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滑坡剪切带土-石界面残余力学行为的研究
*作者*：Xuan Kang（1,3），Shun Wang（1,2），Wei Wu（3），Alejandro Martinez（4）
*机构*：
1. 武汉大学水资源工程与调度国家重点实验室
2. 武汉大学水利水电工程学院工程风险与灾害防治研究所
3. 奥地利维也纳自然资源与生命科学大学岩土工程研究所
4. 美国加州大学戴维斯分校土木与环境工程系
*期刊*：*Acta Geotechnica*，2025年1月27日在线发表

一、学术背景

本研究聚焦于顺层滑坡（bedding-plane landslides）的基底剪切带（basal shear zone）力学行为。此类滑坡广泛分布于山区和沿海地带，其运动学特征受控于黏土富集的薄剪切带沿基岩表面的变形局部化现象。已有研究表明，剪切带土体的强度弱化是滑坡加速的主要机制，但土-石界面（soil–rock interface）的摩擦特性对剪切带力学行为的影响尚未充分研究。
研究背景包括：
1. 滑坡加速过程中，应力与速率条件的变化可能通过界面剪切机制影响基底剪切带的强度损失；
2. 现有土-结构界面研究多集中于锚杆、摩擦桩等工程问题，与滑坡实际工况差异显著；
3. 滑带土的速率弱化（rate-weakening）与速率强化（rate-strengthening）行为需结合界面特性进一步解析。
研究目标是：通过环剪试验（ring shear test）和大尺度直剪试验（large-scale direct shear test），量化不同界面特征（光滑/粗糙/天然岩石）对滑带土残余强度（residual strength）及流变行为的影响。

二、研究流程

1. 试验材料与样本制备

• 样本来源：选取中国三峡库区两处滑坡的剪切带土体——Shanshucao滑坡（ catastrophic failure）和Huangtupo滑坡（slow-moving）。
  
  • Shanshucao土体：黏土颗粒占比47.7 wt.%，天然含水率18.3%，密度2.1 g/cm³；
    
  • Huangtupo土体：含20 wt.%角砾（粒径达10 cm），密度2.05 g/cm³。
    
• 界面设计：
  
  • 环剪试验：采用人工混凝土基底（smooth/rough interface），粗糙界面通过粘附1–2 mm颗粒构建（Ra=0.48 mm/2.14 mm， Rn=7.5/200）；
    
  • 大尺度直剪试验：使用天然石灰岩基底（Ra=1.86 cm， Rn=8）。
    

2. 试验方法

1. 环剪试验：
   
   • 速率阶梯试验（velocity step test）：模拟滑坡加速过程，位移速率（v）从0.02 mm/min（对应滑坡蠕动）至100 mm/min（对应高速滑动），法向应力（σn）为200–800 kPa（对应滑带埋深10–35 m）。
     
   • 应力阶梯试验（stress step test）：探究土体从蠕变（creep）到黏性流动（viscous flow）的转变阈值，记录流动速率与摩擦系数（μ=τ/σn）。
     
2. 大尺度直剪试验：针对Huangtupo土体与石灰岩界面，测试法向应力（100–600 kPa）下的剪切强度。
   

3. 数据分析

• 界面形态量化：采用手持3D激光扫描仪获取表面粗糙度参数（Ra、Rn）；
  
• 流变模型：Herschel–Bulkley模型拟合黏性流动阶段的剪切应力-应变率关系；
  
• 残余强度对比：结合文献数据（如Scaringi et al., 2018），分析界面特性对滑坡运动模式的影响。
  

三、主要结果

1. 速率依赖性：
   
   • 所有界面样本均表现速率弱化行为，但粗糙界面在低σn（200 kPa）下摩擦系数（μ）比光滑界面高0.2（μ≈0.8 vs. 0.6）；
     
   • 高σn（800 kPa）时，速率效应消失，界面特性差异被掩盖（图7）。
     
2. 蠕变-流动转变：
   
   • 光滑界面在τ=1.18τr时发生突然破坏，流动速率达227 mm/min；粗糙界面需τ=1.88τr才触发流动，且速率更低（图9）；
     
   • Herschel–Bulkley模型证实光滑界面诱导剪切稀化（shear thinning），黏度随应变率下降（图13）。
     
3. 大尺度试验：石灰岩界面导致滑带土强度显著降低（凝聚力c从63.3 kPa降至40 kPa），且破坏位移缩短60%（图10）。
   

四、结论与意义

1. 科学价值：
   
   • 揭示了土-石界面对滑带土残余强度的调控机制，证实光滑界面促进高速滑动中的强度骤降；
     
   • 提出了基于界面粗糙度（Rn）的滑坡运动速率预测模型，为速率-状态摩擦定律（rate-and state-dependent friction laws）提供实验支撑。
     
2. 应用价值：
   
   • 指导顺层滑坡的监测预警，如光滑基岩界面区域需重点关注加速风险；
     
   • 为滑坡治理（如基底加固设计）提供参数依据。
     

五、研究亮点

1. 创新方法：
   
   • 结合环剪与大尺度直剪试验，覆盖实验室-野外尺度；
     
   • 开发3D打印模具制备标准化粗糙界面（专利未提及但技术新颖）。
     
2. 关键发现：
   
   • 首次量化Rn≈8时界面剪切与土体内剪切行为的等效性（图11）；
     
   • 发现高应力下粗糙界面“土壤化”现象（剪切面迁移至土体内部）。
     

六、其他价值

研究数据支持低速滑坡（creep）向高速流动（catastrophic flow）的转变理论，为地震或降雨触发的复合型滑坡机制解析提供了新视角（如引用Hu et al., 2017的剪切稀化模型）。