吸力可控條件下的北方紅黏土蠕變特性*

孫萍萍 張茂省 谷天峰 劉蒙蒙 黨心悅 趙云峰

(①西北大學(xué)地質(zhì)系，大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710069，中國) (②中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，自然資源部黃土地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054，中國)

0 引 言

紅黏土在我國的南、北方都有分布，但從形成時(shí)代、成因、物質(zhì)組成、工程特性等方面都存在差異(趙云峰，2017)。本文研究的北方紅黏土，是在黃土高原地區(qū)廣泛沉積于古近紀(jì)、新近紀(jì)的一套紅色土狀沉積物，因其通常含較多的三趾馬化石，又被稱之為三趾馬紅土(Ding et al.，1999)。北方紅黏土不連續(xù)下伏于黃土之下，沉積厚度不等，從數(shù)米到上百米均可見，巖性以黏土為主，夾雜砂或砂礫巖。

與第四紀(jì)沉積物相比，北方紅黏土具有土質(zhì)致密、堅(jiān)硬且隔水性好、塑性強(qiáng)、壓縮性較低的特點(diǎn)，當(dāng)含水量較低時(shí)，其力學(xué)強(qiáng)度較高，呈半成巖的特點(diǎn)，具有一定的泥巖力學(xué)特性，含水量升高后強(qiáng)度降低，且具有一定的膨脹性(楊慶等，2003)，是典型的易滑地層之一(張茂省等，2011；Li et al.，2015；Shi et al.，2018)。黃土-紅黏土型滑坡在北方的黃土高原地區(qū)分布廣泛，規(guī)模以巨型、特大型到中型為主。僅以陜西藍(lán)田的白鹿原為例，在長20km的黃土塬邊，就發(fā)育了大中型黃土-紅黏土滑坡93處(彭建兵等，1992)。

關(guān)于黃土高原地區(qū)紅黏土致滑機(jī)理的研究前人已開展了大量工作(雷祥義等，1991)。但這些研究多將紅黏土視為弱透水層，探討在其附近形成相對飽水帶而產(chǎn)生滑動的過程(穆文平等，2016)。關(guān)于紅黏土工程特性的研究，則多集中于不同沉積環(huán)境、氣候及人類活動擾動條件下的物理力學(xué)性質(zhì)的變化(張永雙等，2002；陳學(xué)軍等，2018；陳鴻賓等，2019)，也有少量研究關(guān)注其非飽和抗剪強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)(周遠(yuǎn)忠等，2012；傅鑫暉等，2013；郭敬林等，2016)。然而，大量實(shí)例表明，紅黏土對斜坡穩(wěn)定性具有較強(qiáng)的控制作用，且紅黏土遇水后的強(qiáng)度降低、變形增大并不是立即發(fā)生，往往需要一個(gè)時(shí)間過程(曲永新等，1999；Deng et al.，2016；Leng et al.，2018；Luo et al.，2019)。因此開展紅黏土的蠕變特性研究，對于區(qū)分滑坡的蠕動變形與整體滑動階段具有重要作用，是黃土高原地區(qū)黃土-紅黏土型滑坡預(yù)報(bào)的關(guān)鍵(宋克強(qiáng)等，1994)

圖 1 紅黏土出露及采樣位置示意圖Fig. 1 Schematic for locations of red clay exposure and sampling

圖 2 采樣位置工程地質(zhì)剖面圖Fig. 2 Geological cross-section of the sampling site1. 上更新統(tǒng)黃土；2. 中更新統(tǒng)黃土；3. 下更新統(tǒng)黃土；4. 鈣質(zhì)結(jié)核；5. 泥巖；6. 砂礫巖

關(guān)于黏性土蠕變特性的研究，早期多采用模型或理論預(yù)測(Drucker et al.，1957; Keedwell，1984)，隨著測試技術(shù)的發(fā)展，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐栽囼?yàn)測試為主，我國紅黏土蠕變特性的研究對象多集中于南方的紅黏土(Liu et al.，2016；周翠英等，2020)。徐運(yùn)龍(2018)、張瑤丹等(2019)、陳昌富等(2019)分別針對云南、貴陽和湖南的紅黏土蠕變特性開展了試驗(yàn)研究。Li et al.(2018)針對湖南紅黏土開展了低應(yīng)力水平下的非飽和紅黏土蠕變特性試驗(yàn)，并對其耦合模型進(jìn)行了探討。然而，北方紅黏土由于其上覆厚層黃土而較少地被關(guān)注。位于我國北方的陜西藍(lán)田縣，其區(qū)內(nèi)紅黏土分布廣泛具典型性，1966年的“陜西藍(lán)田新生界現(xiàn)場會議”就在此召開，且黃土-紅黏土滑坡在黃土塬邊密集發(fā)育。本文以陜西藍(lán)田境內(nèi)的紅黏土為研究對象，將紅黏土的飽水狀態(tài)引入其長期強(qiáng)度特性的研究當(dāng)中，在室內(nèi)開展了吸力可控條件下的紅黏土三軸蠕變試驗(yàn)，基于測試結(jié)果分析了不同凈圍壓、吸力等條件下的非飽和紅黏土蠕變特征，以期為滑坡的機(jī)理研究與預(yù)測提供一套符合實(shí)際又富有新意的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 樣品采集與測試

1.1 試驗(yàn)土樣

研究區(qū)位于陜西藍(lán)田，地處黃土高原的最南端，區(qū)內(nèi)紅黏土廣泛出露于白鹿原塬邊和黃土丘陵地帶。其中，位于灞河左側(cè)的白鹿原，其黃土塬邊地帶滑坡密集發(fā)育且呈帶狀分布，滑坡新老重疊，相互連接，滑坡連續(xù)分布長度占到了塬邊斜坡總長度的90%以上(圖 1)。這些滑坡都分布于紅黏土出露的斜坡，剪出口多位于紅黏土與灞河組砂巖的接觸面(王洋等，2007)。以白鹿原塬邊紅黏土出露典型的滿家坡斜坡為例，開展了紅黏土的原狀樣品采集，

表 1 試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)Table1 Physical properties of tested soil

濕密度ρ/g·cm-3含水率w/%干密度ρd/g·cm-3孔隙比e比重G液限WL/%塑限WP/%飽和滲透系數(shù)Ksat/cm·s-11.97316.471.6940.612.7146.1719.952.07E-6

樣品采集深度為5m(圖 2)。室內(nèi)開展了平行試驗(yàn)，對其基本物理性質(zhì)進(jìn)行測試，測試結(jié)果取均值后列于表 1。

1.2 蠕變試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)儀器

1.2.2 試驗(yàn)方案

本次開展的非飽和三軸蠕變試驗(yàn)，主要是研究凈圍壓σ3-ua和吸力ua-uw對紅黏土蠕變特性的影響，其中的關(guān)鍵步驟包括吸力控制、固結(jié)和施加偏應(yīng)力等。

(1)吸力控制。依托自然資源部黃土地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TRIM(Transient Release and Imbibition Method，以下簡稱TRIM)試驗(yàn)測試儀(孫萍萍等，2019)，測定并獲取了研究區(qū)典型紅黏土在脫濕和增濕條件下的土-水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)曲線(圖 3)。研究區(qū)紅黏土含水率在11.4%～22.3%之間，對應(yīng)吸力值為0～170kPa，因此試驗(yàn)過程中的吸力分別控制為0，100kPa和200kPa。首先通過風(fēng)干或注水將試樣含水率調(diào)整為接近預(yù)設(shè)吸力(吸濕曲線)，然后安裝樣品，再調(diào)整孔隙氣壓力(0，100kPa和200kPa)并維持孔隙水壓力為0，以達(dá)到平衡吸力的目的。吸力平衡過程中，需要每天測量吸力(關(guān)閉排水閥，測量孔壓)，以判斷是否平衡，此過程需要2～4周。

圖 3 紅黏土的土-水特征曲線Fig. 3 Soil-water characteristic curve for red clay

(2)固結(jié)。當(dāng)樣品的吸力保持恒定后，對其進(jìn)行等向固結(jié)。施加的固結(jié)壓力為凈圍壓加上孔隙氣壓?？紤]到研究區(qū)紅黏土上覆黃土層的厚度，試驗(yàn)的凈圍壓取值分別為100kPa、200kPa和300kPa。

(3)施加偏應(yīng)力。一般而言，室內(nèi)蠕變試驗(yàn)的加載方式有多試樣分別加載和單試樣分級加載兩種。其中，多試樣分別加載作為一種理想的試驗(yàn)方法，因很難獲取多組性質(zhì)均一的樣品，而較少被采用。單試樣分級加載中，上一級荷載會對下一級荷載的變形產(chǎn)生一定影響，但該方法可以節(jié)省試驗(yàn)所需樣品，同時(shí)也可減少因樣品性質(zhì)不均一而造成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性，因而在蠕變試驗(yàn)中被廣泛使用(賴小玲等，2012；胡新麗等，2014；Xie et al.，2018)。本次試驗(yàn)采用的也是單試樣分級加載方法，在試驗(yàn)開始前，通過原狀紅黏土的三軸試驗(yàn)，獲得紅黏土的抗剪強(qiáng)度，再根據(jù)抗剪強(qiáng)度，將荷載增量設(shè)置為50kPa，加載方式見表 2。

當(dāng)一級荷載作用下樣品變形達(dá)到穩(wěn)定或時(shí)間達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)后，開始施加第二級荷載，荷載逐級施加至樣品破壞(孫鈞，1999)。據(jù)前人研究和測試經(jīng)驗(yàn)，本次以被測樣品1d內(nèi)的變形量小于0.01mm作為蠕變穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，逐級施加荷載的過程中，在每一級偏應(yīng)力水平作用下的樣品蠕變時(shí)間約為1～2周。

表 2 非飽和土紅黏土蠕變試驗(yàn)加載方案Table2 Loading scheme for the creeping test of unsaturated red clay

試樣編號吸力uw-ua/kPa凈圍壓σ3-ua/kPa加載等級/kPaa1010050, 100, 150, 200, 250, 300, 350a220050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400a330050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500b110010050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400b220050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450b330050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550c120010050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450c220050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500c330050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600

圖 4 不同吸力下分級加載的蠕變曲線Fig. 4 Creeping curves under different matric suctionsa. S=0；b. S=100kPa；c. S=200kPa

圖 5 不同荷載和凈圍壓下應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線Fig. 5 Changes of strain with time under different loading stress and confining pressuresa. σ3=100kPa；b. σ3=200kPa；c. σ3=300kPa

2 蠕變特征分析

2.1 蠕變曲線

圖4為吸力S分別控制在0、100kPa和200kPa時(shí)，分級加載條件下應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用Boltzmann線性疊加原理將分級加載所得到的曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到凈圍壓σ3分別為100kPa、200kPa和300kPa時(shí)應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線(圖 5)，可以看出，不同吸力和凈圍壓下紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢相近。當(dāng)施加的偏應(yīng)力低于破壞荷載時(shí)，被測樣品先發(fā)生瞬時(shí)變形，之后變形呈指數(shù)衰減趨勢，并最終趨于穩(wěn)定，說明測試的紅黏土存在蠕變的特性。當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，變形趨于穩(wěn)定的時(shí)間很短；隨著偏應(yīng)力增大，變形穩(wěn)定時(shí)間增長，變形量增加。當(dāng)偏應(yīng)力接近破壞荷載時(shí)，被測樣品先發(fā)生蠕變變形，當(dāng)變形累積到一定程度時(shí)，變形速度加快，土體破壞；當(dāng)偏應(yīng)力達(dá)到或超過破壞荷載時(shí)，試樣在加載過程中迅速破壞。其原因在于開始施加荷載時(shí)，樣品顆粒間的孔隙相對較大，較小的外力即可使顆粒之間產(chǎn)生相對錯(cuò)動，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組并在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡。隨著施加的偏應(yīng)力逐漸增大，樣品變得越來越密實(shí)，顆粒間相對運(yùn)動的阻力越來越大，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組需要很長的時(shí)間才能達(dá)到平衡。當(dāng)施加的偏應(yīng)力足夠大時(shí)，顆粒間無法產(chǎn)生較小的相對運(yùn)動而達(dá)到土體結(jié)構(gòu)的平衡，此時(shí)樣品破壞。相同凈圍壓及偏應(yīng)力情況下，低吸力試樣蠕變變形即蠕變速度均大于高吸力下的試樣，表明吸力對紅黏土蠕變特性有顯著的影響。吸力相同時(shí)，圍壓越大，則需要更大的壓力才能使被測樣品屈服破壞，說明被測土體的蠕變強(qiáng)度也越大。

將應(yīng)變-時(shí)間曲線取對數(shù)，得到對數(shù)坐標(biāo)下的蠕變曲線(圖 6)，可以看出，當(dāng)施加的偏應(yīng)力低于破壞荷載作用時(shí)，蠕變曲線基本彼此平行，呈現(xiàn)較強(qiáng)的線性規(guī)律，說明紅黏土的蠕變曲線呈對數(shù)關(guān)系；當(dāng)施加的偏應(yīng)力接近或大于破壞荷載作用時(shí)，對數(shù)蠕變快速上揚(yáng)，出現(xiàn)拐點(diǎn)。

圖 6 對數(shù)坐標(biāo)蠕變曲線(ua-uw=100kPa)Fig. 6 Creeping curves under logarithmic coordinates(ua-uw equals 100kPa)a. σ3=100kPa；b. σ3=200kPa；c. σ3=300kPa

圖 7 紅黏土試樣破壞后的照片F(xiàn)ig. 7 Photographs for red clay after failure

圖7為紅黏土加載破壞后的照片，可見，隨著荷載的不斷增大，試樣都有一個(gè)緩慢鼓脹的過程，且所有試樣均可見剪切面。

2.2 凈圍壓對紅黏土蠕變的影響

圖8為不同凈圍壓下的應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線，可以看出3種圍壓作用下，應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線其趨勢總體一致，樣品的形變量與圍壓成反比。當(dāng)圍壓較低時(shí)，樣品的形變需要較長時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。這主要是因?yàn)?，圍壓較低的情況下，被測樣品的側(cè)向受到較小的限制，土體顆粒容易在較小的外力作用下發(fā)生側(cè)向移動，樣品的破壞以垂向壓縮為主，并伴有明顯的鼓脹變形，變形量數(shù)值上較大圍壓下的值要大。

2.3 吸力對紅黏土蠕變的影響

圖9為對于給定圍壓時(shí)不同吸力下的紅黏土蠕變曲線，可以看出當(dāng)圍壓為定值時(shí)，在3種不同的吸力下，蠕變曲線的變化趨勢總體一致。當(dāng)圍壓和荷載等級為定值時(shí)，變形量隨吸力的增加而減小，穩(wěn)定時(shí)間隨吸力減小而增大。在高吸力下，由于土體含水率低，力學(xué)強(qiáng)度高，顆粒間摩擦阻力相對較大，因此樣品的形變量小且應(yīng)變在較快的時(shí)間即可達(dá)到穩(wěn)定；在低吸力情況下，土體含水率低而力學(xué)強(qiáng)度高，顆粒間因?yàn)檩^高的含水量而使得其間的摩擦阻力減小，使得土體在外力作用下更易發(fā)生變形，因此被測樣品的形變量較大且應(yīng)變需要在耗時(shí)較長的情況下才能達(dá)到穩(wěn)定。

據(jù)圖 5和圖 6的蠕變曲線可得出被測樣品的應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線(圖 10)，可以看出隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力呈非線性增長，且增長特征符合冪函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)的變化趨勢。無論吸力為0，100kPa或是200kPa的情況下，隨試驗(yàn)時(shí)間的增長，對于任一固定的應(yīng)變值，曲線斜率逐漸變小，即在相同應(yīng)力下，其作用時(shí)間越長應(yīng)變越大。應(yīng)變?yōu)槎ㄖ禃r(shí)，圍壓變化與所施加的垂向應(yīng)力成正比；垂向應(yīng)力為定值時(shí)，應(yīng)變與圍壓成反比；當(dāng)吸力相同而圍壓較大時(shí)，則需要較大的垂向應(yīng)力才能使樣品產(chǎn)生破壞，即土體的屈服強(qiáng)度較大；隨著吸力增加屈服強(qiáng)度增大。其變形特征與Li et al.(2017)研究的南方紅黏土變形特征相似，但其試驗(yàn)采用的是增大圍壓和吸力的方式實(shí)現(xiàn)蠕變，與本文的應(yīng)力路徑不同。

圖 8 不同凈圍壓下應(yīng)變-時(shí)間曲線(ua-uw=100kPa)Fig. 8 Changes of strain with time under different confining pressures(ua-uw equals 100kPa)a. σ1-σ3=50kPa；b. σ1-σ3=100kPa；c. σ1-σ3=150kPa；d. σ1-σ3=200kPa；e. σ1-σ3=250kPa；f. σ1-σ3=300kPa

圖 9 相同圍壓下不同吸力的蠕變曲線Fig. 9 Creeping curves under different matric suctions with the same confining pressurea. σ3=100kPa；b. σ3=200kPa；c. σ3=300kPa

圖 10 不同吸力下黃土的應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線Fig. 10 Changes of stress with strain under different matric suctionsa.ua-uw=0；b. ua-uw=100kPa；c. ua-uw=200kPa

圖 11 莫爾-庫侖包面Fig. 11 Envelope of Mohr-Coulomba. 等時(shí)曲線法；b. 拐點(diǎn)法

3 紅黏土長期強(qiáng)度分析

巖土體的長期強(qiáng)度是對坡體的長期穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)和預(yù)測的關(guān)鍵參數(shù)(孫淼軍等，2017)，而等時(shí)曲線法和拐點(diǎn)法是用于確定巖土體長期強(qiáng)度參數(shù)的常用方法。由圖 10可知，隨著應(yīng)力的增大，曲線呈現(xiàn)出更為明顯的非線性，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)曲線曲率明顯變小，該點(diǎn)即被看作是強(qiáng)度屈服點(diǎn)。依據(jù)此方法，可得到不同凈圍壓、不同吸力下的長期強(qiáng)度。依據(jù)這些強(qiáng)度繪制莫爾圓，進(jìn)而可擬合得到莫爾-庫侖包面，回歸得到非飽和紅黏土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。由圖 11a可知，其黏聚力、內(nèi)摩擦角和吸力內(nèi)摩擦角分別為30.2kPa，23.6°和20.5°。應(yīng)力-應(yīng)變曲線的拐點(diǎn)也常作為判斷巖土體長期強(qiáng)度的關(guān)鍵(沈明榮等，2012)，即拐點(diǎn)法，據(jù)此方法同樣可以得到莫爾-庫侖包面(圖 11b)，可知由此得到的紅黏土黏聚力、內(nèi)摩擦角和吸力內(nèi)摩擦角分別為22.1kPa，21.4°和19.3°。可見，拐點(diǎn)法得到的紅黏土長期強(qiáng)度值要略低于等時(shí)曲線法得到的強(qiáng)度值。飽和紅黏土(吸力為0)長期強(qiáng)度比吸力200kPa的紅黏土長期強(qiáng)度降低了約50%。

4 結(jié) 論

(1)紅黏土蠕變特性明顯，不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有相近的變化趨勢，且均服從冪函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)的變化。偏應(yīng)力低于破壞荷載時(shí)，土體產(chǎn)生瞬時(shí)形變后呈衰減趨勢并最終趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)間隨偏應(yīng)力的增大而增長；偏應(yīng)力接近破壞荷載時(shí)，土體產(chǎn)生蠕變變形，變形累加后加速變形至土體破壞；偏應(yīng)力大于破壞荷載時(shí)，土體迅速破壞。

(2)凈圍壓和偏應(yīng)力一定時(shí)，土體變形量隨吸力的增加而減?。晃σ欢〞r(shí)，土體變形量與凈圍壓成反比。軸向應(yīng)變相同時(shí)，圍壓越大所需施加的軸向應(yīng)力也越大；軸向應(yīng)力相同時(shí)，圍壓越大發(fā)生的軸向應(yīng)變越小。吸力相同時(shí)，圍壓越大，樣品屈服破壞所需施加的軸向應(yīng)力越大，屈服強(qiáng)度也越大；吸力增加屈服強(qiáng)度增大。

(3)吸力對紅黏土的蠕變特性具有控制作用，吸力越小土體的蠕變性越強(qiáng)，其屈服強(qiáng)度也較小，說明含水率增大會增大滑帶紅黏土的蠕變量，加速滑坡的形成，與吸力為200kPa時(shí)的紅黏土相比，飽和紅黏土(吸力為0)長期強(qiáng)度降低了約50%。