石板坪滑坡滑动带中岩土体力学性能的研究

《Frontiers in Earth Science》：Study on mechanical properties of rock and soil mass in the slip zone of shibanping landslide

本研究以重庆云阳白骨坡滑坡为对象，通过室内三轴压缩试验和原位直接剪切试验，系统分析不同饱和历时下岩土体力学特性及能量演化规律，发现水饱和显著降低剪切强度（ cohesion降低29.7%，内摩擦角降低25%）并诱发早期能量耗散，弹性模数呈现非线性变化，为降雨滑坡预警和工程治理提供理论参数。

　　在滑坡研究领域，岩石和滑动区土壤的力学行为对于滑坡的形成与演化具有决定性作用，特别是在长期降雨条件下，饱和过程会显著降低材料的强度，同时改变其破坏机制。本文聚焦于重庆云阳县石板坪滑坡，系统地探讨了滑动区岩石与土壤在不同饱和时间下的力学特性及其能量演变过程。通过常规三轴压缩试验和现场直接剪切试验，研究揭示了岩石和土壤在不同含水量条件下的强度、弹性模量和破坏模式的变化规律，为滑坡稳定性评估和灾害预警提供了理论依据与参数支持。

### 研究背景与意义

滑坡作为一种常见的地质灾害，其发生与演化不仅受到岩土体内部结构与地质条件的影响，也与外部环境因素密切相关。特别是在长时间降雨条件下，地下水渗透和饱和会显著改变滑坡体的力学行为，导致其强度降低、刚度减弱以及变形特征的变化。这种变化往往会导致滑坡发生机制的转变，甚至提前诱发滑坡活动。因此，理解这些变化的规律，对于提高滑坡风险评估的准确性以及制定有效的防治措施具有重要意义。

以往的研究主要集中在滑动区土壤的凝聚力和内摩擦角对滑坡启动的影响上，而对于岩石在长期饱和条件下的机械性能变化关注较少。特别是在极端降雨条件下，岩石可能经历显著的力学退化，如裂缝扩展、颗粒滑动和结构松散等。这种现象不仅影响岩石的承载能力，还会导致能量分布的改变，从而影响滑坡的稳定性。因此，本文旨在填补这一研究空白，系统分析滑坡体中岩石与土壤在不同饱和时间下的力学行为和能量演变，为滑坡的预测和防治提供科学支持。

### 研究方法与材料

为了实现这一目标，研究团队在石板坪滑坡区域采集了具有代表性的岩石和土壤样本，并在实验室中进行了三轴压缩试验和现场直接剪切试验。其中，岩石样本包括砂岩和泥质砂岩，而滑动区土壤则主要为泥化层。在试验过程中，研究团队采用了真空饱和法对岩石样本进行处理，以确保水能够充分渗透到岩石的孔隙结构中。对于泥质砂岩，由于其结构较为松散，真空饱和时间被设定为1小时，以确保样本仍具有可测试性。

现场直接剪切试验则在滑坡前缘的试坑中进行，通过人工控制剪切面的宽度（3–6 mm）来模拟实际的滑动结构面。在试验前，样本被逐步施加正常应力，并在应力稳定后进行剪切测试。试验过程中，使用高精度传感器记录剪切力和正常力的变化，并通过数据同步采集系统确保测试数据的可靠性。此外，为了提高测试精度，研究团队还采取了分级加载和机械支撑等措施。

### 试验结果与分析

通过三轴压缩试验，研究团队发现，随着围压的增加，岩石的峰值强度和弹性模量均呈上升趋势。然而，水的饱和则显著削弱了岩石的强度，其中泥质砂岩表现出更强的水敏感性。例如，在自然状态下，砂岩的峰值强度为52.48 MPa，而经过24小时浸泡后，其峰值强度下降至45.34 MPa，降幅为19.14%。相比之下，泥质砂岩在自然状态下的峰值强度为24.81 MPa，仅经过1小时浸泡后，其峰值强度就降至3.76 MPa，降幅高达25%。这表明，泥质砂岩在水的作用下更容易发生结构性破坏，其强度变化更为敏感。

此外，研究还发现，随着围压的增加，泥质砂岩的弹性模量呈现“先增后减”的趋势。在1 MPa围压下，弹性模量从5.19 GPa上升至6.07 GPa，但在3 MPa围压下又下降至5.67 GPa。这种变化可能与泥质砂岩中粘土矿物的结构重构有关。当围压增加时，粘土矿物可能因水的渗透而发生体积膨胀，从而导致结构破坏和强度下降。而砂岩在自然状态下的弹性模量则随着围压增加而持续上升，表现出更强的抗变形能力。

在滑动区土壤的直接剪切试验中，研究发现，土壤的剪切强度参数（如凝聚力和内摩擦角）在水饱和状态下显著降低。具体而言，自然状态下，滑动区土壤的凝聚力为15.5 kPa，内摩擦角为16°，而在水饱和状态下，凝聚力降至10.9 kPa，内摩擦角也下降至12°。这种强度的下降主要归因于水对土壤颗粒间摩擦力和吸附力的削弱作用。此外，水还可能在颗粒之间形成润滑层，进一步降低剪切强度，从而影响滑坡的稳定性。

从能量演变的角度来看，研究发现，在水饱和条件下，岩石的总能量吸收能力显著下降，而能量释放过程则更加迅速和剧烈。特别是在泥质砂岩中，随着水饱和时间的延长，能量释放的特征更加明显，表明其更容易发生破坏。这可能与泥质砂岩中粘土矿物的水化膨胀有关，这种膨胀导致结构不稳定，从而加速了能量的释放过程。

### 能量演变机制分析

能量在岩石破坏过程中的演变具有重要意义。通常，岩石在受力过程中会经历能量的积累、释放和耗散三个阶段。在初始压实阶段，外部施加的能量主要以弹性变形能的形式储存，而耗散能则相对较小。随着应力的增加，岩石内部的微裂纹开始扩展，导致耗散能迅速上升，而弹性能则逐渐减少。当岩石进入破坏阶段时，弹性能的积累能力进一步下降，耗散能则成为主导因素，推动岩石向不稳定状态发展。

在水饱和条件下，岩石的弹性能与耗散能的比例发生了显著变化。总体而言，水饱和会导致岩石的总能量吸收能力下降，而耗散能的比例上升。这种变化表明，水不仅降低了岩石的强度，还改变了其能量分布模式，使得岩石更容易发生破坏。此外，研究还发现，泥质砂岩在水饱和后表现出更明显的脆性破坏特征，其峰值强度较低，而耗散能较高。这可能与泥质砂岩中粘土矿物的结构特性有关，其在水的作用下更容易发生局部破坏和裂纹扩展。

对于滑动区土壤，研究发现其在水饱和状态下的能量演变与岩石有所不同。在水饱和状态下，土壤的耗散能始终高于弹性能，这可能与其较低的结构稳定性有关。此外，水的渗透还会导致土壤颗粒间的摩擦力下降，从而加速其破坏过程。这些能量变化为理解滑坡的破坏机制提供了重要依据，特别是在预测滑坡发生的关键节点方面。

### 讨论与启示

水对岩石和滑动区土壤的机械性能和能量演变具有深远影响。在岩石中，水的饱和不仅降低了其峰值强度，还改变了其弹性模量。这种变化可能是由于水对岩石内部孔隙结构的改变，以及对颗粒间连接的削弱。例如，水可能通过润滑作用降低颗粒间的摩擦力，或者通过溶解作用破坏岩石的粘结结构，从而导致其强度下降。

然而，研究还发现，水的增加可能在某些情况下提高岩石的弹性模量。这与岩石的孔隙结构和颗粒接触方式有关。当水填充岩石的孔隙时，可能减少孔隙的压缩性，从而增强其抵抗弹性变形的能力。此外，水还可能通过形成连续的水膜，改善颗粒间的接触应力传递，从而提高岩石的整体稳定性。

在滑动区土壤中，水的渗透则显著降低了其剪切强度，特别是在高含水量条件下，土壤的凝聚力和内摩擦角均大幅下降。这种现象表明，水对滑动区土壤的破坏具有重要作用，特别是在高应力和高含水量的环境下，土壤更容易发生滑动和局部破坏。这些发现不仅有助于理解滑坡的形成机制，也为滑坡的预测和防治提供了新的思路。

### 研究结论

本文的研究结果表明，滑坡体中的岩石和土壤在不同饱和时间下表现出显著的机械性能变化。特别是在长期降雨条件下，水的饱和会显著降低材料的强度，改变其变形和破坏机制。此外，水还会影响岩石和土壤的能量分布，导致其更容易发生破坏。

研究还发现，岩石和土壤的强度和变形参数受到围压和含水量的共同影响。围压的增加可以有效抑制裂纹扩展，提高岩石的整体强度和刚度，而含水量的增加则会削弱颗粒间的连接，降低峰值强度。因此，在滑坡防治过程中，应综合考虑围压和含水量对岩土体的影响，以制定更加有效的防治措施。

最后，研究提出了一种时间依赖的饱和处理方法，能够有效控制水岩相互作用的强度。在泥质砂岩的试验中，1小时的饱和处理被证明是最佳选择，既能够使样本达到充分饱和状态，又能够保持其结构完整性。这种处理方法为后续的力学测试提供了可靠支持，同时也为滑坡的预测和防治提供了新的思路。

总之，本文的研究为理解降雨引发的滑坡机制提供了重要的理论依据和实验参数支持。通过系统分析岩石和滑动区土壤在不同饱和时间下的力学行为和能量演变，研究揭示了滑坡体在长期降雨条件下的稳定性变化规律。这些发现不仅有助于提高滑坡风险评估的准确性，也为滑坡的防治提供了科学依据。