Controls on the Residual Shear Strength of Sliding-Zone Soil in Shallow Expansive-Soil Slopes

我们脚下的土地很少仅仅是泥土；在世界许多地方，它是一种活着的、会呼吸的物质，在吸水时膨胀，在干燥时收缩。这就是膨胀土的世界，一种对水分变化反应剧烈的富含粘土的土壤。当雨水渗入由这种材料构成的山坡时，土壤吸收水分，发生膨胀并失去抓地力。当阳光使其干燥时，它会裂开，为更多水的涌入创造路径。这种干湿循环是浅层滑坡的主要驱动力，在这种滑坡中，表层土壤会从下方稳定的地面上滑落。对于工程师和地质学家来说，预测这些滑坡的关键在于理解土壤的“残余抗剪强度”。这并不是地面的初始强度，而是指在已经开始滑动并被拖动很长距离后，它所表现出的最终、减弱后的抗力。如果土壤在这一阶段无法再保持自身的完整性，滑动就会持续进行，可能使一次小规模的位移演变成一场灾难性的事件。

几十年来，科学家们一直知道水会削弱这种土壤，且上方山体的重压有助于将其固定在一起。然而，一个关键的拼图碎片仍然缺失：土壤移动的速度如何影响其强度？在现实世界中，滑坡不会以单一、恒定的速度移动。它可能在多年里缓慢蠕动，然后在暴风雨期间突然加速，或者在遇到不同的土层时加速或减速。来自中国桂林理工大学的研究人员通过测试来自广西百色真实滑坡处的土壤，试图解开这个谜团。他们想看看滑坡本身的速度是否会让土壤变得更强或更弱，以及这种速度如何与地下的含水量以及向下的压力相互作用。

为了找到答案，研究团队使用了一种名为环剪仪的专业设备。想象一个巨大的、扁平的甜甜圈形状的盒子，里面装满了土壤。研究人员在顶部放置一个重物以模拟山体的压力，调整含水量以模拟不同的天气条件，然后开始旋转盒子的底部，同时保持顶部不动。这种设置使他们能够让土壤在极长距离内（高达250毫米）进行滑动，而不会出现土壤用尽空间的情况，这对于测量已经失效并正在持续滑动的土壤强度至关重要。他们在三种不同的含水量水平下进行了测试，分别代表干旱、中等潮湿和极湿润的条件。他们还施加了六种不同的压力等级，范围从浅层土壤的轻量到深层部分的重压。最后，他们改变了旋转速度，使土壤在从慢速0.1毫米/分钟到相对快速的10毫米/分钟之间移动。

结果揭示了一个令人惊讶且复杂的故事。正如预期的那样，增加水分会使土壤变弱，而增加顶部的压力会使土壤变强。但速度的影响并不是一条直线。土壤并没有随着移动速度的加快而简单地变弱，也没有变强。相反，它的强度遵循一条U型曲线。当土壤移动得非常缓慢时，它有时间将其微小的颗粒重新排列成一层光滑、有序的层，这使得它容易滑动。当速度增加到中等水平时，强度降到了最低点。这是因为土壤移动得太快，无法沉降成平滑的秩序，但又不够快，无法建立起新的阻力。正是在这个中间区域，大约在1毫米/分钟左右，土壤处于最脆弱的状态。内部结构被撕裂的速度超过了它自我修复的速度，使土壤处于最大程度的虚弱状态。

然而，当速度进一步增加到5和10毫米/分钟时，土壤开始重新变强。这种恢复发生的原因是，由于运动过于迅速，土壤颗粒没有时间排列成一个光滑、易滑的表面。相反，颗粒的粗糙边缘和土壤中的小石块发生了碰撞和相互锁合，产生了抵抗滑动的摩擦力。研究人员通过在测试后利用强力显微镜观察土壤证实了这一点。他们看到，在低速时，土壤表面被打磨得光滑且平坦。在危险的中速下，表面破碎且不平整，存在缝隙和松散颗粒。在最高速时，表面粗糙且参差不齐，其中的颗粒尚未被磨平，从而提供了机械抓力来减缓滑动。

团队还利用一种通过测量可以强行注入材料的汞量来测量土壤内部微小孔隙的技术，观察了土壤内部的微小孔洞（或孔隙）。他们发现，随着滑坡速度的变化，土壤中可供水流动的空间也会发生变化。在土壤最弱的中间速度下，土壤拥有最多的开放空间，允许水淹没颗粒之间的间隙并起到润滑作用。在最高速下，土壤被压缩得更紧密，减少了水干扰的空间，这有助于土壤恢复部分强度。这一发现挑战了“滑坡只会随着速度加快而变弱”的旧观念。相反，滑动的速度决定了哪种物理过程占据主导地位：缓慢移动允许平滑滑动，中等移动创造了弱点的完美风暴，而极快移动则迫使土壤通过粗糙度和相互锁合来反击。

这项研究为为什么某些膨胀土中的浅层滑坡会呈现出这样的行为提供了更清晰的图景。它表明，斜坡最危险的时刻可能不是它开始缓慢移动时，也不是它移动得极其迅速时，而是在它加速通过那个关键的中等速度时。如果一个斜坡正以这个特定速率移动，它就处于最脆弱的状态，即使是少量的额外水分或轻微的压力增加都可能使其崩溃。相反，如果滑坡加速超过这个点，它可能会遇到更多的阻力，但这并不意味着斜坡是安全的。这些发现帮助工程师理解，山坡的稳定性不仅取决于土壤有多湿或山有多重，还在于地面试图移动的速度。通过理解这些隐藏的动态机制，科学家可以更好地预测一次小规模位移何时会演变成一场重大灾难，从而为生活在这些敏感、易膨胀土壤上的社区提供新的保护工具。