0 引 言
我国很多煤炭开采企业位于山区，发生山体滑坡灾害，会对矿区居民的正常生产生活造成严重影响。 因此对滑坡灾害成因的研究对地质灾害的防灾减灾工作具有重要意义。 滑坡体发育部位地质条件复杂，受多期构造活动影响，结构面发育，岩体破碎，修建公路切坡造成局部地形高陡都是造成滑坡灾害的重要原因。 同时，构成滑坡体的几种主要岩石的力学特性，对于促使滑坡发生也有至关重要的作用。
国内外对滑坡体岩石的力学特性的研究侧重于强度和变形稳定性、岩石滑坡的演化机制、运动特征等方面。 对滑坡的岩石力学机理及滑坡地质演化模式方面的研究还未见报导。 野外调研结果表明，该滑坡体发育部位地质条件复杂，受多期构造活动影响，结构面发育，岩体破碎，修建公路切坡造成局部地形高陡都是造成滑坡灾害的重要原因。 同时，构成军红路滑坡体的几种主要岩石的力学特性，对于促使该滑坡发生也有至关重要的作用。 在导致滑坡的各种影响因素中，滑坡体岩石的类型及其力学特性无疑是影响滑坡体稳定性的最重要因素之一[1-3]。 黄润秋等[4]通过对西南地区高边坡的研究，建立了卸荷条件下岩石高边坡发育的动力过程及三阶段演化模式，提出边坡稳定性要将强度和变形稳定性结合起来考虑，并建立了岩石高边坡变形稳定性分析的基本原理、理论框架和技术途径；黄达等[5]、杨圣奇[6]则对“三段式”岩石滑坡的演化机制进行了研究，认为锁固段的地质结构及力学性质是“三段式”岩石滑坡的关键控制因素，并通过试验给出了岩桥角对锁固段的破坏模式及演化机制的影响规律；周增意等[7]则研究了对于岩体稳定性具有重要影响的结构面强度性质以及影响因素，系统总结了过去岩石结构面强度的研究成果及模型；殷跃平[8]、WANG Zhiyin 等[9]研究了斜倾厚层滑坡体变形破坏特征及滑动特征，运用FLAC3D模拟，得出了斜倾厚层山体滑坡视向滑动应具备的5 个条件，并认为对这类斜倾层状结构的山体地质灾害的监测和防治必须以前缘阻滑的关键块体为重点；E.Hoek等[10]在研究厚层板状岩体倾倒变形破坏时，发现了关键块体对控制整个岩体稳定的作用；孙 萍等[11]通过对岩石的显微结构及抗拉、抗压、抗剪断性质进行一系列试验研究认为，岩石自身的微观结构及宏观力学性质对于促使滑坡在地震作用下发生迅速启动有着至关重要的作用。 王家鼎等[12]针对黄土高原灌溉诱发的高速黄土滑坡，研究了滑坡体失稳后的运动特征建立了滑坡体的运动模型，推导出了滑坡体的滑动轨迹、滑速、滑距以及黄土泥流(液化物质)的流速公式；文献[13-15]通过对实际边坡失稳的工程案例的分析，研究了降雨入渗对滑坡体稳定性的影响，认为降雨入渗会大幅减小边坡整体稳定的安全系数值；文献[16-17]则通过对不同降雨条件下，滑坡体内孔隙水压力的变化，研究了不同的降雨特性对边坡失稳机制及稳定性的影响，揭示了降雨入渗对边坡稳定性的作用机制，并以此建议采用降雨强度与累积雨量作为雨量预警基准所需的参数；王宇等[18]将模糊随机可靠性理论引入滑坡的稳定性分析中，探讨了滑坡渐进破坏的时空演化特征及降雨作用下滑坡时空演化过程；张守龙等[19]通过对其地质环境背景及地质灾害概况的分析，对余江人工边坡降雨导致结构面弱化从而诱发滑坡的机制进行了研究；于德海等[20]对水对绿泥石片岩强度和变形特性的影响规律进行了研究。
2018 年8 月11 日，北京市房山大安山矿军红路K18＋350 m 处发生山体滑坡灾害，砸毁道路路面、路基及护栏，造成大安山矿区2 000 多人与外界交通中断，所幸发现及时，无人员伤亡，但对矿区居民的正常生产生活造成了严重影响。 因此，对构成典型滑坡灾害体的岩石力学机理及地质演化模式进行研究，对于北京市地质灾害的防灾减灾工作具有重要意义。
1 滑坡概况
军红路滑坡位于北京市房山区大安山矿军红路(X209)K18＋350 m—K18＋430 m 段，经纬度坐标为N：39°53′13.23″、E：115°45′50.17″，属北京西部山区，地势陡峻，沟谷纵横。 区内最高峰为老龙窝，高程为1 646.5 m，最低沟谷为大北河一带，高程为550.0 m，沟谷均为与地层走向直交或斜交的V 形谷，地貌为构造侵蚀中高山区，基岩多裸露，覆盖层多为坡积、残积物，沟谷两侧及山地缓坡有冲积、洪积物，为砂砾石及土层。 植被以较密的荆条等灌木和杂草为主。 滑坡体坡高约200 m(公路上方坡高70 m，公路下方坡高130)，坡向170°，坡度约60°。 滑坡区后缘高程约799.64 m，堆积区前缘高程约623.6 m，前后缘高差约176.04 m，滑坡区后缘宽约27 m，前缘宽81 m，滑坡区面积3 582.66 m2，滑坡方量约11 304.88 m3。 堆积区前缘宽约232 m，滑坡后缘至堆积前缘斜长220—290 m，堆积于军红路上及其下方斜坡和河谷中，如图1 所示。 滑坡堆积体一般0.5 m3 左右，最大块径约5 m×3 m×3 m。 堆积体前缘块石已堵住沟道(大马河)，但未形成堰塞湖，滑坡体纵剖面图如图2 所示。
图1 军红路滑坡概貌
Fig.1 Junhong road landslide overview
图2 军红路滑坡纵剖面示意
Fig.2 Junhong road landslide profile diagram
军红路滑坡体主要由强、中风化侏罗系南大岭组变质玄武岩、二叠系石盒子组灰白色含砾石英砂岩构成，如图3 所示。 滑坡体所处区域岩体结构为软硬夹层，现场量测可见主要发育3～5 组优势结构面，岩体结构为碎裂-镶嵌结构，岩体较破碎，如图4 所示。 岩体具有很好的亲水性，水稳定性差，当地降水主要集中在6-8 月、雨量充沛，极易出现滑坡等地质灾害。
图3 滑坡区域地质
Fig.3 Geological of landslide area
图4 滑坡影响区岩体碎裂-镶嵌结构(含软弱夹层)
Fig.4 Rock mass fragmentation and Mosaic structure(including weak interlayer)in landslide affected area
2 试验设备及结果分析
2.1 试样制备
本试验选用滑坡区域的玄武岩、砂岩和砾岩试样。采用微观电镜扫描(SEM)和日本理光TTRⅢ多功能X射线衍射仪，参考标准为SY/T 5163-2010 沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X 射线衍射分析方法对岩石微观结构和成分进行了测试。 经测试，玄武岩黏土矿物含量占36.1%，主要为绿泥石和伊利石；砂岩黏土矿物含量占40.6%，主要为伊利石；砾岩黏土矿物含量占18.5%，主要也为伊利石。 全岩矿物及黏土矿物成分及相对含量的结果分别见表1 和表2。
表1 全岩矿物成分相对含量统计
Table 1 Statistical of relative mineral content of whole rock
矿物含量/%编号 岩性石英 钾长石 斜长石 赤铁矿 角闪石 黏土矿物X 玄武岩 4.4 3.7 27.0 — 28.8 36.1 S 砂岩 59.4 — — — — 40.6 L 砾岩 81.5 — — — — 18.5
按ISRM 建议方法，压缩试验将试样加工成ø50 mm×100 mm 的圆柱体，抗拉试验将试样加工成ø50 mm×25 mm 的圆柱体，用砂轮机及砂纸对试样表面仔细研磨，使表面平面度在±0.05 mm 以内，表面与侧面垂直度偏差在±0.25°以内。 试验前对试样进行干燥与饱水处理，对于干燥试样，一般均在干燥状态下放置一周以上，对于饱水试样的制备，一般在水中浸泡24 h 以上。
2.2 试验设备
试验在中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室2 000 kN 岩石单三轴试验系统上进行，该系统由主机、电液伺服加载系统、计算机控制和数据处理系统组成。
表2 黏土矿物成分相对含量统计
Table 2 Statistical of relative content of clay mineral composition
注：S 为蒙皂石类；I 为伊利石；C 为绿泥石。
黏土矿物相对含量/%样品号 岩性S I C X 玄武岩 2 33 65砂岩 — 100 —L砾岩 94 6 —S
2.3 单轴压缩试验
3 种岩石的典型单轴抗压应力-应变曲线如图5 所示。 可以看出，水对岩石单轴抗压特性的影响十分显著，同种岩样，干燥状态下的单轴抗压强度明显大于饱水状态下，即水会造成岩样强度弱化，弱化程度砂岩和玄武岩较砾岩更强。
图5 单轴抗压应力-应变曲线
Fig.5 Uniaxial compressive stress-strain curvs
2.4 饱水单轴抗拉试验
一般情况下，直接拉伸试验比较困难，往往在直接拉伸试验过程中，由于夹具应力集中导致试件两端破裂和试验失败。 因此，目前大多采用间接拉伸试验方法，其中最著名的是巴西劈裂试验法[20-24]。为了进一步了解岩石浸水后的力学性质，对饱和玄武岩、砂岩和砾岩的抗拉特性进行了试验研究。 试验总共对9 个岩样在饱水状态下进行了单轴抗拉强度测试。 三种岩石的典型轴向荷载-位移曲线如图6 所示。 饱水玄武岩平均抗拉强度为4.93 MPa，饱水砂岩平均抗拉强度为6.08 MPa，饱水砾岩平均抗拉强度为7.40 MPa。
图6 岩石轴向荷载-位移曲线
Fig.6 Axial load-displacement curves of rock
3 滑坡演化模式分析
3.1 演化模式
滑坡体位于红煤厂—大安山斜冲推覆断裂(F1)的西段，断裂带的南侧，如图7 所示。
图7 滑坡体及其周边地质构造示意
Fig.7 Schematic of the landslide and its surrounding geological structure
该断裂总体呈北西向展布，断裂走向不规则，蜿蜒曲折，在滑坡体附近由东西走向变至北北东向。在大安山一带，该断裂以低角度产出，切割早期髫髻山下伏向斜南东翼沿下窑坡组底界与南大岭组顶界接触面发育的挤压滑脱带，因部分区段叠加复合于先存断裂之上，加之晚构造的影响，不仅其空间展布形态复杂，且具有多期性活动特点，显示复杂的成因机制。 沿断裂带发育压剪性滑动面或次级断面、劈理等为主的一系列伴生及派生小型构造。 除小构造外，受断裂带构造作用，还可见2 组密集的节理带，一组呈北西向330°方向延伸，另一组近北北东向展布。 节理面平直，具有平面走滑特征。 由于侏罗系南大岭组地层与下伏二叠系石盒子组地层本身为不整合接触关系，在上述推覆断裂的构造作用下，继承不整合发育为构造滑动面。 二叠系石盒子组厚层砂岩受推覆断裂影响，层间发育挤压破碎带，性质软弱，现场手可掰碎，遇水软化，构成了砂岩地层中的软弱夹层。 滑坡后缘岩体呈黑褐色，推断为降水顺裂缝渗入后风化形成。 基于上述地质特征及岩体吸水软化力学特性研究，以地质力学、地貌学为理论基础，建立了滑坡体地质结构概念模型，对结构面形成演化机制开展系统分析，由此提出了该滑坡体的成灾过程及演化模式(图8)，其过程分叙如下。
图8 滑坡成灾过程示意
Fig.8 Schematic diagram of landslide disaster process
1)卸荷拉裂阶段：随着地壳抬升，河谷下切，斜坡应力释放，坡体向临空方向卸荷回弹，形成近平行坡面的卸荷裂隙如图8a 所示。
2)时效变形阶段：随着公路边坡开挖，在岩体松动卸荷、地震影响等因素作用下，后缘裂缝进一步加大，发生时效变形，如图8b 所示。
3)局部溃屈阶段：在持续降雨作用下，雨水沿后缘拉裂缝入渗，造成砂岩中的破碎带软化，强度迅速降低，滑坡体下部岩体局部破坏、溃屈，前缘底部发生小规模滑动，如图8c 所示。
4)整体高速滑动阶段：边坡上部局部岩土体沿软弱夹层滑动，在超孔隙水压力作用下，岩体整体高速滑落，如图8d 所示。
3.2 成因分析
该滑坡破坏方式为滑移式，由于连日降雨，雨水沿裂隙下渗对侏罗系南大岭组玄武岩和二叠系石盒子组砂岩之间的软弱层产生浸润作用，使软弱面强度大幅降低，导致坡体上部的玄武岩沿后缘裂隙发生破坏，向下产生滑移和挤压，失稳的岩体连同其下伏的砂岩发生变形破坏。 滑坡灾害的成因主要有以下5 个方面。
1)地形因素：边坡高度大且坡度较陡，存在临空面，不利于边坡岩体的稳定。
2)岩性及岩体结构因素：坡体上部为玄武岩，发育垂直节理，与母岩之间发育后缘裂隙。 坡体下部为厚层状砂岩，岩体受节理裂隙的切割，结构破碎，岩体的完整性及稳定性较差。
3)地质构造因素：受斜冲推覆断裂地质作用的影响，侏罗系南大岭组地层与下伏二叠系石盒子组地层之间的不整合接触面发育为构造滑动面，上部玄武岩岩体受结构面控制发生破坏后沿构造滑动面产生错动。 下伏砂岩在推覆断裂的挤压作用下发育有层间破碎带，形成砂岩中的软弱层，在受到上部岩体的挤压作用后沿软弱层发生挤出破坏。
4)人类工程活动因素：滑坡发生之前，该段坡体由于修路切坡，破坏了岩体原有的应力平衡，产生卸荷松动。 且切坡面陡立，形成了一定的临空面，不利于坡体的稳定。
5)降雨因素：入汛以来，大安山乡已出现 4 次集中降雨，其中2018 年8 月5 日—11 日大安山地区累计降雨量约172 mm。 降雨沿裂隙入渗导致岩体强度降低，孔隙水压力增加，特别是水对软弱层的浸润作用，降低了坡体的整体稳定性，导致危岩体失稳发生滑坡灾害。
4 结 论
1)军红路滑坡是典型的降雨诱发型滑坡，滑坡灾害发生部位地形高陡、岩体结构复杂，风化卸荷强烈，后缘山体变形十分严重。 在连续多日降雨作用下，雨水沿后缘裂缝入渗，形成超孔隙水压力，软化并降低软弱夹层强度，边坡底部局部溃屈，整体失稳坠落是该滑坡发生的机理，其过程经历了卸荷拉裂、时效变形、局部溃屈和整体高速滑落4 个阶段。
2)构成军红路滑坡的几种岩石的矿物成分中黏土矿物含量较高，玄武岩为 36.1%、砂岩为40.6%、砾岩为18.5%，水对岩石力学特性影响显著，单轴强度饱水弱化分别达玄武岩54.2%、砂岩为40.0%、砾岩为35.2%，这对于该滑坡在降雨作用下发生及迅速启动有至关重要的作用。
3)军红路滑坡体受构造活动影响，存在软弱夹层结构，是岩质边坡失稳及迅速启动的另一重要因素。 结构面是影响岩石力学特性的重要因素，在变形过程中，岩石沿着软弱结构面先发生破坏，降雨又进一步加速了结构面的破坏，是导致滑坡发生的原因。
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