滑面强度演化机理微-宏观多尺度实验研究

Evolution of slip surface strength cannot be explained by the traditional strength theory based on continuum hypothesis because of the heterogeneity of clay. The macroscopic strength decays in the slip surface when the illite turns into montmorillonite at micrometer scale accompanied by the loss of kalium ions in the illite layer at nanometer scale. In the study, we make X-ray diffraction analysis of slip surface and the dominant minerals in vicinity, measure the interaction between mineral grains using Optical tweezers, reconstruct 3D structure of slip surface and neighboring layers using FIB-SEM, Avizo, and EDX at the nanometer scale. Then we calculate the pore distribution and porosity, and establish the relationship between the strength at macroscopic scale and the structures and properties at the microscopic scale, reveal the evolution mechanism of slip surface strength. The study is conducted through experimental measurements without introducing any empirical parameters, which guarantee the physical significance and specific quantification. The results are expected to be helpful for landslide prediction engineering practice in complex environments.

粘土是钠微观非均质材料，基于均匀连续假设的强度理论无法解释复杂条件下滑面强度演化机理。课题组揭示：可能是滑面上伊利石层间钾离子替换（纳）使其转化成蒙脱石（微）导致了抗剪强度的（宏）降低。项目用X-射线衍射分析滑面、邻近面特征（优势）粘土矿物及含量，光镊测定粘土矿物颗粒间作用力，以聚集离子束扫描电镜(FIB-SEM)，Avizo图像处理软件并配置X射线能谱仪（EDX）对滑面、邻近面三维结构进行纳米级分辨率的重构，计算滑面、邻近面中粘土、孔隙分布特征和孔隙度等参数，以这些作用力，三维结构及其空间变化参数为依据，对比分析其与滑面、邻近面宏观强度的关系，揭示滑面强度演化机理。研究是严格从实验上予以分析测定而不是引入人为的经验性参数，具有明确的、直观可量化的物理力学意义。项目的最终知识成果，不仅对于揭示滑面形成的机理、预测滑坡灾害，也为岩土在复杂环境下的工程力学特性研究提供了研究方法和思路。

粘土类滑坡在我国分布较广，严重威胁着人民生命、财产和国家基础设施的安全。本项目对揭示滑面强度演化的动力学路径和规律，建立粘土类土破坏模型和理论，提出土质滑坡防治理论具有重要基础意义。主要进展包括1）用光镊测量了滑面特征矿物蒙脱石微颗粒之间的摩擦和粘附，测得颗粒间的相互作用力约为几十皮牛顿，从跨尺度的角度看，颗粒间的相互作用力是一种微观结构力，与土的宏观强度特性密切相关。2）用聚焦电子束扫描电镜（FIB-SEM）原位重建滑面、邻近面三维空间结构，在宽17微米，高19微米的三维立体滑带土样中，滑面部分孔隙率 0.0331，邻近面部分孔隙率 0.0754，邻近面孔隙率约为滑面的 2.3 倍；实验用清晰的物理图像和准确的能谱数据证实滑面、邻近面存在成分、孔隙率、结晶度及粒度空间差异，强度的演化与结构变化密切相关，为揭示土质斜坡破坏、滑面强度降低的物理路径和机制提供了事实依据。3）通过高压釜模拟滑面组成矿物方解石和蒙脱石的溶蚀和转化，实验揭示高压促进了滑移面形成，酸性加速了水岩相互作用和强度降低。化学作用在土质滑坡孕育过程中具有特殊意义，一方面溶蚀使滑面矿物颗粒破碎，另一方面会生成大量次生黏土矿物。溶蚀破坏和次生黏土矿物在滑面的富集致使滑面抗剪强度降低。纳-微结构分析的目的不仅要揭示滑面土的变形破坏机理，更要促进基于微观机理的宏观土本构模型的建立和发展，并用于复杂环境下土的工程力学特性评价，建立滑坡预测、治理的理论和技术。