黄土滑坡是在厚层黄土高边坡地段土体在重力作用下沿软弱面整体下滑的现象。黄土滑坡的形成过程主要有三个阶段,形成机理有4种假说。
黄土滑坡的形成过程可分为以下几个阶段:
1.蠕动-拉裂阶段。在自然和人为双重因素的影响下,斜坡部分土体的强度逐渐减弱,最终因抗剪强度小于剪切应力而发生变形。在自重作用下,坡体开始向临空方向蠕动;其后缘处于拉应力状态,易产生拉裂缝,导致蠕动变形。
2.滑动-破坏阶段。拉裂逐渐加深,待坡体的软弱带全面贯通后,坡体后缘段便以一定推力推动主滑段。当此推力加上主滑段自重分力的复合作用,使主滑带面上的剪切力大于其自身的抗剪力时,坡体便开始整体向下滑动,前一级牵引着后一级,同时后一级滑体(楔形体)也推挤前一级滑体。
3.逆掩-压密阶段。在滑体滑移的过程中,前缘坡体选择最能消除剪应力的面,以逆掩形式、沿最小阻力的地带挤出,表现为地面隆胀、路面缩窄等破坏形式。
经历上述三个阶段后,坡体势能降低,在滑动面摩擦阻力的作用下,逐渐趋于稳定。滑动面附近的土体,由于压密、固结程度提高,整个滑坡的稳定性也不断提高。
因地层岩性和坡体结构不同、主要作用和诱发因素不同,国内外学者提出了不同的滑坡机理理论和假说。归纳起来简述如下:
1.孔隙水压力变化理论。以有效应力原理为理论基础,认为应力和水都可以改变孔隙水压力。降雨(或灌溉等)期间或降雨后斜坡岩土体内孔隙水压力的升高和基质吸力的减小,使得潜在滑动面上的有效应力及抗剪强度降低,从而诱发降雨型滑坡。降雨入渗破坏黄土结构,引起孔隙水压力变化,诱发滑坡。
在一定的斜坡应力状态和剪应力水平下,黄土的破坏主要是潜在滑动面上孔隙水压力的增大,减小了滑带土的抗滑力。在黏聚力和内摩擦角基本不变的情况下,孔隙水压力的增大,减小了滑面上的有效正应力和摩擦阻力,从而减小了黄土的抗剪强度。含水量增加,降低基质吸力;孔隙水压力增加,黄土结构破坏。
2.斜坡应力调整理论。以极限平衡理论为基础,认为雨水、农业灌溉补给地下水的增湿、软化作用是黄土滑坡的根本诱发原因之一。因河流下切和侧蚀,或因人工开挖坡脚,或因斜坡上部加载,或因地下采空改变了斜坡的外形和其中的应力分布状态,造成在坡脚剪应力集中,潜在滑动面上应力的增大可能先在坡脚附近超过其抗剪强度而破坏,形成塑性区,从而引起坡体内主要是潜在滑带土的应力重分布,剪应力向塑性区临近、集中,造成塑性区逐步扩大而形成滑面。
季节冻融作用不但在斜坡表层产生强烈作用,而且可引起斜坡深处地下水富集、土体软化范围扩大和静动水压力增大等冻结滞水效应,促使斜坡整体性大规模变形破坏,导致滑坡发生,即存在“冻结滞水”促滑效应。
当滑坡不利应力增长时,斜坡下滑力迅速增大(或抗滑力迅速减小),往往形成剧动高速滑坡;斜坡下滑力缓慢增大(或抗滑力缓慢减小),则易形成渐进式破坏。斜坡中储存有可恢复的应变能时,在垂直或水平卸荷过程中,这种应变能的释放是渐进破坏的重要条件,形成多滑面滑坡(多级旋转黄土滑坡)。
3.残余强度理论。由试验认为残余强度与黄土的状态无关,黄土滑坡滑动面上的平均剪应力计算值更接近于土的残余强度,而不是峰值强度。在发生滑坡前,一般先逐渐发展形成一个滑动面,土的抗剪强度也由峰值逐渐降低到残余强度。天然斜坡在地质历史上因为有足够的时间让它逐渐发展形成一个滑动面, 因此这类斜坡的稳定性依赖于其残余强度。
黄土由于结构性而显示出一定的超固结性,随着剪应变的增大,黄土结构遭到破坏后黏聚力急剧降低;随时间推移,其抗剪强度达到峰值后会逐渐降低而达到其残余强度,同时在剪切带附近产生大量裂隙,裂隙面已接近残余强度,破坏常在裂隙面附近或裂隙密集处发生,而后逐渐向邻区扩展贯通而形成滑坡。
4.滑带土液化理论。“饱和”和“振动”是滑带土液化理论的两个必备条件。黄土(粉土)在地震、列车振动或其他振动作用下突然液化使其上覆土体发生滑坡。地震作用下的抛射一粉尘化效应形成黄土低角度远程滑坡。水的下渗使黄土饱水后溶解胶结物,黏聚力降低,造成局部压缩和剪切变形,先引起坡顶开裂,然后在地表水灌人裂缝时产生静水压力及滑体蠕动阶段的脉动力或地球脉动造成了滑带土的突然液化,进而在黄土底层饱和后形成高速远程滑坡。
滑带土液化理论的实质是孔隙水压力理论的扩展,即孔隙水压力等于上覆土体压力,土体结构遭到破坏,几乎丧失抗剪能力。
自然界中的滑坡,可能处于稳定状态,也可能处于极限状态(或称不稳定状态)。当滑坡处于极限状态,就可以建立库仑强度极限平衡方程;如果已知滑动面强度参数和滑体重度,则极限平衡方程为一个恒等式。当滑坡处于非稳定状态(非极限状态),此时库仑强度方程不适合。通过人为改变滑坡的边界条件或强度参数,使其达到一种可以建立极限平衡方程的虚拟极限状态,常有三种方法:
1.加大下滑力矩(减小抗滑力矩):即给下滑力矩乘以一个系数K或用抗滑力矩除以一个安全储备系数,这种情况用于圆弧形滑动面,建立力矩平衡方程。加大下滑力矩和减小抗滑力矩的实际效果是一致的,力矩平衡方程也是一样的o Fenlumius法就是这种情况的典型。
2.减小抗滑力:抗滑力是由滑动面抗剪强度决定的,因此相当于给滑动面抗剪强度除以K。大多数极限平衡法都是这种情况,既用于圆弧法(如Bishop 法、Spence法(1967)),也用于非圆弧滑动面(如Janbu法、Morgenstern-price 法、samra法等)。
3.增大下滑力:给每一块的下滑力乘以系数K,工程上常采用的推力传递法就属于这种情况。