滑帶土蠕變過程及微觀結(jié)構(gòu)演化分析

周靜靜，趙法鎖，袁湘秦，祝艷波，宋 飛

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西工程勘察研究院有限公司，陜西 西安 710068)

土體微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，滑坡滑帶土的蠕變特性直接控制了滑坡的運(yùn)動(dòng)特征。近年來已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)滑帶土的蠕變特性及土體微觀結(jié)構(gòu)開展了大量的研究工作。汪斌等[1]基于室內(nèi)流變?cè)囼?yàn)研究了黃土坡滑坡滑帶土的蠕變特性及長(zhǎng)期強(qiáng)度，并建立了蠕變模型；蔣秀姿等[2-3]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(duì)蠕變行為的控制作用；龍建輝等[4]選取了11個(gè)不同類型的滑坡，研究了邊坡失穩(wěn)時(shí)間預(yù)測(cè)與滑帶土的蠕變特性之間的聯(lián)系；孫淼軍等[5]通過大尺寸三軸蠕變?cè)囼?yàn)，對(duì)蠕動(dòng)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；Chun Li等[6]研究了三峽庫(kù)區(qū)滑坡原狀及重塑剪切帶土樣的蠕變特性以及斜坡巖體在長(zhǎng)期重力作用下的蠕變特征；楊愛武等[7-9]對(duì)吹填軟土開展蠕變?cè)囼?yàn)，研究了蠕變過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化特征；李軍霞等[10]研究了軟土在不同排水條件下的蠕變特性及微觀孔隙的變化規(guī)律，揭示了軟土蠕變變形的微觀機(jī)制；謝婉麗等[11]開展了不同含水量下黃土宏觀力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)，研究了水對(duì)黃土的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律和試驗(yàn)前后剪裂面上微觀結(jié)構(gòu)的變化特征；Xing Xie等[12]研究了西安地區(qū)黃土狀土在三軸蠕變?cè)囼?yàn)過程中微觀結(jié)構(gòu)演化特征；侯超群等[13]基于IPP圖像處理軟件對(duì)膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量化的研究，分析了不同浸水時(shí)間下膨脹土中各類顆粒和孔隙占比的演變趨勢(shì)；齊笛[14]、吳博等[15]研究了延安地區(qū)黃土基巖接觸面滑坡滑帶土的力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。以上學(xué)者對(duì)巖土體的蠕變特性或者微觀結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)有很多成果，但很少考慮滑坡滑帶土受“時(shí)間”對(duì)其變形規(guī)律的影響，特別是滑坡在蠕滑過程中，因時(shí)間效應(yīng)滑帶土微觀結(jié)構(gòu)孔隙的長(zhǎng)期變形規(guī)律及演化特征研究成果還較少，目前尚未有深刻認(rèn)識(shí)，以往對(duì)于土體蠕變微觀結(jié)構(gòu)的研究多是對(duì)比破壞前后的微觀結(jié)構(gòu)得到的[10]，并沒有考慮時(shí)間效應(yīng)對(duì)蠕變過程的影響。

因此，研究滑坡滑帶土的蠕變特性以及其受時(shí)間效應(yīng)影響在蠕變過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)滑坡的形成演化機(jī)理有重要意義。本文以延安市二莊科北區(qū)滑坡滑帶土為研究對(duì)象，開展400 kPa正應(yīng)力荷載下的直剪蠕變?cè)囼?yàn)，并對(duì)蠕變過程中不同階段分別取樣進(jìn)行電鏡掃描，定量化研究微觀孔隙在蠕變過程中的演化特征。

1 材料及試驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)中的土樣取自延安市寶塔區(qū)二莊科北區(qū)滑坡的滑帶土。該滑坡滑動(dòng)面在滑坡后部切穿第四系黃土，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?；瑤翞榧t黏土底部，接觸基巖層由于透水性差致其處于飽和狀態(tài)。該滑帶土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 滑帶土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

滑帶土樣取回后，采用內(nèi)徑為61.8 mm、高為20 mm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀制取試樣，并用真空飽和缸進(jìn)行抽氣飽和。飽和滑帶土經(jīng)固結(jié)快剪試驗(yàn)測(cè)得的力學(xué)參數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2 飽和土樣抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)

直剪蠕變?cè)囼?yàn)采用ZLB-1型三聯(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(duì)試樣同時(shí)施加水平剪切荷載和豎向壓縮荷載。內(nèi)置位移傳感器測(cè)量精度為0.001 mm。測(cè)控系統(tǒng)由數(shù)字伺服控制器、傳感器和計(jì)算機(jī)組成，能夠?qū)崟r(shí)采集和顯示測(cè)試數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)過程中，可以準(zhǔn)確記錄應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗(yàn)采用多級(jí)加載法進(jìn)行，整個(gè)蠕變過程根據(jù)直剪試驗(yàn)中取得的最大剪應(yīng)力分5級(jí)加載。當(dāng)上一級(jí)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(jí)荷載，當(dāng)土樣出現(xiàn)快速破壞后，試驗(yàn)結(jié)束。根據(jù)試驗(yàn)情況并借鑒前人經(jīng)驗(yàn)[13]，設(shè)定每級(jí)剪應(yīng)力加載時(shí)間為720 min。為避免環(huán)境干擾，實(shí)驗(yàn)過程中保持室內(nèi)恒溫恒濕。本次主要在400 kPa正應(yīng)力荷載下進(jìn)行多組蠕變平行試驗(yàn)，在試驗(yàn)的不同蠕變階段停止試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 直剪蠕變?cè)囼?yàn)中的剪應(yīng)力加載方案

試驗(yàn)結(jié)束位置如圖1所示，圖中曲線為直剪蠕變?cè)囼?yàn)的全過程曲線，曲線上的三角形處為平行樣試驗(yàn)結(jié)束點(diǎn)，即電鏡掃面試驗(yàn)的取樣點(diǎn)。

圖1 蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)束點(diǎn)示意圖

在每個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)束后，從剪切盒內(nèi)完整取出試樣風(fēng)干，然后在試樣剪出的邊緣位置處用小刀和鋸條將其制成長(zhǎng)寬均約為1 cm的柱狀，在柱狀試樣周圍根據(jù)剪出面的位置確定剪切面，用小刀在剪切面位置刻出凹槽，沿著凹槽掰開后露出新鮮的剪切面并進(jìn)行噴金，制作電鏡掃描試樣。本次試驗(yàn)采用FEI-Q454的環(huán)境掃描電子顯微鏡。SEM圖片的定量分析采用圖像處理軟件Image Pro Plus進(jìn)行。

2 蠕變結(jié)果分析

整理試驗(yàn)得到的全過程蠕變數(shù)據(jù)，根據(jù)玻爾茲曼線性疊加原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到滑帶土在400 kPa正應(yīng)力荷載下的剪切位移-時(shí)間曲線(圖2)。剪切蠕變?cè)囼?yàn)的等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖2 400 kPa正應(yīng)力下飽和滑帶土樣剪切位移-時(shí)間關(guān)系曲線

圖3 400 kPa正應(yīng)力下飽和土樣等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可見，整個(gè)試驗(yàn)過程中，可以明顯看到土樣在每級(jí)剪應(yīng)力加載下的蠕變特性，每一級(jí)加載均呈現(xiàn)出衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變階段，在最后一級(jí)剪應(yīng)力加載后迅速出現(xiàn)破壞。

由圖3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(shì)隨著剪應(yīng)力增大更加顯著，曲線具有明顯拐點(diǎn)，拐點(diǎn)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(shí)間的劣化效應(yīng)發(fā)生了塑性破壞。

圖4為飽和土樣剪應(yīng)變率-時(shí)間曲線。由圖4可見，隨著施加剪應(yīng)力荷載時(shí)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。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(duì)蠕變速率有加劇作用。

3 微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果分析

本文選取放大倍數(shù)為4 000倍、標(biāo)尺大小為50 μm的SEM圖片進(jìn)行研究分析。蠕變?cè)嚇拥腟EM照片如圖5所示。應(yīng)用IPP6.0軟件對(duì)滑帶土的微結(jié)構(gòu)SEM圖像進(jìn)行分析，提取微觀參數(shù)。選取描述孔隙大小和形狀的5個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔隙直徑、孔隙數(shù)目、豐度、圓形度和孔隙形狀復(fù)雜度)和2個(gè)描述孔隙分布特征的參數(shù)(定向頻率和定向概率熵)來定量化研究試樣的微觀結(jié)構(gòu)。

圖5 不同蠕變階段試樣的SEM照片

由電鏡掃描的SEM照片中可以看出，原狀土樣為非均質(zhì)體，以骨架、絮凝狀結(jié)構(gòu)為主，土顆粒間多以點(diǎn)接觸為主，顆粒松散、不穩(wěn)定，顆粒間孔隙發(fā)育。這些孔隙的存在為土樣在蠕變過程中微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供了空間。隨著蠕變過程的發(fā)展，在土樣蠕變破壞前，微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部調(diào)整變得相對(duì)緊湊，微結(jié)構(gòu)形式從弱膠結(jié)向鑲嵌式微結(jié)構(gòu)過渡。隨著剪應(yīng)力的增大，土樣最終發(fā)生蠕變破壞。

3.1 孔隙大小及數(shù)目分析

本文依據(jù)雷祥義[16]利用壓汞法獲取的黃土孔隙分類標(biāo)準(zhǔn)(孔徑大于32 μm為大孔隙；孔徑為32～8 μm為中孔隙；孔徑為8～2 μm為小孔隙；孔徑小于2 μm的為微孔隙)對(duì)直剪蠕變?cè)囼?yàn)土樣SEM圖片中的孔隙進(jìn)行分類并統(tǒng)計(jì)數(shù)量。孔隙大小及數(shù)目變化如圖6所示。由圖6可見，在蠕變不同階段的微觀結(jié)構(gòu)中，微孔隙均最多，占到孔隙數(shù)目的 80% 以上，且隨著孔徑的增大，孔隙數(shù)目下降，中、大孔隙極少。通過對(duì)直剪蠕變?cè)囼?yàn)不同階段的SEM圖像分析可見，蠕變過程中孔隙大小及數(shù)目均在不斷變化。在剪應(yīng)力較小時(shí)的衰減蠕變階段，土樣中土顆粒發(fā)生移動(dòng)調(diào)整位置，土顆粒之間的靠攏、滑移、鑲嵌使得孔隙大小及孔隙數(shù)在不斷減小。當(dāng)孔隙不再減小時(shí)，土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化停止，該過程中土樣的應(yīng)變率逐漸減小為零，變形量也逐漸保持不變。隨著剪應(yīng)力的增大，上述蠕變過程再次出現(xiàn)直至再次到穩(wěn)態(tài)蠕變階段，逐漸開始脫離原來的位置重新定位，導(dǎo)致土樣內(nèi)部應(yīng)力的重新分布。直到試樣破壞前，不同類型的孔隙數(shù)目均在逐漸減少。隨著蠕變過程的發(fā)展，多次變形破壞了原有的平衡，剪應(yīng)力進(jìn)一步增大，在短時(shí)間內(nèi)很難重新建立新的平衡，試樣發(fā)生迅速破壞，孔隙數(shù)目相比破壞前急劇增加。

圖6 孔隙數(shù)目柱狀圖

3.2 孔隙的豐度及圓形度分析

為了研究孔隙形態(tài)的變化，文中選用了豐度和圓形度參數(shù)對(duì)其進(jìn)行分析。豐度反映孔隙的狹長(zhǎng)程度，豐度值的范圍在0～1之間，且豐度值越小，孔隙越接近長(zhǎng)條形。圓形度反映孔隙接近圓形的程度，即圓形度值越接近于1，孔隙越接近圓形?？紫兜呢S度分布柱狀圖如圖7所示?？紫镀骄鶊A形度結(jié)果如表4所示。

圖7 孔隙豐度分布柱狀圖

由圖7可見，豐度值的分布柱狀圖均呈現(xiàn)出正態(tài)分布規(guī)律，主要分布在0.2～0.8之間。隨著土樣蠕變過程的發(fā)展，豐度值在0.5之前在區(qū)間內(nèi)的占比呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，在0.5之后在區(qū)間內(nèi)的占比呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。說明在蠕變過程中，孔隙的豐度值占比在向區(qū)間值較小的一側(cè)轉(zhuǎn)移，即形狀趨向于長(zhǎng)條形的孔隙增多，趨向于圓形的孔隙數(shù)減少。該規(guī)律在土樣破壞時(shí)被打亂。

根據(jù)平均圓形度的數(shù)據(jù)(表4)分析可見，滑帶土在直剪蠕變過程中孔隙的平均圓形度值均大于1，且變化規(guī)律為先增大后減小。即土樣孔隙在蠕變過程中，圓形度越來越差，破壞后圓形度值有所下降，但下降幅度不大。該規(guī)律與豐度的分析結(jié)果基本一致。

表4 孔隙平均圓形度、平均形狀復(fù)雜度及定向概率熵統(tǒng)計(jì)

3.3 孔隙形狀復(fù)雜度分析

孔隙形狀復(fù)雜度是一個(gè)衡量土樣在蠕變過程中孔隙形狀規(guī)則程度的重要參數(shù)。形狀復(fù)雜度越大，說明孔隙的周長(zhǎng)越大，則形狀的復(fù)雜程度越高。在土樣的蠕變?cè)囼?yàn)中，土顆粒受到力的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作用發(fā)生相互擠壓和靠攏，使得孔隙形狀大小發(fā)生變化，平均形狀復(fù)雜度呈減小的趨勢(shì)(表4)。也就是說，土樣孔隙在蠕變過程中，形狀更趨向于簡(jiǎn)單化，輪廓也更光滑。

3.4 孔隙的定向性分析

本文在研究孔隙的定向性時(shí)選用定向頻率和定向概率熵兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。定向頻率可以描述孔隙在某個(gè)方向上的分布強(qiáng)度，蠕變土樣的孔隙定向頻率分布見圖8(其中橫坐標(biāo)“定向角度”為微觀孔隙長(zhǎng)軸方向與SEM照片水平向右方向的夾角，由Image Pro Plus軟件對(duì)SEM照片進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)得到)。定向概率熵可以反映土樣中孔隙的定向程度，定向概率熵的值越大，則對(duì)應(yīng)的孔隙越混亂，反之則越有序。蠕變土樣的孔隙定向概率熵結(jié)果見表4。

圖8 孔隙定向頻率分布

由圖8可以得到土樣在不同蠕變階段的孔隙定向頻率的變化。從定向頻率的分布情況來看，孔隙排列在蠕變破壞前階段的定向性最為明顯。這是由于土樣在經(jīng)歷衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變過程時(shí)，土顆粒在剪應(yīng)力的作用下發(fā)生了重新排列，從而使土樣中孔隙的定向性在破壞前達(dá)到最優(yōu)。在土樣蠕變破壞的瞬間，土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，土顆粒之前的排列重新被打亂，定向性下降。

由表4中可以看出，孔隙的定向概率熵值變化不大，在蠕變破壞前，定向概率熵值有輕微的下降，破壞后，定向概率熵值增大。相對(duì)來說，土樣中孔隙的有序性在蠕變破壞前最好，破壞后孔隙的定向程度也隨著土結(jié)構(gòu)的破壞有一定的下降，孔隙相比破壞前變得混亂。

4 結(jié)論

(1)滑帶土樣具有明顯蠕變特性，在每一級(jí)加載的剪應(yīng)力水平下的蠕變變形包括衰減蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段；在衰減蠕變階段，剪應(yīng)變率隨時(shí)間逐漸減小并最終趨于某一穩(wěn)定值，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段；當(dāng)剪應(yīng)力水平增大到一定值時(shí)，滑帶土樣進(jìn)入加速蠕變破壞階段，迅速發(fā)生破壞。

(2)滑帶土樣在蠕變過程中發(fā)生以下變化：原狀土樣顆粒松散、不穩(wěn)定，顆粒間以點(diǎn)接觸為主，顆粒間孔隙發(fā)育。在衰減蠕變階段，土顆粒發(fā)生調(diào)整，孔隙大小及孔隙數(shù)不斷減?。辉诜€(wěn)態(tài)蠕變過程中土顆粒重新定位排列，孔隙定向性增強(qiáng)，在蠕變破壞前定向排列最為顯著；蠕變破壞后，土結(jié)構(gòu)定向性減弱，孔隙數(shù)急劇增加。

(3)在土樣蠕變破壞前，隨著蠕變過程的發(fā)展，孔隙圓形度越來越差，形狀趨向于長(zhǎng)條形的孔隙數(shù)增多，趨向于圓形的孔隙數(shù)減少；孔隙的平均形狀復(fù)雜度呈減小趨勢(shì)，輪廓也更光滑。