件下的剪应力-剪切位移关系曲线。从图可以清楚地看到：随着剪切位移的增加，2种试样的剪应力迅速增加并达到峰值强度，峰值强度均随着法向应力的增大而增大，随后出现明显的应力下降现象，即应变软化现象；在相同剪切速率条件下，饱和黄土的应变软化特征比干燥黄土更加明显，能在更小的剪切位移下达到其峰值强度和残余强度；在相同剪切速率和法向应力条件下，饱和土样的峰值强度和残余强度明显低于干燥土样，约为干燥黄土的1/8~1/4；此外，与饱和土样平顺的试验结果曲线相比，干燥黄土的峰后应力变化曲线出现明显的变化波动，表明干燥黄土的峰后剪切应力变化并不稳定。

如图 5a所示：相同剪切速率下，各法向应力下的饱和土样残余强度值趋于相近；饱和黄土的残余强度值在各法向应力下相差不大，并且随着剪切速率的增大，各法向应力下测得的残余强度值趋于相等。这表明剪切速率达到一定速度后，法向应力对残余强度影响较小。如图 5b所示，与饱和试样相比，干燥土样的峰后应力降低程度比饱和试样要小，并且残余强度值在相同剪切速率不同法向应力下出现明显的差异，表现为随法向应力的增加而增加。

3.2 剪切速率对土体抗剪强度的影响

图 6为在相同法向应力3种不同剪切速率(0.01，0.10，1.00 cm/s)条件下2种试样的剪应力-剪切位移曲线。由图 6可知，剪切速率对2种试样的剪应力变化有着不同的影响。图 6a显示：饱和黄土在相同法向应力不同剪切速率条件下，峰值强度随剪切速率增大而增大，剪切速率越大达到峰值强度所需要的位移也越大；而残余强度随着剪切位移的变化趋于相近，并且随着法向应力的增大差异逐渐减小。表明在相同法向应力条件下，饱和黄土峰值强度受剪切速率的影响，而对残余强度影响并不显著。

图 6b显示：在相同法向应力条件下，干燥黄土的峰值强度随着剪切速率的增大而减小；不同剪切速率下的干燥黄土在相同法向应力下，残余强度趋于相等，这表明剪切速率对干燥黄土残余强度的影响较小；此外，干燥黄土达到峰值强度所需要的位移随着剪切速率的增大而增大。

4 试验结果分析

土的抗剪强度特性与土的成分、结构、历史、应力、应变，以及试验方法和技术等诸多因素有关，因此各种土抗剪强度的产生和变化具有不同的力学机理^[20]。本文主要是针对正常固结条件下泾阳南塬滑坡干湿黄土在快速大剪切位移条件下的力学特性进行对比分析。图 7所示为不同剪切速率条件下饱和黄土、干燥黄土的峰值强度、残余强度与法向应力之间的关系。如图 7a所示：在相同剪切速率条件下，饱和黄土的峰值强度和残余强度伴随着法向应力的增大而增大；饱和黄土峰值强度与法向应力之间的拟合曲线R²(R为相关系数)达0.930 0以上。由图 7b可知：在相同剪切速率条件下，干燥黄土的峰值强度和残余强度均随着法向应力的增大而增大，这表明干燥黄土的峰值强度与残余强度与法向应力具有相关性；通过拟合曲线得到干燥黄土峰值强度与法向应力之间的R均在0.990 0以上

上述结果表明，饱和黄土与干燥黄土的强度变化符合摩尔-库伦定律。表 3为饱和黄土、干燥黄土试样各剪切速率下峰值强度变化指标。如表 3所示, 饱和黄土具有较大的黏聚力但内摩擦角较小，而干燥黄土黏聚力为0但具有较大的内摩擦角。这一结果表明，泾阳南塬滑坡黄土在不同含水状态下，其抗剪强度产生和变化具有不同的产生机理。其中，饱和黄土抗剪强度主要有土体内部黏聚力产生，而干燥黄土抗剪强度主要受剪切过程中土颗粒间摩擦(阻)力作用的控制。

根据洪勇等^[20]和Skempton^[21]针对黏性土的研究表明，正常固结黏性土抗剪强度的产生主要与土体本身的矿物组成、含水状态、颗粒运移和排列以及剪切面形态变化等有关。如表 3所示，南塬滑坡黄土在饱和条件下的黏聚力和内摩擦角均随剪切速率的增大而增大。这主要与剪切过程中土体中孔隙水变化有关。饱和黄土在剪切过程中土体内部水分将会在剪切带(面)处聚集，进而导致剪切带(面)处土体含水量增高。通过试验前后的土样不同部位含水量的测定，发现剪切面附近土体的平均含水率约为28.16%，而非剪切面土体的平均含水率约为24.13%。对于饱和黄土，较慢的剪切速率更利于土体内部孔隙水的运移，进而导致剪切带(面)处孔隙水含量的增大以及有效应力的变化。这种土体内含水量的变化对黏聚力和摩阻力产生作用，并最终对饱和黄土峰值抗剪强度产生影响。如表 3所示，干燥黄土的内摩擦角随剪切速率增大而减小。这是由于在较慢剪切速率下，干燥黄土剪切面处的土体颗粒有足够的时间进行重新排列和调整，土体摩擦(阻)力能够充分发挥；而在较快剪切速率下，土体颗粒之间不能得到充分的调整，颗粒之间摩擦(阻)力不能充分建立和发挥，进而导致其宏观力学强度不能得到充分体现。

本项研究结果表明，正常固结状态下的泾阳南塬饱和黄土和干燥黄土在剪切过程中出现了不同程度的应变软化现象。相关研究表明，土的应变软化过程是一个非常复杂的渐进化破坏过程。一般认为，土体应变软化过程是当土体中某单元在达到峰值强度后继续受剪时不能保持原来的应力状态，部分应力转移到邻近单元，从而造成该单元也逐渐达到峰值强度而破坏。洪勇等^[20]、Skempton^[21]和戴福初等^[22]的研究表明，对于正常固结黏土而言，峰后的应力降是由黏土颗粒的定向排列和孔隙水的作用所决定的。Skempton^[21]的研究发现，在正常固结条件下，当土体内黏粒质量分数超过20%~25%时，土体应变软化现象的产生是由于黏土矿物沿剪切方向定向排列所引起的。本项研究借助现代X-射线定量测试技术对泾阳南塬滑坡黄土黏土矿物进行了成分分析，成果曲线如图 8所示，泾阳南源黄土中主要矿物成分为伊利石、蒙脱石、高岭石和伊/蒙混合矿物。其中，粒组成分中黏土矿物质量分数约为22.3%。因此，可以认为南塬滑坡黄土所呈现的应变软化现象主要与黏土矿物在剪切过程中的定向排列有关。

脆性指数I_B由Bishop^[23]提出，用于描述土的应变软化程度, 即

式中：I_B为脆性指数；τ_f为土的峰值强度，τ_r为土的残余强度。I_B越大, 说明土峰值强度与残余强度差值越大，强度软化越明显。如图 9a所示，饱和黄土的脆性指数随着法向应力和剪切速率的增大而增大。图 9b所示，与饱和试样相比，干燥黄土试样的脆性指数并未表现出与剪切速率和法向应力的相关性规律。通过比较发现, 干燥黄土的脆性指数明显低于饱和黄土的脆性指数。这些结果表明对于南塬滑坡黄土，其峰后应变软化的产生不仅与其内部黏土矿物定向排列有关，并且水的作用也会加剧这种应变软化的程度。

对于应变软化最终阶段形成的稳定残余强度，其值与剪切面形成后剪切带(面)处土颗粒沿剪切方向定向排列的程度以及剪切面形态的差异有关^{[20, 24]}。图 10a为剪切结束后干燥黄土的剪切面，可见干燥土体剪切面整体连续、平整，但局部有破碎和凹凸起伏。这表明在干燥条件下南塬滑坡黄土的残余强度不仅受剪切带(面)处土体颗粒间相互摩擦作用，并且还会受到剪切面形态变化的影响。这是导致干燥黄土在剪切试验过程中剪应力变化出现较大波动以及随剪切速率和法向应力发生变化的原因。图 10b为饱和黄土在剪切结束后所形成的剪切面。与干燥黄土剪切面相比，饱和黄土由于含水量较高，其在连续剪切下形成的剪切面更加光滑平整，从而导致其残余强度值较低。

5 结论

1) 在相同试验条件下，与干燥状态黄土相比，泾阳南塬黄土在饱和条件下其抗剪强度指标显著降低。

2) 在连续快速剪切条件下，泾阳南塬滑坡饱和与干燥黄土均表现出应变软化特征。饱和黄土比干燥黄土的软化特征更加显著。

3) 在相同法向应力条件下，剪切速率对饱和和干燥黄土峰值强度均有显著影响，但两种状态下土体峰值强度随剪切速率变化特征不同。饱和黄土峰值强度随剪切速率增大而增大，而干燥黄土峰值强度随剪切速率增大而减小。

4) 在不同含水状态下，泾阳南塬滑坡黄土剪切力学特性变化规律具有不同的产生机理。其中：干燥黄土抗剪强度在连续剪切过程中主要是受黏土颗粒间摩擦(阻)力作用、颗粒运移与定向排列以及剪切面形态的控制；与干燥黄土相比，饱和黄土峰值抗剪强度变化主要受土黏聚力的控制并受水的影响，土体内水的作用能够加剧其应变软化程度并可形成光滑平整的剪切面形态，进而对其峰后剪切应力变化产生影响。