火山岩坡残积土地区暴雨滑坡泥石流的形成机理

发布时间：

第7卷　第2期1999年　6月
工　程　地　质　学　报JournalofEngineeringGeology
Vol.7　No.2June,1999
火山岩坡残积土地区暴雨滑坡
泥石流的形成机理
¹
º
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X
戴福初　李焯芬　黄志全　王思敬
»
(¹中国科学院地理研究所　北京　100101　　(º香港大学土木工程系　香港
(»中国科学院地质研究所工程地质力学开放研究实验室　北京　100029
摘　要　暴雨条件诱发的浅层坡残积土质斜坡破坏的机理受控于土体在低有效围压条件下的应力应变特性。1993年11月4～5日,香港大屿山地区特大局部性暴雨导致在120km2范围内产生自然滑坡泥石流800余处,且绝大多数发生于火山岩风化坡残积土地区。本文对火山岩风化坡残积土开展了室内偏压固结不排水剪和偏压固结常剪应力排水剪试验,揭示了该类土的应力应变特性;在此基础上,分析了暴雨滑坡泥石流的形成机理和过程。
关键词　火山岩坡残积土　应力应变特性　剪胀　应变软化　暴雨滑坡泥石流
1　前　言
暴雨滑坡泥石流在热带、亚热带坡残积土地区十分普遍。坡残积土渗透性好,在暴雨期间含水量变化快,因而滑坡泥石流的发生与高强度的降雨关系密切[1]。暴雨条件下滑坡泥石流的形成机理研究是滑坡泥石流研究的重要课题。Sassa、Fleming和Ellen、Vaughan
[4]
[2]
[3]
、Mshann等通过对一些滑坡泥石流的试验研究或现象观察提出了静态液化
[5]
机制;Ching等[6]、Krahn等[7]及Nieto和Barany[8]则认为是由于暴雨入渗导致土体基质吸力减小而造成土体强度降低所致;Sitar等[9]、Anderson和Sitar[10]通过对土体三轴应力路径试验的结果提出其形成机制;陈守义[11]亦认为土的应变模式与滑坡发育过程的特点有非常密切的关系。由此可见,土体力学行为控制了滑坡泥石流的形成机理。
1993年11月4～5日,香港大屿山地区由于局部性特大暴雨产生自然滑坡泥石流800余处,且绝大多数集中于火山岩风化坡残积土地区。
2　1993年11月4～5日大屿山暴雨滑坡泥石流概况
1993年11月4～5日,香港西部地区出现特大局部性暴雨,主要集中在大屿山地区,X
收稿日期:1998-04-16;收到修改稿日期:1998-10-28.
第一作者简介:戴福初,男,1967年出生,博士后,工程地质专业.

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暴雨中心在北大屿山东涌和新机场所在的赤蜡角附近。在东涌,24小时最大雨量为742
暴雨在5日凌晨达到最大强度。东涌的12小时和24小时mm,最大小时雨量达109mm。
雨量至少为50～100年一遇[12]。大屿山绝大多数地区24小时雨量超过400mm。该次暴雨造成大屿山地区自然滑坡泥石流838处,人工边坡失稳约300处。
大屿山地区地形陡峭,坡度大于15°的面积占70～80%,坡度大于30°的面积占30%
以上。滑坡泥石流的发生与24小时雨量有密切的相关性。滑坡泥石流体积一般为数十方至上千方。大屿山2/3面积由火山岩组成,火山岩强烈风化。747处自然滑坡泥石流发生于火山岩风化坡残积土地区;其余1/3面积主要为花岗岩,滑坡泥石流数量相对要少得多。
现场调查表明,大屿山暴雨滑坡泥石流主要有两类破坏模式:
(1沿坡积层与基岩界面发生的平移型滑动破坏。该类破坏主要发生在平面型和汇流型斜坡中,占滑坡泥石流数量的绝对优势,一般破坏深度小于2m;破坏面形态受基岩面控制,破坏土体全部顺坡运动形成泥石流;
(2沿坡积(或残积土体中发生的旋转型(即弧形滑动破坏,破坏深度一般为2～3m;滑动土体并未全部顺坡运动形成泥石流;仅滑动体前缘及两侧部分土体顺坡而下;该类破坏数量少,仅局部可见。
作者曾对该次降雨在斜坡土体中的入渗进行了分析[16],认为该次暴雨足以在埋深小于2m的基岩界面上部的坡残积层中形成局部地下水位。因而,滑坡泥石流形成机理受入渗饱和后土体的力学性质控制。
3　土体的物理性质及应力应变特性
测试的原状土体是从大屿山南部二东山一滑坡泥石流后壁段附近取得,取样深度为1.5～3.0m。土体为火山岩风化后形成的坡残积物,岩性为褐红色粘质、砂质粉土和砂、粉砂质粘土,内含凝灰岩碎块,粘粒含量为20～35%;塑限为24～27%,液限42～51%。采用X射线衍射、差热分析、扫描电子显微镜等分析方法对<0.002mm粒径的矿物成分分析表明主要为细分散的高岭石,伴生有少量伊利石,粘土团块中含大量游离氧化铁胶结形成的致密的水稳集合体。游离氧化物测定结果表明SiO2含量为1.02%,Fe2O3为3.32%,Al2O3为2.74%。上述测试结果表明试样为红土化作用条件下形成的坡残积产物。
斜坡土体的初始应力状态具有偏压固结特点。根据斜坡的破坏特点,不妨假设为无限平面型坡,且在与坡面平行的平面无线性应变,文献[10]推导得出斜坡土体的原位主应力比Kc=R1′/R3′约为斜坡坡角的十分之一。鉴于斜坡破坏的坡度范围一般为30～40°,坡积层的Kc在3.0～4.0之间。为了揭示土体在低有效围压条件下的应力应变特性,开展了低围压下偏压固结不排水剪和偏压固结常剪应力排水剪试验。3.1　偏压固结不排水剪
试验是在GDS三轴测试系统[13]上完成的。在试样的饱和过程中,采用逐渐线性增加

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围压和反压的方法、始终保持围压比反压大10kPa以防止试样膨胀扰动。当B值大于或等于0.95时,则认为试样饱和。试样饱和后,保持试样反压不变,沿Kc=3.0线同时线性增加轴向应力和围压,使试样有效固结应力R1′和R3′达到所需值,当超孔隙水压力消散后,即开展不排水剪,轴向应变速率为9mmõhr-1。偏应力q与轴向应变Ea、超孔隙水压力u与轴向应力变Ea、偏应力q与平均有效应力p′的典型关系曲线见图1。
由图1可以看出,土体在峰值强度后具有强烈的应变软化特性,土体强度的丧失是一个逐渐破坏的过程;土体达到峰值强度需有>3%的轴向应变值。土体达到峰值强度后出现应变软化,超孔隙水压力开始逐渐增加,当土体完全软化后,超孔隙水压力值基本不变,其大小与试样有效固结围压几乎相等,即呈液化现象。
3.2　偏压固结常剪应力排水剪
基于自然斜坡在暴雨入渗条件下破坏的应力路径为主应力R1、R3基本保持不变,而土体内孔隙水压力逐渐增加的过程,即土体所受剪应力不变,平均有效应力p′逐渐减小的排水剪切过程(图2,本文将其称为常剪应力排水剪。为了揭示自然
[14]
图1　偏压固结不排水剪试验结果
斜坡破坏的初始机制,开展了偏压固结常剪应力排Fig.1　Sheartestresultofanisotropically水剪切试验。consolidatedundrainedsoilat试验仪器、试样的饱和与固结过程与偏压固结不排水剪相同。固结后试样CQD1的有效固结应力
deviatoricpressure
(aq-EEp′a,(bu-a,(cq-
R1′、R3′分别为108kPa、30kPa,20kPa,CQD2分别为72kPa、
CQD3分别为54kPa、15kPa,保持试样所受应力R1、R3不变,以0.7～0.9kPa・hr的速率线性增加反压,直至试样破坏。试验结果轴向应
图2　偏压固结常剪应力排水剪应力路径
Fig.2　Shearstresspathforanisotropicallyconsolidateddrainedsoilintestsatconstantdeviatoricpressure
(aq-p′;(be-lgp′
-1
变Ea与平均有效应力p′、体积应变Ev与平均有效应力p′的关系曲线见图3。
由图3可以看出,试样在接近

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图3　偏压固结常剪应力排水剪试验结果
Fig.3　Sheartestresultsofanisotropicallyconsolidateddrainedsoilatconstantdeviatoricpressure
(aEp′;(bEp′a-v-
破坏时所需轴向应变较小,一般<2%之后,轴向应变迅速增加,土体破坏;随着平均有效应力p′的减小,土体因孔隙水压力的增加而出现剪胀现象,试样体积膨胀需吸收相同体
积的水份以维持所设定的应力路径;当土体临近破坏及破坏后,土体体积应变迅速增大,表明土体的破坏为剪胀破坏。
4　暴雨自然滑坡泥石流形成机理分析
根据前面的三轴试验结果可以对暴雨自然滑坡泥石流的形成机理与过程进行分析。暴雨滑坡泥石流是由于暴雨入渗导致土体中基质吸力减小甚至完全丧失,孔隙水压力升高而造成土体抗剪强度降低所致。随着孔隙水压力的进一步增加,基岩面附近局部土体出现剪胀,土体孔隙比增大,孔隙水压力降低;随着暴雨及地表径流的入渗,剪胀土体中的孔隙水压力恢复并增加,剪胀土体发生剪胀破坏,斜坡土体由剪胀破坏而出现张、剪裂隙,并使土体中原有的垂直裂隙、虫孔等扩大、扩展。当入渗雨量足以使剪胀或剪胀破坏土体中孔隙水压力恢复时,斜坡土体继续变形。暴雨入渗使裂隙饱水,裂隙中的水份进一步向破坏土体快速入渗,土体剪胀破坏区扩展;随着土体应变的进一步增大,土体开始出现应变软化。在应变软化过程中,破坏土体中孔隙水压力增加,甚至部分土体出现液化现象,致使土体中剪应力集中并转移到相邻未破坏土体,使其所受剪应力增加并超过其抗剪强度而破坏。破坏的进一步扩展造成破坏面贯通,土体从源地滑出,在滑动过程中,滑动土体碰撞、剥离而解体形成泥石流。由此可见,暴雨自然滑波泥石流的破坏机理是由常剪应力排水剪胀破坏和其后的应变软化或液化造成剪应力转移、破坏扩展两个过程的复合机制。通过上述分析,结合现场观察现象,可以得出其形成过程如图4所示,共8个阶段:(1降雨入渗饱和阶段:暴雨入渗导致非饱和斜坡土体中基质吸力逐渐减小或丧失,潜在破坏面,即土、岩界面上孔隙水压力增加;斜坡底部土体中的大孔隙、虫孔、蛇洞为水所充填,形成较高的孔隙水压力;(2排水剪胀阶段(图5中A→B:由于孔隙水压力的不断增加,土、岩界面附近土体由于平均有效应力减小而出现剪胀变形,剪胀土体中孔隙水压力降低,降雨的入渗使剪胀土体中的孔隙水压力恢复并增加;(3剪胀破坏阶段(图5中B→

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图4　暴雨自然滑坡泥石流的形成过程
Fig.4　Theprocessofrainstorm-inducedsoilslideinitiation
andtransformationoftheslideintoadebrisflow
(1降雨入渗饱和;(2排水剪胀;(3剪胀破坏;(4破坏扩展贯通;
(5应变软化滑动;(6滑动加速解体;(7流动;(8堆积.
图5　土体在常剪应力排水剪条件下的应力　　　图6　低围压条件下土体偏压固结不排水剪应变概化曲线及其与滑坡泥石流形成过程的关系　　概化曲线及其与滑坡泥石流形成过程的关系Fig.5　Relationofsimplifiedstress-strain
Fig.6　Relationofsimplifiedstress-straincurve
　　　　curveobtainedbyCQDtestwith　　　obtinedbyACUtestataloweffectiveconfining　　　　　　thesoilslideinitiation　　　　　　　　pressurewithadebrisflowinitiation.
(a轴应变与平均有效应力;(b体应变与平均有效应力　　(a偏应力与轴应变;(b超孔隙水压力与轴应变
C:土体在排水剪切过程中随着孔隙水压力的增加和应变的增大,开始出现剪胀破坏。破坏过程中破坏土体孔隙比增大,土体孔隙水压力下降,土体抗剪强度由于孔隙水压力的下降而增加。斜坡土体中由于剪切变形的增加而出现张剪裂隙,原有的大孔隙、垂直裂隙进一步扩展。此时斜坡土体出现极其缓慢的蠕动,地表径流及降雨向土体入渗,土体中孔隙水向剪胀破坏土体渗流;(4破裂扩展阶段:土体由于剪胀破坏导致强度的降低,同时剪胀土体中孔隙水压力的恢复和增加造成土体强度的进一步丧失,破坏土体强度的降低导致剪切应力转移到相邻土体,致使相邻土体由于剪切应力超过其抗剪强度而出现剪胀破坏,剪胀破坏区域的进一步扩大,土体进一步变形和蠕滑。由于张剪裂隙和原有垂直裂隙的扩展和贯通,斜坡土体形成块体;(5应变软化滑动阶段(图6中B→C→D:斜坡土体由于剪胀破坏及应变的增加,土体中凝聚力丧失,有效围压逐渐减小,或由于上部破坏土体的重

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力作用和侧向剪胀挤压,斜坡破坏面附近土体所处状态与不排水加载或不完全排水剪类似,图6中OA及AB的前部分甚至全部已由剪胀破坏阶段完成。随着应变的进一步增大,土体出现应变软化,土体块体间出现差异性滑动裂缝,在地表表现为明显不连续挤压或差异性变形。破坏土体内孔隙水压力由于应变软化而升高,部分土体甚至出现液化现象,强度丧失,土体从原地滑移;(6滑动加速解体阶段:滑动土体由于应变软化而使其强度进一步降低,土体滑动加快,各滑动块体之间由于滑动速率差异而相互碰撞或脱离,致使滑动土体分散解体;(7流动阶段:解体后的滑动土体从源地滑出后,由于重力作用在陡峭的地形条件下出现加速运动,运动形式为滑动、碎屑滚动或流动。运动过程中地表水汇流及雨水在土体中融合,使土体含水量增大,流动性增强。土体在运动过程中进一步对沿途的地表松散物质侵蚀,融入更多的碎屑物;或由于其侵蚀能力弱而沿途被地表不断刮削;(8堆积阶段:流动土体由于地表坡度的逐渐减缓而造成流动速率减小,在缓坡区堆积;或在流动途中被刮削殆尽而漫覆于沿途。
上述过程与现场调查中所观察的现象相吻合,同时与Harp等[15]所报导的现场灌水造成自然斜坡破坏试验结果一致。
5　结　语
暴雨滑坡泥石流规模小、厚度薄表明其滑动破坏机制受土体力学性质所控制。对香港大屿山地区火山岩风化坡残积土的偏压固结不排水剪和常剪应力排水剪试验结果表明暴雨滑坡泥石流为排水条件下的剪胀破坏及其后不排水或不完全排水条件下的应变软化、破坏扩展两个过程的复合机制。从试验结果分析了暴雨滑坡泥石流的形成过程,与现场调查结果相符。
致谢　本项研究得到了香港土木工程署土力工程处陈润祥总工程师、何建生高级工程师、孙向荣博士及陈惠莲工程师的大力协助,谨表谢意。
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SLIDE-DEBRISFLOWSINAREAWITHVOLCANICROCK-DERIVEDSOILS
DaiFuchu¹　C.F.Leeº　HuangZhiquan»　WangSijing»
(¹InstituteofGeography,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101(ºDepartmentofCivilEngineering,UniversityofHongKong(»InstituteofGeology,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029
Abstract
OnNovember4～5,1993,LantauIslandwithanareaof120kmwhichisthelargestoutlyingislandofHongKongTerritoryexperiencedanextremelyseverelocalizedrainstorm,whichresultedinover800soilslide-debrisflowsonthenaturalterrainthere.Themajorityofthesoilslides-debrisflowsoccurredinareawithvolcanicrock-derivedresidualsoilandcolluvium.Triaxialtests,includingcompressiontestsanisotropicallyconsolidatedundrainedanddrained,undisturbedvolcanicrock-derivedsoilspecimensatconstantshearstress,wereperformedtoinvestigatethestress-strainbehaviorsofthesoil.Thetestresultsareinterpretedtosuggestthatsoilslide-debrisflowinitiationoccursasatwo-stageprocesswhichconsistsofaninitialdilationfailureunderdrainconditionsfollowedbyundrainedfailureasaresultofstrainsoftening.Keywords　Volcanicrock-derivedsoil,Rainstorm-inducedsoilslide-debrisflow,Stress-strainbehavior,Dilation,Strain-softening.
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