煤系地层软岩的流变与长距离快速剪切特性及对高速远程滑坡启动的影响

Rapid long-runout landslides constituting the upper hard and lower soft rocks occur frequently in the coal measure strata in the Southwest China. Shear strength of the soft rock during shear rheology and rapid long-distance shear is one of the key factors controlling the initiation of rapid long-runout landslides. The Jiweishan landslide in Wulong, Chongqing is selected for a case study. The engineering geological model，deforming and failure mode of the Jiweishan landslide are built. Mechanical properties of shear rheology of the soft rock are studied with direct shear rheological tests. In order to model the rapid long-distance shear of the soft rock which cannot be completed with geotechnical and engineering geological methods, this study introduce the method of fault mechanics in tectonics, rotary-shear high-velocity friction test, to study the rapid long-distance shear of the soft rock and obtain the changing mechanisms and laws of the shear strength during shear. Finally, combined with the engineering geological model, deforming and failure mode of the landslide and mechanical properties of the hard rock, the impact of shear strength changing of the soft rock on the initiation of rapid long-runout landslides is studied with numerical simulation and comprehensive mechanical analysis. The conclusions could disclose the initiation mechanism of rapid long-runout landslides from the aspect of shear strength changing of the soft rock, and further give scientific support for hazardous area forecasting of rapid long-runout landslides and hazards mitigation in mountainous areas in the Southwest China.

西南山区煤系地层中上硬下软岩层结构是高速远程滑坡的重灾区。软岩的流变和长距离快速剪切强度是影响高速远程滑坡启动的关键因素之一。本项目选择武隆鸡尾山高速远程滑坡为研究对象，在建立其工程地质模型和变形破坏模式的基础上，利用直剪流变实验对软岩的剪切流变力学性质进行研究；针对目前岩土和工程地质学科无法实现岩石长距离剪切的问题，本项目与构造地质学交叉，利用断层力学的研究手段岩石旋转剪切高速摩擦实验，研究软岩受硬岩滑体长距离快速剪切过程中剪切强度的变化机理与规律；最后，结合武隆鸡尾山滑坡的工程地质模型、变形破坏模式和硬岩的岩石力学性质等，利用数值模拟和综合力学分析，研究软岩剪切强度变化对高速远程滑坡启动的影响，从软岩剪切强度变化角度揭示高速远程滑坡的启动机理，为西部山区高速远程滑坡致灾范围预测和减灾防灾提供科技支撑。

我国西南煤系地层中上硬下软岩层结构中高速远程滑坡频发，造成了严重的生命与财产损失。本项目以重庆武隆鸡尾山滑坡为例，（1）建立了其工程地质、水文地质模型和变形破坏模式。（2）从碳质页岩滑带的剪切强度变化角度揭示了鸡尾山滑坡的形成机理。通过DNA测试、XRD测试、碳硫分析仪和透射/反射荧光显微镜测试，获取了鸡尾山滑坡炭质页岩滑带的矿物成分、有机物含量和种类、微生物菌群等，认为在酸雨、微生物和采矿活动共同作用下炭质页岩滑带的剪切强度降低，是滑坡发生的重要原因之一。酸雨分解炭质页岩滑带中的方解石，而且为滑带上的微生物提供营养物质促进其繁殖；微生物能够分解炭质页岩滑带中的腐殖质和腐泥质等有机物；而采矿活动加速了地下水的循环，使方解石和有机物的分解速度加快。方解石和有机物成分较少导致炭质页岩的剪切强度和延展性降低。（3）揭示了鸡尾山滑坡滑体的高速剪出机理。通过引入断层力学领域的岩石高速摩擦试验，获取了鸡尾山滑坡失稳以后，灰岩滑体和炭质页岩滑带长距离剪切过程中摩擦阻力的变化曲线，以及滑面上温度、物质成分和结构的变化。结果显示，滑面上的摩擦阻力在初始上升至峰值后便迅速降低，剪切速率越高则残余稳定的摩擦阻力则越小。当剪切速率为2.1m/s时，滑面的残余稳定摩擦系数仅为0.12。滑面温度升高使剪切面上灰岩熔融，且使方解石分解为排列致密的纳米级石灰颗粒是摩擦系数降低、滑体高速启动和剪出的主要原因之一。（4）通过上述研究，揭示了煤系地层区上硬下软结构中高速远程滑坡的失稳和高速启动机理，为西南山区滑坡地质灾害的防治提供了理论基础。本项目基本完成了项目申报书和计划书中的研究内容，达到了预定研究目标，研究成果被国际顶级学术期刊SCIENCE专文报道与正面评价；发表了期刊论文10篇，其中SCI/EI论文7篇，1篇论文自2018年9月以来连续两次入选ESI高被引论文；培养了硕士研究生3名。