低速緩動滑坡滑帶土剪切蠕變特性

周靜靜，趙法鎖，祝艷波，吳 博，陳 沛，宋 飛，楊一帆

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安 710109)

0 引言

自然界中的滑坡，按啟動加速度的大小可劃分為劇動式與緩動式；按滑移速度的大小可劃分為低速、中速和高速滑坡[1]。在黃土高原地區(qū)，低速緩動滑坡一般多是黃土基巖接觸面滑坡，該類滑坡滑速慢、活動強(qiáng)度低，因人員撤離時間充裕一般不易造成人員傷亡，但由于滑坡規(guī)模大且危害時間長，滑坡體上建筑物開裂甚至傾倒災(zāi)害難免，坡體上一些工程活動不得不被迫停止，經(jīng)濟(jì)損失大[2]。低速緩動滑坡從滑帶土的初始變形到滑動面的貫通需要持續(xù)很長時間，在該過程中滑帶土在剪應(yīng)力作用下變形隨時間調(diào)整的特性—蠕變特性，控制了滑坡的運動特征。因此研究滑帶土的剪切蠕變特性，是分析滑坡變形破壞及演化機(jī)制的基礎(chǔ)。

針對新生滑坡和復(fù)活型滑坡，蔣秀姿等[3-4]研究了滑帶土在峰前和殘余狀態(tài)下的蠕變行為,揭示了滑帶土內(nèi)部結(jié)構(gòu)對蠕變行為的控制作用；龍建輝等[5]選取了11個不同類型的滑坡，對其滑帶土取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，研究了邊坡失穩(wěn)時間預(yù)測與滑帶土的蠕變特性之間的聯(lián)系；楊愛武等[6]對吹填軟土的原狀及重塑樣在固結(jié)不排水條件下進(jìn)行了三軸蠕變試驗以及微觀結(jié)構(gòu)測試，揭示了不同蠕變狀態(tài)條件下原狀吹填土及重塑樣微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律；王來貴等[7]研究了巖石的蠕變特性，并對巖石工程的時間效應(yīng)進(jìn)行了理論分析，揭示了巖石第三階段蠕變失穩(wěn)的機(jī)理和規(guī)律；孫淼軍等[8]通過大尺寸三軸蠕變試驗，對蠕動型滑坡滑帶土在不同圍壓和應(yīng)力水平下的蠕變規(guī)律進(jìn)行了研究；LI C[9]、范意民等[10]研究了三峽庫區(qū)滑坡原狀及重塑剪切帶的蠕變特性以及斜坡巖體在長期重力作用下的蠕變特征。但對低速緩動滑坡滑帶土飽水狀態(tài)下的蠕變特性及剪切應(yīng)變速率的研究，成果還較少。因此，開展低速緩動滑坡滑帶土蠕變過程變形及剪應(yīng)變率變化等特性的深入研究，對于認(rèn)識低速緩動滑坡的形成、演化等具有重要的理論意義。

本文以延安市寶塔區(qū)二莊科北區(qū)滑坡為研究對象，基于滑帶土飽和樣不同正應(yīng)力荷載下的直剪蠕變試驗結(jié)果，分析了滑帶土在不同正應(yīng)力荷載下各剪應(yīng)力階段位移變化規(guī)律以及應(yīng)變速率、長期強(qiáng)度等特性。

1 滑坡實例

1.1 滑坡實例概況

二莊科北區(qū)滑坡位于陜西省延安市寶塔區(qū)二莊科支溝北側(cè)，滑坡體前緣由于人工開挖形成四級平臺。高程1 039～1 089 m，相對高差50 m。該滑坡位于黃土斜坡上，東西兩邊有沖溝為界線，平面呈簸箕狀。滑坡寬約282 m，長約119 m，厚度在25 m左右，體積約7.0×105m3，平均滑向約220°，為一中型黃土基巖接觸類滑坡?；瑒用嬖诨潞蟛壳写┑谒南迭S土，中前部沿紅黏土與基巖不整合接觸面發(fā)育，小角度傾向滑坡前緣。滑帶土為紅黏土底部，接觸基巖層由于透水性差致其處于飽和狀態(tài)，滑坡體目前處于蠕動變形階段。滑坡全貌圖見圖1。

該滑坡啟動征兆極不明顯，于2018年11月被發(fā)現(xiàn)有滑動跡象，滑坡后緣出現(xiàn)明顯裂縫，與原有坡面發(fā)生錯動，前緣剪出口明顯。由現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)得知5個月中滑坡滑動變形1.52 m，滑動速率約為0.01 m/d。根據(jù)WP/WLI在1994年提出的關(guān)于滑坡速度的分類標(biāo)準(zhǔn)[11]以及胡廣韜對低速緩動滑坡的定義[1]可知，該滑坡為一典型低速緩動滑坡。

1.2 取樣及物理性質(zhì)參數(shù)測定

本次試驗中的土體取自滑坡前緣剪出口，即紅黏土與基巖接觸面(圖1)。表1為滑帶土基本物理參數(shù)測試結(jié)果。

表1 滑帶土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical property indexes of sliding-zone soil

2 試驗設(shè)備、試樣與試驗方案

2.1 試驗設(shè)備

試驗儀器采用的是ZLB-1型的三聯(lián)直剪蠕變儀，該儀器具有應(yīng)力和應(yīng)變兩種控制模式，且可對試樣同時施加水平剪切荷載和豎向壓縮荷載。內(nèi)置位移傳感器測量精度為0.001 mm。測控系統(tǒng)由數(shù)字伺服控制器、傳感器和計算機(jī)組成，能夠?qū)崟r采集和顯示測試數(shù)據(jù)。在試驗過程中，可以準(zhǔn)確記錄應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.2 試樣

試樣采用內(nèi)徑為61.8 mm，高為20 mm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀制取，真空飽和缸抽氣飽和。試樣共設(shè)計4組，每組2個平行樣。當(dāng)兩個試樣實驗結(jié)果相差過大時，取第3個試樣進(jìn)行第三次試驗。

2.3 試驗方案

2.3.1飽和滑帶土力學(xué)參數(shù)測試

表2為飽和滑帶土力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果。

表2 飽和土樣抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)Table 2 Shear strength and index of saturated samples

2.3.2直剪蠕變試驗

直剪蠕變試驗采用多級加載法進(jìn)行，整個蠕變過程根據(jù)直剪試驗中取得的最大剪應(yīng)力分5級加載，加載方案見表3。當(dāng)上一級蠕變變形量達(dá)到穩(wěn)定(一般認(rèn)為10 000 s內(nèi)，變形量小于0.01 mm可視為穩(wěn)定)后再施加下一級荷載，當(dāng)土樣出現(xiàn)快速破壞后，試驗結(jié)束。本文根據(jù)試驗情況并借鑒前人經(jīng)驗[12]，設(shè)定每級剪應(yīng)力加載時間為720 min。為避免環(huán)境干擾，實驗過程中保持室內(nèi)恒溫恒濕。

表3 直剪蠕變試驗中的剪應(yīng)力加載方案Table 3 Shear stress loading scheme in shear creep test

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 蠕變

圖2為100 kPa正應(yīng)力作用下的滑帶土蠕變曲線，圖3為對蠕變數(shù)據(jù)處理得到的不同正應(yīng)力下飽和滑帶土樣剪切位移—時間關(guān)系曲線。

圖2 100 kPa正應(yīng)力下的直剪蠕變試驗全過程曲線Fig.2 Whole process curve of shear creep test at normal stress of 100 kPa

圖3 不同正應(yīng)力下飽和滑帶土樣剪切位移—時間關(guān)系曲線圖Fig.3 Curves of shear displacement-time of saturated sliding-zone soil samples under different normal stress

圖3中可見，土樣在每級剪應(yīng)力加載下的蠕變變形過程，均呈現(xiàn)出瞬時變形、衰減蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變3個階段。

瞬時變形階段，在每一級剪應(yīng)力施加的瞬時，試樣均會出現(xiàn)一定量的變形，且變形量與施加的剪應(yīng)力大小呈正相關(guān)(圖4)。瞬時變形的產(chǎn)生是由于在施加荷載瞬間，土體孔隙中的部分水被擠壓排出，出現(xiàn)較多孔隙，同時土顆粒承受荷載在短時間內(nèi)增加，使顆粒發(fā)生彈性變形且顆粒間的相對位置調(diào)整使孔隙很快被土顆粒填充所造成的，且剪應(yīng)力越大，瞬時變形也就越大。

衰減變形階段即初始蠕變階段，蠕變速率逐漸減小，且在剪應(yīng)力相對比較小的時候，蠕變變形不是很明顯，但隨著剪應(yīng)力越來越大，蠕變變形顯著增大，且蠕變持續(xù)時間也越來越長，即變形穩(wěn)定需要越來越長的時間(圖5和圖6)。這是由土顆粒在外力作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)和移動引起土體變形，土顆粒之間在不斷地調(diào)整過程中，以至最終平衡外力達(dá)到穩(wěn)定。該過程隨著外力的增大需要更久的時間去調(diào)整，說明衰減蠕變階段的變形量及時間均與施加的剪應(yīng)力水平相關(guān)。當(dāng)速率減小到一定值時出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變階段，變形較小，持續(xù)時間長。在每個試驗的最后一級加載過程中，由于剪應(yīng)力增大到一定值，滑帶土樣發(fā)生了破壞，持續(xù)時間很短，使相應(yīng)的蠕變曲線斜率瞬間增大。

圖4 不同加載階段中瞬時變形量變化圖Fig.4 Variation of instantaneous deformation in different loading stages

圖5 不同加載階段中衰減變形量變化圖Fig.5 Variation of attenuation deformation in different loading stages

圖6 不同加載階段中衰減變形時間變化圖Fig.6 Variation of attenuation deformation time in different loading stages

3.2 等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7為不同正應(yīng)力下飽和滑帶土樣的剪切蠕變試驗的等時應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

圖7 不同正應(yīng)力下飽和土樣等時應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖Fig.7 Isochronous stress-strain curves of saturated samples with different normal stress

由圖7可知，滑帶土試樣在直剪蠕變過程中剪應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性特征，剪應(yīng)變隨剪應(yīng)力的增大而增大，且該趨勢隨著剪應(yīng)力增大更加顯著，曲線具有明顯可見的拐點，拐點后曲線的斜率顯著增大，意味著滑帶土樣在蠕變過程中由于時間的劣化效應(yīng)發(fā)生了塑性破壞。

3.3 滑帶土長期強(qiáng)度

表4是根據(jù)等時應(yīng)力—應(yīng)變曲線、利用曲線中拐點對應(yīng)的剪應(yīng)力值，確定滑帶土樣在不同正應(yīng)力下蠕變試驗的長期強(qiáng)度。圖8是剪切強(qiáng)度的包絡(luò)線圖。

表4 飽和滑帶土樣長期強(qiáng)度Table 4 Long-term strength of the saturated sliding-zone soil sample

圖8 滑帶土剪切強(qiáng)度包絡(luò)線圖Fig.8 Envelope of shear strength of sliding zone soil

圖8中可見，滑帶土樣的長期強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度相比有大幅度的下降，說明滑帶土在長期荷載作用下，土顆粒會調(diào)整位置，從而使顆粒間的咬合作用慢慢弱化致其強(qiáng)度會有明顯降低；圖8中同樣可見，隨著正應(yīng)力增大，長期強(qiáng)度呈增大趨勢。同時，可以發(fā)現(xiàn)正應(yīng)力越大，強(qiáng)度損失也越大。這是由于飽和土樣在相同剪應(yīng)力條件下，正應(yīng)力越大，衰減變形階段的時長越短，排水條件越差，則土樣的強(qiáng)度損失越大。

在低速緩動滑坡滑動過程中，排水條件從變形破壞時基巖接觸面的不透水到滑坡滑動面貫通、前緣剪出口排水的轉(zhuǎn)變致使滑坡的強(qiáng)度損失減小。

3.4 剪應(yīng)變率

圖9是各級正應(yīng)力條件下飽和土樣剪應(yīng)變率—時間曲線圖。

圖9 各級正應(yīng)力下飽和土樣剪應(yīng)變率—時間曲線圖Fig.9 Time series of shear strain rates of saturated samples at different normal stress

圖9中可見，隨著施加剪應(yīng)力荷載時間的延續(xù)，土樣的剪應(yīng)變率均逐漸減小并最終趨于某一穩(wěn)定值，表明土樣的衰減蠕變階段結(jié)束，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段。在不同垂直荷載作用件下的衰減蠕變階段，可以看到，剪應(yīng)變率隨著剪應(yīng)力增大而增大，說明在衰減變形階段的剪應(yīng)力對蠕變速率有促進(jìn)作用。

圖10是滑帶土樣蠕變破壞前的最后一級剪應(yīng)力加載階段在不同正應(yīng)力水平下的剪應(yīng)變率隨時間的變化曲線。

圖10 不同正應(yīng)力下飽和土樣剪應(yīng)變率—時間曲線圖Fig.10 Time series of shear strain rates of saturated samples with different normal stress

由圖10中可見，正應(yīng)力越大，飽和樣在蠕變試驗過程中的剪應(yīng)變率反而越低，表明低速緩動滑坡的滑帶土在埋深越深的情況下，即滑坡體越厚，滑帶土的蠕動速率(滑坡的滑速)越慢。

4 結(jié)論

(1)低速緩動滑坡滑帶土樣在每一級加載的剪應(yīng)力水平下的蠕變變形包括瞬時變形階段、衰減蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段；隨剪應(yīng)力水平增大，衰減蠕變和瞬時變形階段的變形量均增大，衰減蠕變持續(xù)時間更長；當(dāng)蠕變剪切速率降低到一定值時，滑帶土樣由衰減蠕變進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變；當(dāng)剪應(yīng)力水平增大到一定值時，滑帶土樣發(fā)生破壞。

(2)當(dāng)剪應(yīng)力值大于拐點強(qiáng)度時，剪應(yīng)變增大速率明顯提高；飽和滑帶土樣在長期荷載作用后發(fā)生強(qiáng)度損失，且強(qiáng)度損失程度隨正應(yīng)力增大而增大，即長期強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度相比大幅度下降。

(3)在衰減變形階段，一定剪應(yīng)力荷載條件下，隨時間的推移，剪應(yīng)變率逐步減小并最終趨于某一穩(wěn)定值，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段；剪應(yīng)變率隨著剪應(yīng)力水平的增大而增大；在蠕變破壞前階段，正應(yīng)力水平越大，剪應(yīng)變率越小，即滑坡的蠕滑速率越低。