考虑超固结比和颗粒级配因素的滑坡滑动带土体力学性质

研究滑动土为何能挽救生命

沿大江大河及水库发生的滑坡可以搬动数百万立方米的土石，威胁大坝并危及整个城镇。边坡是慢性蠕动还是突发破坏，往往取决于一层薄而隐蔽的被弱化土体——滑动带。本研究深入考察了中国最受关注的边坡之一：三峡库区旁的巨大黄土坡——黄土坡滑坡，揭示了关注土体的颗粒级配与历时承载（即超固结比）如何显著提高我们预测危险地表运动的能力。

正在移动的巨型山体

黄土坡滑坡位于长江南岸的三峡库区，约覆盖1.35平方公里，包含大量岩土，悬挂在河流与附近居民区之上。工程师在该山体中凿设了隧道以监测其行为并到达运动集中的狭窄滑动带。那里发现的混合物由粉质粘土、砾石和破碎岩组成，通常厚度在50至100厘米之间，位于上部滑动体与下伏坚硬石灰岩基岩之间。由于这层土长时间被上覆坡体的重量挤压，曾承受过很高的过去压力，这对其随后在加载和卸载下的响应有重要影响。

土体的历史与颗粒组合如何塑造强度

大多数滑坡土体的实验室测试使用小样品并去除粗碎屑，这样做虽便于测试，却剥离了滑动带的自然结构。早期研究往往一次只改变一个因素，例如含水量或当时的压力。而实际上，土体行为取决于颗粒组合与其承受过的压力“记忆”，即超固结比（OCR）。在黄土坡滑动带中，约60%的质量为砾石级碎屑，40%为细颗粒。这种配比形成了以砾石为框架、细颗粒填充空隙的结构，因此任何填实度、颗粒破碎或水分分布的变化都能显著改变强度。作者设计的试验首次在这种背景下系统地将超固结比效应与天然级配的完整颗粒组合联合起来研究。

两类剪切试验，两种不同的行为

研究团队使用了两种主要的实验方法。环剪试验在筛过的土样上进行，去除了大于2毫米的颗粒，重点是不同OCR下的细粒基质。大尺寸直接剪切试验在装有未筛分材料的大箱体中进行，保留了粘土、砂和砾石的真实混合。在环剪试验中，样品很快达到峰值强度，随后逐渐弱化，这种模式称为应变软化。显微图像显示，随着剪切进行，孔隙张开、水局部迁移、粘土颗粒在平滑滑带处趋于排列，这些现象都会降低阻力。相反，对天然粗粒丰富土体进行的大尺寸直接剪切试验则表现出应变强化：在初始上升后，强度随持续位移继续增长，因为砾石颗粒相互咬合，部分弱颗粒破碎填充空隙，尤其是在加载过程中含水量略有下降时。

为何过去的荷载影响未来稳定性

通过在两类试验中改变OCR，研究人员显示出曾经被更强预加载并在较低最终压力下剪切的样品，与处于相同固结状态的样品表现显著不同。更大的预加载会压实土体，把细颗粒挤入大颗粒之间的空隙，收紧砾石框架，通常提高抗剪强度。作者将测得的强度转换为简单参数（内聚力和摩擦角），并将三组不同参数输入黄土坡滑坡的数值模型中。随后他们将模拟的地表位移与来自GPS点和钻孔监测仪器的一年库水位变化期间的实测监测进行比较。只有来自在天然级配与现实OCR条件下进行的大尺寸直接剪切试验的参数集合，产生的形变与监测到的坡体缓慢、稳定蠕动高度一致。

这对滑坡风险意味着什么

对于工程师和规划者而言，该研究传达了一个务实的信息：要可靠地模拟大型滑坡，仅测试小型细粒样或忽视滑动带过去受压程度是不够的。相反，实验室必须再现真实的颗粒级配与土体的历时承载史。像在超固结的大尺寸直接剪切试验中那样做时，得到的强度参数能产生与年度观测相符的模拟结果。对滑动带土体在不同条件下强化或削弱机理的更深入理解，有助于改进水库、大坝及下伏不稳边坡下方社区的安全评估。

引用: Chen, Z., Zhao, M., Jiang, S. et al. Mechanical properties of landslide slip zone soil considering over consolidation ratio and particle grading factors. Sci Rep 16, 5769 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36391-8

关键词: 滑坡, 土体强度, 滑动带, 三峡库区, 边坡稳定性