滑坡滑帶土蠕變特性及其模型研究綜述與展望*

王明龍

（1.深圳市不動產(chǎn)評估中心，廣東 深圳 518040；2.深圳市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 深圳 518040）

滑坡是一種常見的全球性的地質(zhì)災(zāi)害，也是我國最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。1995年以來，全國范圍內(nèi)滑坡造成的年均死亡人數(shù)已連續(xù)多年超過1000人[1]；在2008年汶川地震中，由滑坡等地質(zhì)災(zāi)害造成的死亡人數(shù)就約達(dá)2萬人[2]；2019年，貴州水城“7·23”特大山體滑坡造成近1600人受災(zāi)，43人死亡，21幢房屋被埋，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.9億元?；聻?zāi)害常常中斷交通、堵塞河道、掩埋村莊、摧毀工廠、破壞農(nóng)田，給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成極大的損失，同時(shí)也給工程建設(shè)帶來了嚴(yán)重的影響。因此，對于滑坡的研究具有十分重要的意義。

在傳統(tǒng)土力學(xué)研究中，土通常被看做線性彈性體，隨著土力學(xué)的逐步發(fā)展，研究人員把土假定為非線性彈塑性體來研究。無論是彈性體還是彈塑性體，其本構(gòu)關(guān)系都是應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，而巖土體的蠕變則是在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的基礎(chǔ)上考慮到了時(shí)間的因素。巖土材料的蠕變是指在固定應(yīng)力不斷作用下，巖土體的變形隨時(shí)間而不斷增長的過程[3]。蠕變特性是土體的重要特性之一，許多滑坡在破壞前都表現(xiàn)出明顯的蠕變特性，研究滑坡滑帶土的蠕變特性往往對滑坡的穩(wěn)定性評價(jià)有著重要意義。

文章將對不同含水率、圍壓及應(yīng)力水平下滑坡滑帶土室內(nèi)蠕變試驗(yàn)和蠕變模型進(jìn)行較為系統(tǒng)的總結(jié)，并對其中的一些問題進(jìn)行探討。希望這些總結(jié)和探討能為滑坡滑帶土蠕變特性的研究提供有益的參考與依據(jù)。

1 室內(nèi)蠕變試驗(yàn)

土的蠕變試驗(yàn)是巖土工程和地質(zhì)工程領(lǐng)域常見的一種實(shí)驗(yàn)手段。由于室內(nèi)試驗(yàn)具有長期觀測方便、試驗(yàn)條件嚴(yán)格控制、重復(fù)性強(qiáng)而耗資少等特點(diǎn)，因此較多學(xué)者開展了對土體蠕變特性試驗(yàn)研究。下文重點(diǎn)介紹不同含水率、不同圍壓及不同應(yīng)力水平下土體的蠕變試驗(yàn)。

1.1 不同含水率下滑坡滑帶土蠕變特性試驗(yàn)

眾所周知，土體中所含水分會使土體發(fā)生軟化，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡和路堤變形的發(fā)生。而邊坡土體大部分以非飽和土形式存在，研究邊坡變形破壞機(jī)理重點(diǎn)是研究降雨情況下的非飽和土受力變形狀態(tài)，為此研究非飽和土的蠕變特性具有重要的意義。黃志全等[4]利用非飽和三軸蠕變儀，采用陳氏加載法對魏家溝滑坡滑帶土開展一系列相同凈圍壓（100kPa）、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(yàn)，發(fā)現(xiàn)同一偏應(yīng)力水平下，蠕變變形及變形速率隨著基質(zhì)吸力的減小而增大。賴小玲等[5]針對三峽庫區(qū)某大型順層基巖滑坡滑帶土受力、環(huán)境特征，采用可控制基質(zhì)吸力的非飽和土三軸蠕變儀，開展了不同偏應(yīng)力水平、不同基質(zhì)吸力條件下的非飽和三軸蠕變試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同一偏應(yīng)力荷載下，隨著吸力逐漸減小，蠕變變形及蠕變速率均不斷增加，且隨偏應(yīng)力荷載的增加增幅更大。龍建輝等[6]為研究黃土滑坡滑帶土在不同含水率條件下的長期強(qiáng)度特性，進(jìn)行三軸蠕變試驗(yàn)來探討滑帶土不同含水率在正常圍壓（對應(yīng)自然應(yīng)力狀態(tài)）下應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加，土體達(dá)到破壞性蠕變階段的速度加快，土的屈服強(qiáng)度也隨之逐漸減小，充分說明水是致使滑帶土長期強(qiáng)度降低從而發(fā)生滑坡的重要原因。王鵬程等[7]采用SR-6型三軸蠕變儀對陜西省涇陽縣某邊坡重塑黃土進(jìn)行了一系列室內(nèi)三軸固結(jié)排水蠕變試驗(yàn)，著重研究了90%壓實(shí)度下重塑黃土在不同含水率與圍壓下的蠕變特性，同樣發(fā)現(xiàn)含水率的增大將加速土體蠕變變形。

綜上所述，較多學(xué)者對滑坡滑帶土進(jìn)行考慮含水率下的蠕變特性研究，發(fā)現(xiàn)含水率是影響滑坡滑帶土蠕變特性的一個(gè)重要因素。隨著含水率的增大，土體中的基質(zhì)吸力減小，促使土體蠕變變形加速，說明土體飽和度的增加加劇了土體蠕變行為。

1.2 不同圍壓及不同應(yīng)力水平下滑坡滑帶土蠕變特性試驗(yàn)

為了將自然條件下滑坡滑帶土受力、環(huán)境特征在室內(nèi)較好地體現(xiàn)，較多學(xué)者開展了土體在不同圍壓、不同偏應(yīng)力下的蠕變試驗(yàn)。胡新麗等[8]針對三峽庫區(qū)馬家溝滑坡滑體粗粒土開展了三軸蠕變試驗(yàn)，研究不同圍壓、不同應(yīng)力水平下滑體土的蠕變變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)圍壓和應(yīng)力水平對粗粒土的最終蠕變量均可產(chǎn)生影響。王鵬程[9]利用SR-6型三聯(lián)式三軸蠕變儀對陜西涇陽某邊坡Q3黃土原狀樣和重塑樣進(jìn)行三軸固結(jié)排水蠕變試驗(yàn)，著重研究含水率、圍壓、偏應(yīng)力水平、應(yīng)力路徑等對蠕變特性的影響，發(fā)現(xiàn)土樣蠕變變形量的大小與偏應(yīng)力水平、圍壓及含水率有關(guān)，土樣在高偏應(yīng)力水平、小圍壓、大含水率的條件下蠕變現(xiàn)象明顯。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)力路徑下重塑黃土的蠕變規(guī)律一致，而在各級偏應(yīng)力水平下，蠕變變形量存在明顯差別。胡連信[10]利用三軸蠕變儀對涇陽太平鎮(zhèn)某黃土邊坡重塑樣進(jìn)行不同圍壓、偏應(yīng)力下的蠕變試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的增大，試樣軸向變形和體積變形減小，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需的時(shí)間越短；同時(shí)隨著偏應(yīng)力的逐級加大，軸向變形和體積變形逐漸增大，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需的時(shí)間越長。

可見，較多學(xué)者對滑坡滑帶土進(jìn)行考慮圍壓及應(yīng)力水平下的蠕變特性研究，發(fā)現(xiàn)圍壓和應(yīng)力水平對滑坡滑帶土蠕變變形有著重要影響：隨著圍壓的增大，試樣的蠕變量減小，達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間減少；同時(shí)，隨著偏應(yīng)力水平的增大，試樣軸向變形和體積變形增大，達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間增多。

2 蠕變模型

李建偉等[11]以四川天臺鄉(xiāng)滑坡滑帶土為例，對滑帶土的重塑樣進(jìn)行不同圍壓、不同應(yīng)力加載等級下的三軸固結(jié)排水蠕變試驗(yàn)研究，建立了反映滑帶土蠕變特性的S-M蠕變方程，并對該模型進(jìn)行了參數(shù)識別，發(fā)現(xiàn)Singh-Mitchell模型能夠很好地模擬該滑帶土的蠕變特征。黃志全等[4]根據(jù)蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出了對欒川魏家溝滑坡滑帶土在非飽和三軸應(yīng)力狀態(tài)下包含基質(zhì)吸力的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(shí)間關(guān)系采用冪函數(shù)表示。賴小玲等[5]根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了各級吸力水平下三峽庫區(qū)滑坡滑動帶土的Mesri蠕變模型，其中剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系分別采用雙曲線函數(shù)和冪函數(shù)表示。胡新麗等[8]針對三峽庫區(qū)馬家溝滑坡滑體粗粒土開展了三軸蠕變試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了S-M模型，其中S-M模型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為指數(shù)函數(shù)，應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系采用的是冪函數(shù)。賴小玲等[12]根據(jù)完成的滑動帶土的三軸排水蠕變試驗(yàn)，給出了千將坪滑坡滑動帶土的一個(gè)剪應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系，其中剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用冪函數(shù)，應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系采用雙曲線函數(shù)表示。李翔等[13]選取黃土坡臨江II號崩滑堆積體上TP4平硐內(nèi)的滑帶土進(jìn)行三軸蠕變試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)Burger's模型能較好地?cái)M合出試樣在低剪應(yīng)力情況下的蠕變特性，即試樣主要以瞬時(shí)變形為主，隨著剪應(yīng)力的增加，開始出現(xiàn)等速蠕變階段。劉先鋒[14]對千將坪滑坡滑帶土進(jìn)行三軸固結(jié)排水蠕變試驗(yàn)，在分析蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過分析比較，建立了一種新的蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停磻?yīng)力-應(yīng)變采用指數(shù)關(guān)系，應(yīng)變-時(shí)間采用雙曲線函數(shù)表示。王琛等[15]對三峽庫區(qū)泄灘滑坡的滑帶土進(jìn)行了蠕變試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了排水條件下的Mesri蠕變方程，其中剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系可分別采用雙曲線函數(shù)和冪函數(shù)來描述滑帶土的彈粘塑性。嚴(yán)紹軍等[16]通過對大巖淌滑帶土蠕變試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以采用Burger模型來模擬滑帶土的流變過程，而對于衰減蠕變，只需去掉Maxwell單元中的Newton黏性元件即可。鄒世超等[17]對古樹包滑坡滑帶土進(jìn)行蠕變試驗(yàn)，借助經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠碚?，分別以雙曲線函數(shù)和Morgan Mercer Florin函數(shù)來描述蠕變應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系，建立了古樹包滑坡滑帶土蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

材料的本構(gòu)模型必須充分表達(dá)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)特征，才能保證由模型推導(dǎo)出來的本構(gòu)方程能正確反映材料的特性。因此，基于滑坡滑帶土蠕變試驗(yàn)建立適當(dāng)?shù)娜渥兡Ｐ停奢^好地描述和分析滑坡滑帶土的蠕變性質(zhì)，對滑坡災(zāi)害的機(jī)理研究、預(yù)警預(yù)報(bào)和工程治理都很有意義。

3 研究展望

近年來，降雨導(dǎo)致滑坡災(zāi)害頻繁發(fā)生，造成了巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失?；禄瑤寥渥冊囼?yàn)作為研究滑坡變形破壞的重要手段之一，得到越來越多學(xué)者的運(yùn)用。文章通過閱讀大量文獻(xiàn)，從滑坡滑帶土蠕變影響因素和蠕變模型兩個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)。

目前對滑坡滑帶土蠕變的研究主要集中在室內(nèi)試驗(yàn)上。在滑坡滑帶土蠕變試驗(yàn)中，人們著重從含水率、圍壓、應(yīng)力水平和土質(zhì)類型做了大量工作，并取得了很好的成果；同樣，在蠕變模型方面，人們利用蠕變試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)資料，建立了適用于所用試驗(yàn)土質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)蠕變模型。

針對以后滑坡滑帶土蠕變試驗(yàn)的發(fā)展與研究方向，筆者有以下幾點(diǎn)建議：

（1）以往雖然已有眾多的學(xué)者對滑坡滑帶土進(jìn)行了大量的蠕變試驗(yàn)研究，但是大部分是集中某一因素（含水率或應(yīng)力水平等）對滑坡變形的影響。而實(shí)際的滑坡往往是在多個(gè)因素共同作用下而產(chǎn)生的。因此，在今后應(yīng)當(dāng)利用滑坡蠕變試驗(yàn)研究多因素對滑坡變形的綜合影響。

（2）現(xiàn)有蠕變模型的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線多為冪函數(shù)曲線、對數(shù)函數(shù)曲線、指數(shù)函數(shù)曲線或雙曲線函數(shù)曲線，它們的優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)少且易于求解，但這些曲線與一些實(shí)際情況不太相符。因此，在今后應(yīng)當(dāng)利用滑坡蠕變試驗(yàn)建立蠕變模型，應(yīng)嘗試?yán)脧?fù)合函數(shù)建立新的蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>