邹 浩，陈金国，何文娟，葛长山

(1.湖北省地质局 第三地质大队，湖北 黄冈 438000；2.中国地质大学(武汉) 教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 430074)

滑坡是鄂东黄冈地区的主要地质灾害，已成为影响该地区居民生存环境的主要灾种之一。黄冈市是湖北省地质灾害多发区之一，规模以中小型堆积层滑坡为主[1-2]。

目前很多学者对以土—岩接触面为滑面的堆积层滑坡进行了一系列研究。国外早期一些学者在开展直剪试验[3-4]、环剪试验[5-10]的基础上研究了土体与混凝土等粗糙材料接触面的力学性质。Martinez等[11]首次提出了界面粗糙形式对砂土与结构物界面强度的影响。随着摄影测量和离子图像测速分析技术的发展，White等[12]提出了一种非接触式土体变形测量新技术，可以观测到剪切带表面土颗粒的运动。胡黎明等[13]通过数字照相技术记录了接触面附近砂土颗粒的位移情况，分析了土与结构物接触面剪切破坏的变形机理和力学特性。为了研究黄土滑坡的演化规律，吴玮江等[14]结合实例调查资料，分析总结了黄土—泥岩接触面滑坡的滑动与复活特征、成因、区域分布规律等。杨晨[15]在不同有效法向应力、剪切速率下对不同含水率、不同干密度等不同影响因素下，研究了黄土基岩接触面的力学特性及破坏变形规律。

综合以上，现阶段研究关注滑坡体及基覆界面较多，而关注堆积层滑坡内部的土—土接触面较少。本文在勘察资料汇总分析的基础上，选取了三处典型的堆积层滑坡，从探槽取出堆积体试样进行物理力学试验，从堆积体的结构特征、物理特征和剪切力学特征三个方面对试验结果进行详细地阐述和分析，对鄂东地区的堆积层滑坡演化过程和稳定性研究具有一定的参考价值。

1 典型堆积层滑坡概况

本文选取了区内三处典型的堆积层滑坡作为研究对象，即英山县温泉镇小米畈村六组滑坡、麻城市福田河镇大旗山村村委会后山滑坡和浠水县丁司垱镇关山福利院不稳定斜坡。

1.1 小米畈滑坡

湖北省英山县温泉镇小米畈村六组滑坡，简称小米畈滑坡，位于英山县温泉镇小米畈村六组。坡长221 m，滑坡体最宽处52 m，最窄处25 m，均宽40 m，滑坡总面积约8 850 m2。剖面形态呈长舌型，崩滑主要方向35°。滑体物质均厚约6 m，总体积约5.3×104m3，属小型土质滑坡。

滑坡体为第四系残坡积层粉质粘土夹碎石，黄褐色，层厚3.9～12.2 m，平均厚度约8 m。现场勘察结果表明，该土层大致可分为两层，上层含碎石较多，下层较少，土质更接近于残积层粉砂，但无明显界限。滑床为元古界红安群雷家店组花岗片麻岩(Ptl)，片麻状构造，中粗粒变晶结构，褐黄、黄褐色，片麻理产状110°∠32°。

滑坡平面示意图和主剖面示意图(图1)表明，滑坡潜在滑移面为第四系残坡积物与强风化花岗片麻岩的基覆界面，但也存在局部地区沿残坡积层土体内部裂隙面塌滑的情形。

图1 小米畈滑坡平面、剖面示意图Fig.1 Plane and profile of Xiaomifan landslide

1.2 大旗山滑坡

麻城市福田河镇大旗山村村委会后山滑坡，简称为大旗山滑坡，位于麻城市福田河镇大旗山村5组，距大旗山村村委会以西30 m处。如图2-a所示，滑坡分布在一近东西向展布的斜坡地带，总体坡向166°，前缘、后缘高程分别为114.0 m和150.0 m，平面形态整体呈箕形，剖面形态为凸形。滑坡纵向长约52 m，横宽约247 m，平均厚度约8 m，面积约12 800 m2，体积约10×104m3，规模等级属中型。

滑坡体物质主要为古滑坡滑动后堆积在现地貌斜坡前缘的第四系滑坡堆积物粉质粘土夹碎石与第四系残积层粉砂。滑坡下伏基岩为元古界红安群七角山组(Ptq)花岗片麻岩，片麻理产状32°∠30°，受构造、风化作用影响强烈。

依据滑坡体物质及结构特征分析，如图2-b所示，滑坡潜在滑移面为第四系滑坡堆积层与残积层的接触面。

图2 大旗山滑坡平面、剖面示意图Fig.2 Plan and profile of Daqishan landslide

1.3 关山福利院不稳定斜坡

浠水县丁司垱镇关山福利院不稳定斜坡，简称福利院滑坡，位于浠水县丁司垱镇关山福利院前缘。如图3所示，滑坡面整体呈不规则梯形，滑体主滑方向为45°，坡度30°～35°，前缘高程90 m左右，后缘高程约113 m，滑体平均宽约25 m，滑体长约100 m，滑体面积约2 500 m2，滑体厚度约4 m，体积约1×104m3，为浅层土质小型滑坡。

图3 关山福利院不稳定斜坡平面、剖面示意图Fig.3 Plan andprofile of unstable slope of Guanshan welfare home

滑坡体物质为人工堆积粉质粘土夹碎石与第四系残积粉砂，厚度为0.5～2.5 m。滑坡下伏基岩为元古界红安群雷家店组花岗片麻岩。目前滑坡主要沿人工堆积层切层及基覆界面顺层滑移。

2 结构特征

黄冈地区堆积层滑坡滑坡体主要物质为堆积体，岩性为土石混合体，其中石块的组成比例、形状甚至位置这些细观结构特征使其不同于单一的土质和岩质性质，从而呈现出宏观物理力学性质的特殊性[16]。因此，厘清不同成因堆积体的结构特征对于堆积层滑坡的研究是十分必要的。

2.1 堆积体宏观结构特征

根据对上述3处堆积层滑坡勘查资料进行统计和归纳，如表1所示，堆积体的成因主要包括滑坡堆积、残坡积、残积和人工填土等。滑坡堆积物岩性主要为碎石土，是由老滑坡下滑堆积形成，结构较为松散，碎石体积含量一般为10%～20%，碎石粒径一般在3～10 cm，最大可达30 cm，呈棱角—次棱角状，一般分布于山体滑坡前缘及中部。残坡积土岩性主要是粉质粘土夹碎石，表现为粉质粘土中含有部分母岩风化的小粒径碎石及角砾，主要是由降雨形成的暂时性地表水搬运，在坡脚处堆积形成。残积土岩性主要为粉砂，是母岩剧烈风化呈土状，由于是原地风化，往往局部保留了原岩的构造，残积土中碎石含量约为10%～20%，碎石粒径多为0.2～0.5 cm。人工堆积物岩性主要为粉质粘土夹碎石，物源复杂，碎石含量20%～30%，碎石粒径多为2～5 cm。

表1 3处堆积层滑坡地层结构及地层岩性Table 1 Stratum structure and lithology of three accumulation landslides

2.2 接触面成因特征

上述不同成因的堆积体之间相互堆叠并直接接触，形成了不同类型的接触面。根据现场调查结果，对研究区内潜在滑移面的成因类型进行归纳，主要包括：基覆界面、滑坡堆积层与残积层接触面、人工堆积层与自然堆积层接触面、残积土内部裂隙面四种类型。

基覆界面是堆积层滑坡最重要的地质界面。研究区内所有的松散土体都是堆积在岩体之上的，这些松散土体与下伏基岩在结构、物质组成以及力学性质上都具有显著的差异，这种性状上显著的差异使其成为堆积层滑坡中最易失稳的地质界面。根据对鄂东地区11处堆积层滑坡的调查发现，其中有9处滑坡是沿基覆界面发生滑动的，占比82%。

黄冈地区的地层岩性多以片麻岩、花岗质以及花岗质片麻岩为主，在长期的历史风化过程中，由于风化的不均一性，在岩体表面层形成一个厚度不均的风化层，岩石中的云母等矿物易风化为粘土矿物，而不易风化的石英最终残留下来，形成了这种岩性为含碎石粘性土或砂土的残积层土体。同时，由于在重力作用下，上部残积层与基岩在重力作用下沿一定的软弱面整体下滑形成堆积物，即滑坡堆积物。滑坡堆积物与残积土层之间直接接触，形成了滑坡堆积层与残积层接触面，在一定情况下容易发生失稳。在现场可以清晰地看到这种类型分界面，如图4所示为滑坡堆积层与残积层的接触面。

图4 大旗山滑坡探槽图片Fig.4 Photos of trench exploration of Daqishan landslide

残积层位于岩石风化壳的上部，是剧烈风化的部位，往下与中风化的较完整基岩相连，但与基岩之间的界限较模糊。由于残积土是原地风化未经搬运的土，往往保留了原岩的样貌，同时可能形成深度不大、方向紊乱、连续性差的风化裂隙面，这种结构面与临空面的距离有关，故往往是从坡表向坡内展布的，即风化裂隙面往往是与临空面斜交。由于风化导致残积土表现出了既不同于上层洪积土和坡积土的工程性质，又不同于稳定基岩的性质，使得斜坡出现可能沿着残积内部裂隙面滑移的情况。

残坡积层、残积层和滑坡堆积层都是自然堆积形成的堆积体，结构往往较松散，不符合人类工程活动的需要。因此，为了建筑工程安全等原因，人类对土质进行筛选并进行夯实等人工作用形成填土，同时剩余的填土部分在斜坡面上堆积形成人工堆积层。这些人工堆积物与自然堆积物在物源上是不同的，在各种物理力学特性上也存在较大差异，其接触界面也往往容易失稳。

2.3 堆积体细观结构特征

堆积层滑坡土体中粘土矿物的成分和含量对堆积层滑坡的稳定性也有重要作用。本文选取了3处滑坡不同堆积层的6个堆积体样品进行了X射线衍射分析。需要指出的是，小米畈滑坡在残坡积土层不同深度取了两次样，分别为XMF-1和XMF-2，其中XMF-2为残积土样品。这些样品的主要矿物成分及含量如表2所示,3处滑坡的堆积体均含有不可忽视的粘土矿物，主要成分为蒙脱石、伊利石和高岭石。其中，小米畈滑坡残积土的这三种粘土矿物含量最高，达48.09%；含量最低的是福利院滑坡人工填土，为11.26%。

表2 3处滑坡堆积体样品矿物成分表Table 2 Mineral composition of three landslide deposits

通过SU8010型场发射扫描电镜，可以清楚观察到书页状的硅酸盐类粘土矿物以空隙充填的形式存在于粒间空隙(图5)。这些粘土矿物往往具有亲水性，矿物内部的吸附水和层间水使降雨入渗形成的地下水滞留在土体中，增大了土体重度；同时粘土矿物与水的作用所产生的膨胀性、分散性和凝聚性等，会降低土体的力学强度，从而降低了滑坡体的稳定性。

图5 滑坡堆积体扫描电镜图片Fig.5 SEM pictures of landslide accumulation

3 物理性质

堆积层滑坡不同堆积体结构的差异决定了其物理性质的差异。本文对上述3个典型滑坡6种类型堆积体土样开展了土质学测试，试样编号同表3。这6个试样的各粒组百分含量及渗透系数如表3所示。根据颗粒级配曲线确定土样的不均匀系数Cu和曲率系数Cc，可见6种土的Cu均接近或>5，表示这些堆积土体并不存在级配不良的情形；另外，3处滑坡残积土的Cc均<1，表明其粒径不甚齐全。

表3 各粒组百分含量和渗透系数Table 3 Percentage content and permeability coefficient of each grain component

将上述6个试样的其它土质学试验指标与收集的前期勘察阶段的测试值一同进行统计，其最大值、最小值和均值如图6所示。统计结果表明，如图6-a、6-b所示，6种试样天然重度的均值均在18.24～19.56 kN/m3区间内，干密度的均值均在14.59～16.01 kN/m3区间内。可见，就重度而言，6种堆积体的差别不大，其中小米畈滑坡残坡积层和残积层的干重度值区间相对较小，主要原因在于样本数较少。同时，注意到福利院滑坡人工填土重度的测试值范围最大，可能是由于人工填土的结构极其不均匀，测试结果的变异性很大所致。孔隙比e可用以表示土的密实程度。e值越小，土越密实，压缩性越低；e值越大，土越疏松，压缩性越高。如图6-c所示，小米畈滑坡和大旗山滑坡上下两层堆积体的密实程度平均值基本一致；福利院滑坡的残积土e的均值比人工填土e的均值小0.21，差距十分显著，表明残积土明显比人工填土更为密实。液限含水量是细粒土呈可塑状态的上限含水率，塑限含水量是细粒土呈可塑状态的下限含水率。如图6-d所示，3处滑坡残积土层液限含水量均值取值区间为32.08%～34.00%，差距十分微弱，且均小于其上层其它成因的土体(均值取值区间为35.24%～36.8%)；变异性也小于上层的其它成因类型的堆积体。如图6-e所示，3处滑坡残积土层塑限含水量(均值取值区间为17.70%～20.03%)，均小于其上层其它成因的堆积体(均值取值区间为19.48%～23.20%)。塑性指数为液限含水量与塑限含水量之差。塑性指数越大，表明土的颗粒越细，比表面积越大，土的亲水矿物含量越高，能综合反映土的矿物成分和颗粒大小的影响。图6-f所展示的6种土的塑性指数差别并不大。同时，由于取样位置、取样时间的差异，各土样的天然含水量差异很大，故未对天然含水量和液性指数进行统计。

图6 堆积体物理性质统计Fig.6 Statistics of physical properties of accumulation bodies

4 剪切力学试验方案

本文采用应变控制式直剪仪分别对取自3处滑坡的6种不同的堆积体扰动样，根据不同的要求进行堆积层土体、土—土接触面、土—岩接触面试样的制备，及直接剪切试验。每组试验采用4个试样分别逐级施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa垂直压力，以0.08 mm/min的剪切速度进行剪切，得到破坏时的剪切应力，从而确定其剪切参数。

4.1 堆积体剪切力学试验

将取自3处滑坡的6种不同堆积体扰动样风干过2 mm标准筛，控制试样的干密度，按照合理的含水量间距配置4组含水量，如表4所示。其中饱和含水量以试样在真空饱和装置中抽气饱和后的实测含水量为准。

4.2 土—土接触面剪切力学试验

由表1，根据3处滑坡潜在滑动面的类型，对大旗山滑坡和福利院滑坡上层堆积物与下层残积土不同含水量的接触面开展直剪试验，即DQS1-DQS2组合和FLY1-FLY2组合；对小米畈滑坡考虑到其潜在滑移面为残坡积土内部裂隙面，故取下层残坡积土体(XMF-2)人为制造裂隙面进行不同含水量的直剪试验，即XMF1-XMF2组合。样品制备参数同表4。

表4 堆积体样品制备参数Table 4 Preparation parameters of bulk sample

制样时，首先将高度20 mm和10 mm的环刀用透明胶粘在一起制成特殊压样器，按所要求的样品制备参数通过活塞压制上下层不同土体成内径61.8 mm、高度10 mm的环刀样。然后将上述两层的10 mm环刀样叠加压制成高20 mm的一般环刀样。接着，将一般环刀样置入固结仪，施加400 kPa的预压力使试样与仪器上下各部件之间接触进行固结直至稳定状态。最后置入直剪仪进行不排水快剪试验。

4.3 土—岩接触面剪切力学试验

为模拟土—岩接触面的岩性软弱突变，对剪切试验进行改进，下剪切盒放置制备的岩样，保持层面与剪切面平行，上剪切盒放置已饱和的土样，下剪切盒内岩样一次试验后不再使用，重新放置下剪切盒岩样进行不排水快剪试验。本文基于研究区内堆积层滑坡沿基覆界面发生滑移基本都出现在暴雨导致地下水位急剧上升的情况下，故仅开展3处滑坡的残积层土体饱和状态的土—岩接触面剪切试验。试样制备时控制干密度如表4所示。

制样时首先制备高度10 mm的环刀样，然后将试样置入真空饱和装置使试样充分饱和，接着在固结容器内放置护环和岩样，施加400 kPa轴向压力使其固结稳定，再取出进行不排水快剪试验。

5 剪切强度特性

5.1 堆积体剪切强度特性

本文共进行了6种土样各4个配比含水量的快剪试验，即24组试验。结果表明，不同含水量条件下，小米畈滑坡残坡积土的粘聚力c值范围为6.94～21.53 kPa，内摩擦角φ值范围为22.96°～26.66°；小米畈滑坡残积土的粘聚力c值范围为5.90～15.28 kPa，内摩擦角φ值范围为26.06°～27.56°；大旗山滑坡滑坡堆积土的c值范围为9.00～39.93 kPa，φ值范围为24.29°～24.86°；大旗山滑坡残积土的c值范围为8.06～26.00 kPa，φ值范围为25.80°～28.09°；福利院滑坡人工填土的c值范围为13.20～36.53 kPa，φ值范围为32.86°～34.52°；福利院滑坡残积土的c值范围为9.72～26.39 kPa，φ值范围为24.29°～27.70°。

一般而言，对于含有大量亲水性粘土矿物的岩土材料，含水量的变化将导致其抗剪强度参数的显著变化。如图7-a所示，6种堆积体的粘聚力随着含水量的增大而单调减小，这种减小的趋势可以用直线进行拟合。如大旗山滑坡滑坡堆积物的粘聚力从含水量10%时的39.93 kPa，减小到饱和状态下的9.1 kPa，减小幅度最大。这是因为当含水量增大时，土体中的自由水增多，土颗粒表面逐渐被润滑，结合水膜逐渐增厚，起到了润滑作用，从而胶结力降低。此外，还可以观察到，3处滑坡的残积土层的粘聚力均小于上层的其它成因堆积体，这是由于残积层是花岗片麻岩原地风化残积的产物，粗颗粒含量更高，粒间胶结更弱。与之相对，如图7-b，堆积体的内摩擦角值普遍较大，这与粗粒含量较大有关；且含水量对堆积体土样的内摩擦角影响较小，当含水量从10%增大到饱和状态，内摩擦角在一个较小的范围内浮动，并未观察到明显的上升或下降趋势。

图7 堆积体抗剪强度参数与含水量关系Fig.7 Relationship between shear strength parameters and water content of accumulation body

5.2 土—土接触面剪切强度特性

本文根据滑坡场地的实地调查情况，针对3个滑坡场地设计了3组以残积土为核心的土—土接触面剪切试验，每组设计了4个含水量进行土样的配置，共开展了12组试验。试验结果表明，不同含水量条件下，小米畈滑坡残积土内部接触面的粘聚力c值范围为1.39～14.36 kPa，内摩擦角φ值范围为25.89°～27.52°；大旗山滑坡滑坡堆积土与残积土接触面的c值范围为5.56～9.03 kPa，φ值范围为26.39°～29.96°；福利院滑坡人工堆积土与残积土接触面的c值范围为5.21～9.72 kPa，φ值范围为24.39°～27.08°。很明显在所考虑的含水量条件下，土—土接触面的抗剪强度参数要比残积土抗剪强度参数小，尤其是粘聚力数值显著低于残积土的粘聚力测试值。由此表明，由于试验对象主要为砂土和粉土，这种土—土接触面的剪切强度主要是由颗粒的咬合作用主导，而粒间胶结作用影响并不显著。

如图8-a所示，3组接触面的粘聚力均随着含水量的增大而单调减小，这种减小的趋势可用直线进行拟合。其中，小米畈滑坡残积土层之间接触面的粘聚力降低幅度最大，从含水量10%时的14.36 kPa，减小到饱和状态下的1.39 kPa；相对而言，大旗山滑坡和关山福利院不稳定斜坡两处粘聚力降低幅度不大，分别为3.47 kPa和4.51 kPa。

如图8-b所示，3处滑坡土—土接触面的内摩擦角均随着含水量的增大而单调减小，虽然减小的幅度不如粘聚力，但是这种趋势也可用直线进行拟合。这与前面堆积体的内摩擦角受含水量影响较小的结果不同。这可能是由于在试验过程中，上下两层试样所含的水容易在接触面集中，因此随着含水量的增大，接触面的存在导致接触面上的自由水含量增多，接触面颗粒间由于水的润滑作用，土颗粒尖角逐渐钝化，土颗粒粒间咬合作用逐渐减弱[17]。但是由于本实验采用的是不排水快剪，所以减小的幅度也比较有限。

图8 土—土接触面抗剪强度参数与含水量关系Fig.8 Relationship between shear strength parameters and water content of soil-soil interface

5.3 土—岩接触面剪切强度特性

本文针对3个滑坡场地开展了饱和状态残积土与基岩接触面的土—岩接触面剪切试验，共开展3组试验。为与残积土及土—土接触面的剪切强度对比，将饱和状态下的试验结果进行比较，如表5所示。

表5 饱和状态下堆积体与接触面抗剪强度参数对比Table 5 Comparison of shear strength pavameters between accumulation body and interface in saturated state

饱和条件下，3处滑坡土—岩接触面的抗剪强度参数最小，土—土接触面的抗剪强度参数稍大，残积土层的抗剪强度参数最大。表现为接触面的粘聚力数值显著低于残积土的粘聚力测试值，而内摩擦角的测试值差距较小。此外，在饱和状态下，3处滑坡土—土接触面与土—岩接触面的抗剪强度参数差距并不明显。表明在实际中，土—土接触面和基覆界面都有可能是潜在的滑移面。如果基覆界面和残积层土体的内部裂隙面、滑坡堆积物与残积土接触面、人工堆积物与自然堆积物接触面等土—土接触面都处于饱和状态，滑坡倾向于沿基覆界面发生整体滑动；而一般情况下，这些土—土接触面在暴雨作用下要比基覆界面更容易到达饱和状态，含水量远高于基覆界面，因此很容易发生局部失稳塌滑，这与上文分析也是吻合的。

6 结论

(1) 通过对鄂东黄冈地区3处典型堆积层滑坡的勘察资料进行统计分析，发现区内堆积体的成因类型主要包括残坡积、滑坡堆积、残积和人工填土等；而区内堆积体的接触界面主要包括基覆界面、滑坡堆积土与残积土接触面、人工堆积物与自然堆积物接触面、残积土内部裂隙面4种类型。这4种类型的接触面均有可能引起滑坡的整体或局部失稳。

(2) 通过X射线衍射分析和扫描电镜试验对典型堆积层滑坡堆积体的细观结构特征进行分析，发现3处滑坡不同成因的堆积体中均含有大量的亲水性粘土矿物，主要成分为蒙脱石、伊利石和高岭石。这些粘土矿物的存在在降雨等条件下不利于滑坡的稳定。

(3) 通过对6种堆积层土体进行剪切试验，发现粘聚力随着含水量的增大而单调减小；内摩擦角值普遍较大，且含水量对堆积层土体的内摩擦角影响较小，随着含水量的增大，并无明显的上升或下降趋势。

(4) 通过对3组土—土接触面进行剪切试验，发现接触面的粘聚力均随着含水量的增大而单调减小；尽管减小的幅度不如粘聚力，接触面的内摩擦角也随着含水量的增大而单调减小。

(5) 在饱和条件下，土—岩接触面的抗剪强度参数最小，土—土接触面的抗剪强度参数稍大，残积土层的抗剪强度参数最大。表现为接触面的粘聚力数值显著低于残积土的粘聚力测试值，而内摩擦角的测试值差距较小。