滑坡巖土體流變機理與本構模型

(重慶蜀通巖土工程有限公司，重慶 401147)

1 概述

滑坡巖土體流變模型及力學參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性評價、預警預報等具有至關重要的影響，因此，首先如何正確辨識流變本構模型和準確獲取流變參數(shù)顯得尤為關鍵。根據(jù)已有優(yōu)化算法，較為系統(tǒng)地進行巖土體蠕變力學參數(shù)的反演分析，再結(jié)合工程現(xiàn)場的監(jiān)測信息，最終獲得合理有效的巖土體蠕變模型參數(shù)，是滑坡穩(wěn)定性評價及預警預報的前提。

巖土流變關系到滑坡地質(zhì)災害及防治工程的長期安全，研究巖土材料的流變行為及特性，尋求滑坡蠕變分析模型，對滑坡進行穩(wěn)定性分析和滑坡預報具有重要的學術和工程意義。

2 研究現(xiàn)狀

1)滑體巖土體流變機理與本構模型。隨著國內(nèi)外學者對滑坡災害的深入研究，逐漸認識到大部分滑坡發(fā)生破壞前滑體也都存在明顯的蠕變變形。粗粒土的流變研究開始于堆石壩粗粒土流變特性的研究。1985年，A.K.Parkin(1991)嘗試采用壓縮儀研究粗粒料的流變特性，認為沉降速率隨時間成對數(shù)關系，這是目前能檢索到的最早研究資料，研究成果與實際應力狀態(tài)存在差異，該成果的適用性也有限。

在流變機理研究方面，姜峰林(2005)對黃土質(zhì)滑坡的流變特性進行了相關試驗研究和數(shù)值模擬研究，取得了一定的成果。在研究對象上，上述作者只針對了滑坡的滑帶土的流變性質(zhì)進行相關研究，沒有涉及到對滑坡體粗粒土流變性質(zhì)的研究。而滑坡體的流變性質(zhì)對滑坡穩(wěn)定性的影響也不同于滑帶土對其的影響。此外，國內(nèi)研究人員利用大型固結(jié)儀和大型流變?nèi)S儀開展堆石粗粒土的流變特性研究。沈風生(1990)利用一個含有三元件的粘彈性蠕變模型研究了面板壩中粗粒土的流變性質(zhì)，并推導了相應的流變計算公式。但沒有考慮到，剪切流變在很多情況下是有限的，因為無限變形就意味著破壞，而實際上許多加速流變的破壞過程，往往與土的結(jié)構改變和力學性質(zhì)的變化有關，并不是由單純的時間因素造成的。韓世蓮(1992)開展了粗粒土的三軸流變試驗，分析了粗粒土的流變特性，通過回歸方程得到粗粒土粘彈性模型各項參數(shù)。沈珠江等(1994)通過試驗提出一種基于MER-CHANT流變模型的含有三個參數(shù)的流變模型，并根據(jù)堆石碎石土監(jiān)測數(shù)據(jù)進行反分析，提出硬巖、中硬巖、軟巖及砂卵石相應流變模型的參數(shù)選取，以此來解決室內(nèi)流變試驗的試驗時間不足和參數(shù)數(shù)量較少的問題。Bowman E.T.(2003)研究表明流變開始時連結(jié)較弱的顆粒間發(fā)生滑移，從而使大量顆粒在荷載作用下不斷調(diào)整。Chen Xiaobin(2007)通過低應力水平下粗粒土的三軸流變試驗，利用Morgan-Mercer-Florin核函數(shù)研究了粗粒土流變特性的非線性，并利用兩個函數(shù)計算出粗粒土最后的體積流變率和剪切應變值。Chen Xiaobin(2011)通過自主研發(fā)的大型三軸流變儀對粗粒土進行流變試驗，研究發(fā)現(xiàn)應力狀態(tài)是影響粗粒土流變特性的主要因素，在低應力水平下粗粒土表現(xiàn)為彈性，中等應力水平時表現(xiàn)為線粘彈性，在高應力水平時表現(xiàn)為非線性粘塑性。

在流變本構模型方面，Sawicki等(2009)結(jié)合力學試驗和破壞概率概念建立改進的本構模型，對粗粒土發(fā)生破壞前的變形進行預測分析。通過統(tǒng)計在應力空間里的破壞點概率分布來做出變形預測，但是理論計算的結(jié)果和試驗結(jié)果不完全匹配。王勇等(2000)基于雙屈服面塑性模型，在材料硬化過程中納入時間因素，得到了一種用于面板壩碎石土流變特性分析的流變模型，并用于模擬Cethana壩的變形。郭興文等(2001)采用區(qū)分高低圍壓的沈珠江三參數(shù)模型，通過三維有限元軟件，研究了堆石流變性對水布埡面板堆石壩性狀影響。梁軍等(2002)研究發(fā)現(xiàn)碎石土的流變模型中參數(shù)應當以變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的反分析獲取，并深入地研究流變性質(zhì)的影響因素，結(jié)合理性分析和感性認識來辨識流變模型的參數(shù)，認為計算分析、影響因素分析和經(jīng)驗判斷在確定流變參數(shù)時同等重要。陳曉斌等(2007)通過自制的大型三軸流變儀器，分析了不同應力狀態(tài)、含水量、時間因素對其流變性質(zhì)的影響和其流變機理。同時也根據(jù)試驗情況，建立了考慮上述影響的6元件改進Burgers流變模型。傅華等(2009)利用風干狀態(tài)下的試樣在大型三軸壓縮儀和大型單軸壓縮儀上進行力學試驗，通過研究試驗后樣品的顆粒級配的變化，提出顆粒的破碎關系到粗粒土的強度問題和流變問題。但是只是定性分析了這一關系，沒有得出相關的力學模型。Zhang Lei(2011)利用堆石壩沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，反演沈氏流變模型的參數(shù)，并利用這些參數(shù)計算求得了壩內(nèi)材料的應力和應變。

2)滑坡滑床基巖的流變特性和流變模型。巖石的流變特性和流變模型是巖石流變理論的研究重點。在巖石的流變本構模型研究工作中，常根據(jù)經(jīng)驗和理論得出不同類型巖石的流變本構模型。張向東等(2004)基于老化理論，且假設等時曲線均相似，變形函數(shù)則采用冪次函數(shù)，提出泥巖的非線性流變模型。Liu Jiang(2006)對研究了巖鹽流變特性與溫度和應力水平的關系，建立的本構模型表明，穩(wěn)定蠕變階段應變率與偏應力和溫度呈非線性關系。Zhang Ning(2009)通過高溫高壓條件下巖石流變試驗，提出靜水壓力作用下巖石發(fā)生與剪應力作用流變現(xiàn)象類似的流變行為，并通過試驗數(shù)據(jù)擬合得出了花崗巖的流變本構模型。理論模型主要包括元件模型，損傷模型和基于內(nèi)時的模型。孫鈞等(1991)假設巖石發(fā)生蠕變時粘塑性變形的等時曲線相似，分析了粘滯系數(shù)在加載應力和加載時間時的變化規(guī)律，并基于廣義賓漢姆模型，修正了線性牛頓粘滯體，提出了能反映巖石蠕變時三個典型階段的流變本構模型，周德培等(2001)基于巖石蠕變階段中的加速蠕變階段，建立了一種基于牛頓流體粘滯的阻尼元件，并將其與反映巖石等速蠕變、減速蠕變特性的模型結(jié)合，建立了一種新的流變力學模型。Zhou H.W.(2011)將西原町模型中的牛頓阻尼器更換為阿貝爾阻尼器，用實驗結(jié)果擬合模型中函數(shù)的參數(shù)，提出了一個新的流變元件模型。Zhang Qingzhao(2011)基于節(jié)理巖體剪切流變試驗，指出節(jié)理巖體流變過程中穩(wěn)定流變階段并不明顯，并建立了修正的Burger模型來反映節(jié)理巖體的蠕變性質(zhì)。隨著損傷力學和斷裂力學在巖石力學中的廣泛應用，基于巖體損傷斷裂理論的流變模型也取得了長足進展。Erichsen，C.(2006)綜合考慮了蠕變的瞬時、穩(wěn)定和加速性質(zhì)，以及蠕變的剪脹和破壞后力學行為，建立三維彈性本構方程，并用有限元軟件建立數(shù)值本構模型，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)一致。Günther將巖鹽應變硬化作為內(nèi)時變量，建立一個能綜合描述巖鹽蠕變力學行為的本構模型，并通過室內(nèi)試驗不斷對模型進行優(yōu)化，最終的本構方程能夠較好地近似巖鹽蠕變過程中的瞬間階段，穩(wěn)定階段，加速階段的蠕變變形和剪脹現(xiàn)象。

目前關于巖石流變機理和模型的研究，本構關系僅能反映巖土體物質(zhì)組成和結(jié)構構造引起的流變特性差異，也有少量學者研究了不同應力路徑、溫度變化、孔隙水壓力變化條件下巖體的流變機理和本構模型。對于在庫水位波動下，庫水位變動帶內(nèi)動水壓力對滑坡巖體流變特性影響的研究國內(nèi)外還未開展。

邊坡巖土體流變模型識別及力學參數(shù)獲取對邊坡穩(wěn)定性評價、預測預警具有至關重要的影響。巖土體蠕變本構模型的研究盡管已經(jīng)取得了一些成果，但仍然處于研究的初期階段，特別是參數(shù)時效性的判定及其與時間關系式的確定方面還有大量的工作要做，目前，在非線性流變模型的研究已經(jīng)取得了一些成果，但在模型中參數(shù)時效性的考慮還很有限，而且能應用到實際工程中的成果還不多見。如何在已有巖石粘彈性或粘塑性模型辨識的基礎上，對優(yōu)化求解方法進行改進，在保證辨識準確性和辨識效率的基礎上簡化辨識過程，從而為巖石蠕變模型的一般性辨識尋找一種新方法將是未來研究的一個重要方向。

3 結(jié)語

盡管國內(nèi)外在滑坡防治工程效果評價研究方面取得了較大的進展，但目前對在這方面的研究還存在很多不足。

庫區(qū)滑坡—防治結(jié)構體系的時效特征的研究還未考慮水位波動對滑坡巖土體及防治結(jié)構流變特性的影響。國外學者對在降雨入滲條件下滑坡土體蠕變模型與含水率的關系略有研究，但并未涉及庫水位波動條件。

目前國內(nèi)外研究主要是集中于滑帶的流變特性研究和滑坡巖土體時效特征，并未對滑坡—防治結(jié)構體系的時效特性展開研究。

滑坡巖土體流變特性、長期強度對滑坡穩(wěn)定性影響的研究，主要集中于滑坡巖土體物質(zhì)組成、降雨入滲、地震荷載等因素影響下流變特性對滑坡穩(wěn)定性的影響;并且當前的研究主要關注缺少防治結(jié)構植入條件下巖土體流變性質(zhì)對滑坡的穩(wěn)定性影響。在水庫運行條件下，滑坡巖土體的流變特性及其對滑坡穩(wěn)定性的影響，必須考慮動水壓力的作用。在滑坡已有防治結(jié)構的前提下，巖土體流變特性、長期強度對滑坡—防治結(jié)構體系的復合體的影響國內(nèi)也尚未展開相應研究。

［1］陳沅江.巖石流變的本構模型及其智能辨識研究［D］.長沙:中南大學，2003.

［2］陳衛(wèi)兵.考慮巖土材料流變特性的強度折減法研究［D］.武漢:中國科學院巖土力學研究所博士論文，2008.

［3］陳曉斌，張家生，封志鵬.紅砂巖粗粒土流變工程特性試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2007(3):601-607.

［4］丁秀麗，付 敬，劉 建，等.軟硬互層邊坡巖體的蠕變特性研究及穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(19):3410-3419.

［5］樊曉一.滑坡位移多重分形特征與滑坡演化預測［J］.巖土力學，2011(6):1831-1837.

［6］傅 華，凌 華，蔡正銀.粗顆粒土顆粒破碎影響因素試驗研究［J］.河海大學學報(自然科學版)，2009(1):75-79.

［7］龔 成.錦屏一級水電站左岸邊坡巖體流變力學特性及施工期變形穩(wěn)定性分析［D］.成都:成都理工大學碩士論文，2011.

［8］郭興文，孫林松，于玉莽.堆石流變性對水布埡面板堆石壩性狀影響的研究［J］.河海大學學報(自然科學版)，2001(3):88-91.

［9］韓世蓮，周虎鑫，陳榮生.土和碎石混合料的蠕變試驗研究［J］.巖土工程學報，1999，21(2):61-64.

［10］蔣昱州，徐衛(wèi)亞，王瑞紅，等.拱壩壩肩巖石流變力學特性試驗研究及其長期穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(S2):3700-3711.