魏家溝滑坡滑帶土非飽和蠕變特性試驗研究

黃志全, 李小慧, 孫 怡, 李 磊

(華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450045)

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魏家溝滑坡滑帶土非飽和蠕變特性試驗研究

黃志全, 李小慧, 孫 怡, 李 磊

(華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450045)

滑帶是滑坡的一個重要結(jié)構(gòu)要素,滑帶土則是滑坡滑動過程中形成的特殊巖土體,其蠕變特性是滑坡動態(tài)演化過程的直接反映.降雨是滑坡失穩(wěn)的重要誘因,在降雨入滲的條件下會導(dǎo)致滑帶土常年處于非飽和狀態(tài),研究降雨條件下的滑坡滑帶土非飽和蠕變特性具有很重要的意義.以欒川魏家溝滑坡滑帶土為研究對象,開展了一系列非飽和土蠕變試驗.采用陳氏加載法,得到了相同凈圍壓、不同基質(zhì)吸力、不同應(yīng)力水平下的蠕變試驗曲線.采用Boltzmann疊加原理對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分析滑帶土非飽和蠕變特性,發(fā)現(xiàn)同一偏應(yīng)力水平下,蠕變變形及變形速率均隨著偏應(yīng)力的增大而增大,且隨著基質(zhì)吸力的減小而增大;建立了一種包含基質(zhì)吸力的Singh-Mitchell蠕變模型,即剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用指數(shù)函數(shù)表示,應(yīng)變-時間關(guān)系采用冪函數(shù)表示.

滑帶土;非飽和三軸蠕變試驗;基質(zhì)吸力;Singh-Mitchell蠕變模型

國內(nèi)外大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計與研究表明,絕大多數(shù)滑坡的發(fā)生都與降雨有直接關(guān)系,降雨是邊坡失穩(wěn)的重要誘導(dǎo)因素[1-3].這是由于降雨入滲直接導(dǎo)致邊坡巖土體強度降低,這時的土體處于飽和-非飽和動態(tài)轉(zhuǎn)化中,為此研究降雨作用下的非飽和土的蠕變特性具有重要意義.

關(guān)于土體蠕變特性的研究,前人在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上,通過理論與試驗相結(jié)合建立了大量的蠕變模型.王琛等[4-6]進(jìn)行了三峽泄灘滑坡體滑帶土的三軸排水蠕變試驗研究,分別采用Singh-Mitchell 與Mesri 模型描述三峽泄灘滑坡滑帶土的蠕變特性,并提出了改進(jìn)的Singh-Mitchell 蠕變方程與改進(jìn)的Mesri 模型.孔令偉等[7]利用GDS應(yīng)力路徑三軸試驗系統(tǒng),開展不同圍壓下湛江強結(jié)構(gòu)性黏土的三軸固結(jié)排水剪切蠕變試驗,分析蠕變性狀的結(jié)構(gòu)性效應(yīng),建立了相應(yīng)的蠕變模型.

這些研究大多是針對飽和土的蠕變特性,關(guān)于非飽和土的蠕變特性研究較少.Oldecop等[8]通過氣相法控制吸力,研究了堆石壩填料一維壓縮蠕變特性,發(fā)現(xiàn)壓縮系數(shù)與土樣總吸力存在相關(guān)關(guān)系.賴小玲等[9-10]針對三峽庫區(qū)某滑坡滑帶土進(jìn)行了非飽和三軸蠕變試驗,建立了各級吸力水平下滑帶土的Mesri 蠕變模型.

筆者基于室內(nèi)試驗,利用非飽和三軸蠕變儀,采用陳氏加載法開展一系列相同凈圍壓(100 kPa),不同基質(zhì)吸力、不同應(yīng)力水平下的非飽和土三軸排水蠕變試驗.在試驗基礎(chǔ)上借鑒飽和蠕變經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚐ingh-Mitchell的建模思想,建立了一種包含基質(zhì)吸力的非飽和Singh-Mitchell模型.

1 滑帶土非飽和三軸蠕變試驗

魏家溝滑坡位于河南省欒川縣潭頭鎮(zhèn)石門村魏家溝自然村范圍內(nèi),滑坡區(qū)屬于河谷岸坡地貌,為順層滑坡.魏家溝滑坡區(qū)是一個復(fù)雜的滑坡體,曾于1964年和2004年先后兩次不同部分發(fā)生滑動.影響滑坡區(qū)整體穩(wěn)定性的主要因素就是降雨,在降雨入滲的影響下,地下水位抬升,滑帶土強度參數(shù)值下降幅度很大,穩(wěn)定性大大降低,降雨使得滑帶土長期處于飽和與非飽和的動態(tài)過程中.此次試驗土樣取自于欒川魏家溝滑坡滑帶土順層基巖滑坡滑帶.由《土工試驗規(guī)范》(SD 128—84)[11]確定土樣為粉質(zhì)黏土,其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo):含水率ω=24.5%,密度ρ=1.84 g/cm3,孔隙比e=0.72,飽和度Sr=80.5%,塑性指數(shù)IP=16.7,黏聚力c=30.4 kPa,內(nèi)摩擦角φ=18°.

由于滑帶土取樣較為困難,不易存放和運輸,本次試驗采取重塑樣進(jìn)行試驗.所取土樣風(fēng)干后過2 mm篩,以天然含水率配制土樣,然后裝入保鮮袋并放在保濕缸內(nèi)靜置24 h,以便水分均勻.試樣尺寸Φ61.8 mm×120.0 mm,最后抽真空飽和24 h.

試驗裝置采用江蘇省溧陽市生產(chǎn)的2FSR-6型非飽和土三軸蠕變儀,該儀器包含圍壓控制系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)、軸向力加載系統(tǒng)、軸向變形量測系統(tǒng)等,圍壓和氣壓通過空氣壓縮機(jī)施加(0～2 MPa),軸向壓力通過砝碼施加,儀器各部分能夠獨立工作.由于滑帶土長期處于受剪的狀態(tài),三軸排水剪切試驗更能真實地反映其狀態(tài),故試驗采取固結(jié)排水剪.試驗在(20±1) ℃下進(jìn)行,采用分級加載的方式,試驗前需進(jìn)行非飽和三軸試驗來確定試樣抗剪強度,以便為非飽和蠕變試驗提供加載依據(jù).

1.1 非飽和三軸剪切試驗

該試驗采用英國GDS公司研制生產(chǎn)的GDS非飽和三軸固結(jié)剪切儀,按照試驗方案對滑帶土進(jìn)行了非飽和三軸試驗,確定了不同圍壓、不同吸力條件下的抗剪強度.試驗過程中孔隙水壓力始終保持為0,因而孔隙氣壓力與基質(zhì)吸力在數(shù)值上相等.試驗結(jié)果及非飽和蠕變試驗加載方案見表1.

表1 非飽和三軸剪切試驗結(jié)果及非飽和蠕變加載方案

1.2 非飽和土蠕變試驗

1)飽和陶土板.不裝試樣,關(guān)閉壓力室閥門,裝好壓力室外罩,將其充滿水,通過圍壓控制器向壓力室內(nèi)施加試驗過程中可能達(dá)到的最大圍壓,關(guān)閉排水閥門.在該壓力下持續(xù)關(guān)閉約1 h,然后打開閥門,沖洗陶土板下積聚的氣泡,再次關(guān)閉閥門,重復(fù)上述步驟,直到排水閥有水連續(xù)排出,可認(rèn)為陶土板達(dá)到飽和.

2)吸力平衡階段.裝樣結(jié)束后,同時施加圍壓σ3與氣壓ua,并保持5 kPa的差值,用以避免試樣過分壓縮.當(dāng)試樣2 h內(nèi)排水小于0.01 mm3時,即認(rèn)為達(dá)到了吸力平衡.

3)固結(jié)階段.施加圍壓至設(shè)定值,此階段保持氣壓不變,直至試樣固結(jié)穩(wěn)定,達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)同吸力平衡階段,將固結(jié)完成后測得的數(shù)據(jù)作為蠕變試驗的初始值.

4)加載階段.采用分級加載的方法施加偏應(yīng)力q,本次試驗分3～4級加載,總荷載即為相同凈圍壓、相同基質(zhì)吸力下非飽和三軸試驗得到的試樣破壞強度,即每次荷載增量為破壞荷載的1/4～1/3,加載方式見表1.施加下一級偏應(yīng)力時應(yīng)保證上一級偏應(yīng)力下試樣穩(wěn)定,即24 h內(nèi)豎向變形小于0.01 mm,如此反復(fù),直至試樣破壞,得到了滑帶土非飽和三軸蠕變試驗曲線(以σ3=300 kPa為例).由于采用分級加載法,故根據(jù)Boltzmann線性疊加原理推導(dǎo)出分級加載下的應(yīng)變-時間的關(guān)系曲線，如圖1所示.

圖1 非飽和土三軸蠕變試驗曲線

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變時間關(guān)系

由土的流變學(xué)理論可知,蠕變等時曲線和蠕變曲線具有相似性,可以將應(yīng)力-應(yīng)變-時間關(guān)系分別用獨立的應(yīng)力-應(yīng)變和應(yīng)變-時間關(guān)系來表示,則有

ε=f1(σ)f2(t).

(1)

式中:f1(σ)與f2(t)分別為應(yīng)力和時間的函數(shù).Singh-Mitchell[12]在總結(jié)了單級常應(yīng)力加載、排水與不排水三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,認(rèn)為剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用指數(shù)函數(shù),應(yīng)變-時間采用冪次函數(shù)關(guān)系能夠很好地反映土的蠕變特性,寫成應(yīng)變率-應(yīng)力水平-時間關(guān)系式,可表示為

ε=Arexp(αDr)(t/tr)m.

(2)式中:t為試樣加載時間;ε為任一時刻t的軸向應(yīng)變;tr為單位參考時間;Ar為單位參考時間tr下偏應(yīng)力水平為0時的應(yīng)變速率;α為lnε與剪應(yīng)力關(guān)系圖中的線性段斜率;m為lnε-lnt關(guān)系圖中直線段的斜率;Dr為偏應(yīng)力水平,定義為Dr=(σ1-σ3)/(σ1-σ3)f.

式(2)即為Singh-Mitchell方程.當(dāng)λ≠1時,且不考慮初始應(yīng)變,可推導(dǎo)為

ε=Bexp(βDr)(t/tr)λ.

(3)

式中:B=Artr/(1-m);β=α;λ=1-m.

定義βDR為新應(yīng)力水平下的模型參數(shù),則有

則Singh-Mitchell模型可表示為

(4)

2.2 模型參數(shù)的確定

取lnε-lnt關(guān)系曲線中的直線部分作為分析對象,直線段的斜率為λ,如圖2所示.

圖2 不同偏應(yīng)力下的lnε-lnt關(guān)系圖

由于前60 min線性關(guān)系不明顯，故而采用tr=60 min作為參考時間,根據(jù)擬合結(jié)果得到不同偏應(yīng)力水平下的λ值及其平均值見表2,其中R2為擬合直線的相關(guān)系數(shù).

表2 λ及其平均值

Singh-Mitchell假定模型參數(shù)不依賴于時間與應(yīng)力水平，則令t=tr,式(4)可寫為:

ε=Bexp(βDRDR)，

(5)

lnε=lnB+βDRDR.

(6)

由式(5)與式(6)可知,等時曲線lnε-DR為直線.由不同偏應(yīng)力水平的ε-t曲線可得到任一時刻的lnε-DR關(guān)系,其斜率為βDR,截距為lnB.lnε-DR曲線如圖3所示,模型參數(shù)見表3.

圖3 滑帶土的lnε-DR關(guān)系曲線

σ3/kPaβDRβλ1003．0940．58470．084702501．8070．99590．072193002．9940．66370．04875

2.3 Singh-Mitchell模型

將上述所取得的模型參數(shù)代入式(3),可得到魏家溝滑坡滑帶土圍壓σ3=300 kPa,基質(zhì)吸力ua=200 kPa時的Singh-Mitchell模型，即

ε=0.663 7exp(1.447Dr)(t/tr)0.048 75.

3 結(jié) 語

1)魏家溝滑坡滑帶土即使在較小的應(yīng)力水平下也具有明顯的流變性,且不同基質(zhì)吸力、不同偏應(yīng)力條件下的蠕變曲線具有明顯相似性,因而可以采用相同的應(yīng)力-應(yīng)變-時間曲線來模擬不同條件下的蠕變特性.

2)推導(dǎo)出了魏家溝滑坡滑帶土在非飽和三軸應(yīng)力狀態(tài)下的Singh-Mitchell模型,其中剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用指數(shù)函數(shù)表示,應(yīng)變-時間關(guān)系采用冪函數(shù)表示,模型中所有參數(shù)均在不同基質(zhì)吸力下推導(dǎo)得到.

3)該Singh-Mitchell模型可以較好地描述非飽和土的蠕變特性,即土體初始階段的快速衰減蠕變以及后期的穩(wěn)定蠕變,曲線與試驗值基本吻合.但在偏應(yīng)力水平Dr較大時會出現(xiàn)差異,隨著蠕變時間的增長，其變形量較試驗曲線有所增大,具體原因還有待進(jìn)一步研究.

4)滑帶土的非飽和蠕變非常復(fù)雜,本文僅在一種凈圍壓條件下進(jìn)行了試驗研究.然而,為了更好地了解非飽和土的蠕變特性，還需進(jìn)行更多種凈圍壓和不同偏應(yīng)力條件下的研究.

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(責(zé)任編輯：喬翠平)

Experimental Research on Unsaturated Creep Characteristics of Slip Soils in Weijiagou Landslide

HUANG Zhiquan， LI Xiaohui， SUN Yi， LI Lei

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Sliding zone is the most important structural factor of a landslide. Slip soils are peculiar geotechnical soils formed in the sliding process of landslides, and their creep characteristics directly reflect the dynamic developing process of landslides. Rainfall is a main cause of instability for landslides, the slip soils are perennial in unsaturated state under the conditions of rainfall infiltration, thus researching unsaturated creep characteristics of slip soils of landslide under the condition of rainfall has very important significance. Taking slip soils in Weijiagou landslide in Luanchuan as a research object, a series of creep experiments of unsaturated soils were performed. Using Chen′s loading method, the creep experimental curves were obtained under same net confining pressures, different matric suctions and different stress levels. The datum were dealed with by Bolzmann superposition principle, the unsaturated creep characteristics of slip soils were analyzed, and some results were obtained. The results indicate that under the same deviatoric stress level, the creep deformation and the deformation velocity increase with the increase of the deviatoric stresses, and decrease with the increase of matric suction. Then Singh-Mitchell creep model containing a matric suction was established, that is, the relation between shear stresses and strains adopted exponential functions, and the relation between strains and time adopted power functions.

slip soils; unsaturated triaxial creep experiment; matric suction; Singh-Mitchell creep model

2014-12-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(41140030);河南省科技創(chuàng)新人才計劃.

黃志全(1970—),男,河南潢川人,教授,博導(dǎo),博士,主要從事巖土工程方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.010

TU441

A

1002-5634(2015)01-0047-04