2.7 滑坡岩土物理力学性质及其变化规律
2.7.1 概述
千将坪滑坡是三峡水库蓄水初期发生的上部沿层间剪切带顺层滑动、前缘切层滑出的大型高速深层岩质滑坡。为了研究滑坡的形成机理，对滑体、滑带及其原型——层间剪切带物质取样进行了化学矿物成分测试及岩土常规物理力学试验，并对滑带（包括滑带原型——层间剪切错动带）进行了专项试验研究。滑带专项试验研究包括形成年龄测试、膨胀性试验、浸泡软化试验、干湿循环试验（DWC）、恒荷载试验（DL试验）、蠕变试验（CREEP试验）、现场原位大型直剪试验等，详见第3章和第4章，本章仅叙述其成果结论，并在试验研究的基础上，结合滑坡变形历史，对滑坡滑带的综合力学参数进行了反分析。
滑坡岩土试验工作主要由三峡大学岩土试验室完成，中国地质大学（武汉）、中国地质大学（北京）、国土资源部宜昌地矿所等单位也参与了部分测试工作。
2.7.2 滑坡岩石常规物理力学试验
千将坪滑坡为一个特大顺层岩质滑坡，滑体大部为岩体，岩层软硬相间，以软岩和较软岩为主。在滑体及滑床取18组岩芯样进行常规物理力学试验，18组岩芯样中，泥质粉砂岩4组，粉细砂岩9组，细砂岩2组，长石石英砂岩3组。滑坡及滑床以粉、细砂岩及泥质粉砂岩为主，长石石英砂岩主要见于滑体上部。
岩石物理力学试验依照《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—99）进行，主要试验成果汇总见表2.12。成果表明，滑坡中的软岩软化系数低，被水浸泡后抗剪强度急剧降低。
表2.12 滑坡岩石物理力学试验主要性质指标汇总表
2.7.3 顺层滑带化学及矿物成分分析
（1）试验成果。
分两次共取11组顺层滑带（层间剪切带）试样进行化学成分及矿物成分分析，分析试验成果见表2.13～表2.15。
（2）试验成果分析。
1）滑带化学元素以Ca、Fe、K、Mg、Mn、Na等元素为主，其中Fe、Mn尤其是Fe的含量较高，滑带氧化物以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO为主，反映了顺层滑带（层间剪切带）在地质历史时期所遭受的较强烈的风化氧化作用。
2）滑带矿物主要有石英、绿泥石、伊利石，次为方解石、高岭石、长石等，滑带矿物以层状硅酸盐矿物为主，具较好的亲水性，且伊利石属中等膨胀程度的黏土矿物。石英、长石为黏土岩的成岩矿物（但滑带现有的长石含量已很低），经过后期的低温热液改造作用，长石等原生矿物蚀变成绿泥石、伊利石、高岭石等，并在低温热液环境中产生方解石矿物。上述滑带矿物的共生及演变关系反映了滑带受低温水解氧化作用的形成历史。
表2.13 千将坪滑坡顺层滑带化学成分分析成果表（一） （%）
表2.14 千将坪滑坡顺层滑带及其原型（层间剪切带）化学成分分析成果表（二） （单位：mg/kg）
表2.15 千将坪滑坡顺层滑带及其原型（层间剪切带）矿物成分分析成果表 （%）
2.7.4 顺层滑带土及其原型（层间剪切带）物理力学试验
（1）室内土常规物理力学试验。
滑带土样品取自1号竖井，为新近滑动过的滑带土样；剪切带样品取自1号平洞，是滑坡影响区的剪切带物质。
分别对取自剪切带、滑带的12组试样进行了室内常规的物性指标试验、颗分试验、膨胀性试验及直接快剪试验，试样地质描述及试验结果见表2.16～表2.19、图2.31。
1）颗分及土类划分。
根据颗分成果（表2.19），滑带土（剪切带）总体上滑带以粉质黏土—黏土为主，次为含砾粉质黏土及角砾土。
2）膨胀性分析。
综合滑带土矿物成分、稠度特征及胀缩性各项指标，滑带土具弱膨胀性，根据试验及类比资料，膨胀力小于30×103Pa。
3）抗剪强度。
由于滑带土体的不均匀性，以及抗剪强度试验分两次取样且在不同的试验单位进行，所以，本次滑带土抗剪强度试验成果具有一定的离散性，但总体来说，试验是成功的，试验成果和地质经验判断是基本符合的。
剪切带：
快剪试验结果：c=（10～30）×103Pa，φ=10°～20°。
反复剪试验结果：黏土c=20.6×103Pa，φ=16.2°；
顺层滑带：
快剪试验结果：粉质黏土c=28.3×103Pa，φ=18.2°；
反复剪试验结果：黏土c=13.8×103Pa，φ=17.6°。
表2.16 顺层滑带（层间剪切带）室内土常规试验主要成果汇总表
图2.31 千将坪滑坡顺层滑带原型（层间剪切带）直剪试验成果图
注：影响区剪切带直剪试验的土样为原状样；滑带散土直剪试验的土样为重塑样，由于试验制样的要求，试验室内重塑样的含水量为15%，密度为2.18g/cm3。
表2.17 千将坪滑坡土体常规物理力学试验指标（一）
① 取自1号竖井，颜色为以黑灰色为主并夹有部分黄色、碎石含量约7%的混合体塑性黏土。
② 黄色，以粉粒为主，颗粒成分较均匀，呈硬塑状态。
③ 泥化黏土碎石含量极少，粒径1cm×0.5cm×0.5cm，内部揉褶和剪切页理发育，呈塑性状态。
④ 含炭质黑灰色黏土角砾含量约5%，多呈棱角状，粒径2cm×2cm×2cm，呈塑性—硬塑性状态。
⑤ 黄、黑色混合土基本是以上两种物质的相间排列。
表2.18 千将坪滑坡顺层滑带及其原型（层间剪切带）土体常规物理力学试验指标（二）
注 1.剪切带a组：浅褐色黏土，有机质含量较高，较均匀，呈可塑状，中间含有少量的砾石。
2.剪切带b组：棕褐色粉质黏土，土样松散，有机物含量较高，不均匀，呈可塑状，中间含有砾石，孔隙大。
3.剪切带c组：紫黑色粉质黏土，不均匀，中间夹有黄褐色土和大块砾石，大粒径的砾石含量较多。
4.千将坪滑坡1号竖井滑带处粉质黏土层：棕褐色黏土，土质均匀，呈可塑状，砂砾石含量低。
5.滑带散土：铁灰色，成团状，不均匀，中间夹有砾石，为扰动样。
表2.19 千将坪滑坡顺层滑带及其原型（层间剪切带）土的颗粒分析成果表
（2）土三轴试验。
三轴试验采用饱和样的不固结不排水剪，模拟滑坡深层滑带受库水和降雨影响下处于饱和状态、高速剪切、排水困难时的力学状态。
顺层滑带土重塑样强度可视为滑带三轴试验残余强度的下限值；3组剪切带试验成果可视为滑带三轴试验峰值强度。千将坪滑坡三轴试验成果见表2.20。
表2.20 千将坪滑坡三轴试验成果表
（3）原位大型直剪试验。
本章简要介绍现场原位大型直剪试验成果，试验详细内容见第3章。
本次现场原位大型直剪试验共进行4组，分别在滑坡影响区1号平洞内的层间剪切带（滑带原型）和1号竖井内的滑带各进行2组，根据试验条件，1号平洞内的层间剪切带（滑带原型）的试验成果为天然条件下的滑带峰值抗剪强度，1号竖井内的滑带试验成果为天然条件下的滑带残余抗剪强度。
1）层间剪切带原位直剪试验。
在1号平洞进行原位直剪试验研究，获得层间剪切带（滑带原型）土抗剪强度指标。试验在1号平洞的两条支洞展开，试验分为2组，左右支洞各一组，每组试样4个，其中右支洞试验为YZJ1，左支洞试验为YZJ2，试样尺寸为50cm×50cm×35cm。
试验结果见图2.32、图2.33。
试验结果表明，两组试验得出的抗剪强度参数差别较大，左支洞为（c=6.83kPa，φ=20.3°）右支洞为（c=43.7kPa，φ=25.9°），与宏观地质调查和描述的层间剪切带的不均匀性是基本吻合的。
图2.32 右支洞YZJ1试验组抗剪强度
图2.33 左支洞YZJ2试验组抗剪强度
2）滑带原位直剪试验。
滑带现场原位直剪试验在1号竖井内左右两条支洞内完成，左右两条支洞各长5m。左右支洞滑带性状有较大差异，与1号平洞内的剪切错动带性状相近。
试验结果见图2.34、图2.35。
试验结果表明，两组试验得出的抗剪强度参数差别较大，c值为3.28kPa～21.33kPa，φ值6.7°～15.2°，说明了滑带物质组成及力学性状的不均匀性。
图2.34 千将坪1号竖井原位直剪抗剪强度（一）
图2.35 千将坪1号竖井原位直剪抗剪强度（二）
2.7.5 前缘切层滑带物理力学实验
分析认为，勘探揭露的滑坡前缘缓倾角近水平的裂隙性断层可能构成滑坡的切层滑带，该带包括两部分：各条缓倾角近水平裂隙性断层及间断其间的较完整岩体或称岩桥（强—弱风化岩体），勘查分析表明近水平裂隙性断层带的连通率为50%～60%。
未滑动前缓倾角近水平裂隙性断层性状：典型性状可见于影响区2号平洞内，紫红色粉质黏土夹碎石角砾，很湿、软塑状，面光滑，具140°方向的擦痕，所含碎石角砾直径3cm左右，成分为紫红色粉砂质泥岩，强风化，含量20%～30%；间断的岩桥主要为紫红色粉砂质泥岩，遇水易软化。
前缘切层滑带岩土物理力学试验成果见表2.21。
表2.21 前缘切层滑带岩土物理力学试验成果
2.7.6 滑带抗剪强度参数反分析
（1）概述。
顺层滑带土取原状样进行室内直剪或三轴剪切试验，由于试样数量及取样位置受到限制，致使室内试验结果代表性较差；现场大型直剪试验存在受力不均匀、难以测量剪切面的孔隙水压力变化过程、现场加载过程无法进行伺服控制等问题，导致试验成果的离散性较大；而切层滑带不具备取原状样及原位试验的条件。因此，单纯依靠试验成果无法得出较为准确可靠的滑带物理力学参数。通常，滑坡稳定性分析和防治工程设计中使用的滑带土抗剪强度参数主要是根据相关实验资料、结合地质条件给出，或假定滑坡体处于极限平衡状态、利用二维或三维极限平衡法进行反演计算求得。
本次通过二维极限平衡法的Geo-slope软件程序对整个滑带（含顺层与切层滑带）进行力学参数反演分析，因此，本次反演计算所得的滑带力学强度指标为组合滑带综合指标。
本次反演分析的滑坡极限平衡工况为：临滑极限平衡状态，在135m库水浮托滑坡前缘切层阻滑段的前提条件下，由降雨产生的作用力，随着滑体饱和度增加，逐渐增大，加大滑体下滑力，使阻滑段岩桥处剪应力不断加大，岩桥被一个个剪断，后缘拉裂缝逐步变宽、加深并圆弧状贯通，终于在2003年7月13日零时20分剪断最后一个岩桥，滑带完全贯通，此时，滑坡进入临滑状态，K值取0.95。
（2）Geo-slope反演分析。
分析对象取2—2剖面（见图2.36），γsat=25.5kN/m3，反演K值取0.95。
反演计算结果见表2.22。由表可得滑带综合抗剪强度指标：c=15×103Pa，φ=15°。
图2.36 千将坪滑坡临滑极限平衡状态反演分析模式图
表2.22 千将坪滑坡临滑极限平衡状态反演分析计算成果表
2.7.7 千将坪滑坡物理力学参数建议值
（1）滑体、滑床岩石物理力学性质与参数。
滑体、滑床主要岩石物理力学性质与参数见表2.23。
表2.23 岩石物理力学参数表
（2）滑带抗剪强度。
滑带抗剪强度试验值及反分析值见表2.24。
表2.24 滑带抗剪强度试验值及反分析值汇总表
（3）千将坪滑坡主要物理力学参数建议值。
滑坡崩坡积土体、微风化、新鲜岩体及滑带取值主要依据试验值，强弱风化岩体以及切层缓裂结构面取值主要依据工程类比及经验值，此外，还对滑坡临滑的特殊工况进行了滑带综合参数反演分析。综合上述，给出千将坪滑坡主要物理力学参数建议值如表2.25。
表2.25 千将坪滑坡主要物理力学参数建议值
