三峽庫(kù)區(qū)黃土坡滑坡滑帶土卸荷狀態(tài)下的直剪蠕變特性研究

喬 卓，崔德山,陳 瓊，魏亞軍

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

蠕變是土體的流變特性之一，而滑帶土的蠕變特性對(duì)滑坡的演化和長(zhǎng)期穩(wěn)定性有著重要的影響，眾多學(xué)者基于滑帶土的剪切蠕變特性來(lái)探討滑坡演化發(fā)育的機(jī)理。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，由于土體流變性導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害也逐漸增多，如滑坡、邊坡失穩(wěn)等，因此在工程建設(shè)后，保障其在使用過(guò)程中的安全性愈發(fā)重要。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滑坡滑帶土的蠕變特性和長(zhǎng)期強(qiáng)度特性進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，尤其在滑帶土的蠕變模型等方面取得了眾多成果。如龍建輝等研究了不同含水率下黃土滑坡滑帶土的蠕變特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滑帶土的屈服強(qiáng)度與含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并討論了滑帶土的蠕變特性與邊坡失穩(wěn)預(yù)報(bào)模型間的聯(lián)系；Qin等、Luo等研究了庫(kù)水位變化條件下巖石的蠕變特性，并探討了飽水-失水循環(huán)作用下巖石的細(xì)觀損傷機(jī)理，對(duì)巖石損傷量進(jìn)行了定量表述；蔣秀姿等對(duì)低速滑坡滑帶土進(jìn)行了峰前和殘余狀態(tài)下的直剪蠕變?cè)囼?yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致不同狀態(tài)下滑帶土蠕變特性差異的根本原因是土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異；李晶晶等研究了南陽(yáng)膨脹土在卸荷狀態(tài)下的非線性蠕變特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)坡面的地層更容易發(fā)生蠕變破壞；陳瓊等研究了不同應(yīng)力下三峽庫(kù)區(qū)黃土坡滑坡滑帶土的應(yīng)力松弛特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滑帶土的應(yīng)力松弛曲線出現(xiàn)了應(yīng)力軟化的特征?；碌难莼艿皆S多因素的共同影響，其中降雨、庫(kù)水位漲落等外因的影響較大。目前，關(guān)于滑坡滑帶土的直剪蠕變?cè)囼?yàn)多集中在滑帶土蠕變破壞研究方面，并未對(duì)滑帶土的衰減蠕變階段(即蠕變第一階段)進(jìn)行重點(diǎn)研究。已有研究表明，應(yīng)力歷史直接影響到土體內(nèi)部顆粒的分布，導(dǎo)致其剪切過(guò)程中出現(xiàn)剪脹(縮)的現(xiàn)象。同時(shí)，不同固結(jié)狀態(tài)下土體的力學(xué)特征有極大的差異。如陳瓊等在單一加載、加載—卸載、加載—卸載—再加載路徑下開展了黃土坡滑坡滑帶土的蠕變特性研究，并分析對(duì)比了不同固結(jié)路徑下滑帶土的蠕變特性與孔隙度的關(guān)系；田洪銘等對(duì)ABAQUS中的軟巖冪函數(shù)經(jīng)驗(yàn)蠕變模型進(jìn)行了修正，構(gòu)建了花崗巖非線性蠕變損傷模型，并對(duì)紅砂巖的蠕變特性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了反演；胡訓(xùn)健等通過(guò)離散元方法構(gòu)建了基于晶體粒徑分布的非均質(zhì)性蠕變顆粒模型，從微觀角度揭示了晶體粒徑的分布對(duì)花崗巖巖體蠕變特性的影響。

結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)黃土坡滑坡的實(shí)際情況，三峽庫(kù)區(qū)的庫(kù)水位常年在145～175 m之間調(diào)整，落差近30 m，即防洪限制水位以下的滑坡在原來(lái)穩(wěn)態(tài)水壓的基礎(chǔ)上將承受 0～300 kPa幅度的周期性動(dòng)態(tài)滲透壓力，特別是在庫(kù)水位上升過(guò)程中，庫(kù)水位線以下的滑坡滑帶土受到的有效應(yīng)力減小，表現(xiàn)出卸荷狀態(tài)。因此，開展卸荷狀態(tài)下黃土坡滑坡滑帶土的慢剪和直剪蠕變?cè)囼?yàn)，通過(guò)分析滑帶土的蠕變曲線來(lái)研究滑帶土的蠕變特性，可為該滑坡演化和穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)黃土坡滑坡臨江1號(hào)滑坡體3號(hào)支洞揭露的滑帶土(見圖1)，在對(duì)滑帶土試樣進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)前，對(duì)滑帶土的密度、含水量、礦物成分、顆粒級(jí)配等基本的物理性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果見表1。

圖1 黃土坡滑坡臨江1號(hào)滑坡體3號(hào)支洞位置平面圖

表1 黃土坡滑坡滑帶土的基本物理性質(zhì)參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)黃土坡滑坡滑帶土試樣烘干,過(guò)2 mm篩后對(duì)土樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，對(duì)粒徑小于0.075 mm的土樣顆粒進(jìn)行比重計(jì)試驗(yàn)，根據(jù)粒徑小于2 mm的土樣顆粒分布情況，繪制黃土坡滑坡滑帶土的顆粒級(jí)配曲線，見圖2。

圖2 黃土坡滑坡滑帶土的顆粒級(jí)配曲線半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖

根據(jù)黃土坡滑坡滑帶土的顆粒含量以及液、塑限,將其定名為黏土。將黃土坡滑坡滑帶土通過(guò)X射線衍射試驗(yàn)后，分析其主要的礦物成分是方解石、伊利石、蒙脫石和石英，其占樣品含量的90%，此外還含有少量長(zhǎng)石和綠泥石等，見表2。

表2 黃土坡滑坡滑帶土的主要礦物成分及其百分含量

1.2 試驗(yàn)儀器

本次黃土坡滑坡滑帶土剪蠕變?cè)囼?yàn)所用的儀器是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)土質(zhì)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的DZR-8直剪蠕變儀，它由普通直剪儀改進(jìn)而成，主要包括加壓系統(tǒng)、剪切盒和量測(cè)系統(tǒng)，見圖3。垂直加載由砝碼控制，水平加載通過(guò)油壓驅(qū)動(dòng)活塞控制；剪切力、水平位移和豎向位移由計(jì)算機(jī)采集，時(shí)間間隔為10 s，精度為0.001 mm。試驗(yàn)?zāi)康氖谦@得滑帶土在不同固結(jié)狀態(tài)下的蠕變特性。

圖3 改進(jìn)的DZR-8直剪蠕變儀

1.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)將黃土坡滑坡滑帶土原狀樣烘干、碾碎、過(guò)2 mm篩后，按照含水率配制滑帶土試樣，分層壓入制樣器配置重塑樣。試樣為直徑61.8 mm、高20 mm的實(shí)心圓柱樣，為了盡可能地避免試樣中有多余的空氣，將環(huán)刀樣放入真空飽和缸中進(jìn)行抽氣飽和24 h。根據(jù)滑帶土所處的位置不同，滑帶土的埋深為5～50 m，為了研究不同埋深處滑帶土受卸荷作用的影響，選取一組固結(jié)應(yīng)力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa和400 kPa。將滑帶土試樣放在剪切盒中進(jìn)行幅度為300 kPa的加載—卸載固結(jié)；然后分別對(duì)滑帶試樣進(jìn)行固結(jié)慢剪試驗(yàn)和直剪蠕變?cè)囼?yàn)，其試驗(yàn)方案見表3。具體試驗(yàn)步驟如下：

表3 黃土坡滑坡滑帶土固結(jié)慢剪和直剪蠕變?cè)囼?yàn)方案

(1) 將飽和后的滑帶土試樣放在剪切盒中固結(jié)24 h，固結(jié)應(yīng)力分別為350 kPa、400 kPa、500 kPa、700 kPa；然后將固結(jié)應(yīng)力卸載300 kPa后重新固結(jié)，待沉降穩(wěn)定后對(duì)滑帶土試樣開始慢剪試驗(yàn)，剪切速率為0.02 mm/min，得到滑帶土的抗剪強(qiáng)度

τ

。(2) 將飽和后的滑帶土試樣加載—卸載穩(wěn)定后，在剪切盒上和四周注上水，對(duì)滑帶土試樣進(jìn)行直剪蠕變?cè)囼?yàn)。采用分級(jí)加載的方式施加剪切應(yīng)力

τ

=

τ

/n

,其中

n

取5～7(固結(jié)路徑見表3),待滑帶土試樣蠕變24 h且判定蠕變位移穩(wěn)定(d

ε

/d

t

≤0.000 5 h)后,可施加下一級(jí)剪切應(yīng)力，直到施加至所需的剪切應(yīng)力，滑帶土蠕變時(shí)長(zhǎng)總計(jì)7 d。試驗(yàn)完成后,卸掉加載裝置,并對(duì)試驗(yàn)儀器進(jìn)行清理,得到直剪蠕變?cè)囼?yàn)后的滑帶土試樣，見圖4。

圖4 直剪蠕變?cè)囼?yàn)后的滑帶土試樣

2 結(jié)果與分析

2.1 滑帶土剪切位移與時(shí)間曲線分析

我國(guó)學(xué)者陳宗基總結(jié)的陳氏加載法的適用性較廣，在巖土流變學(xué)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。本文在研究黃土坡滑坡滑帶土的直剪蠕變特性時(shí)，運(yùn)用陳氏加載法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即將通過(guò)分級(jí)加載方式得到的滑帶土蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換成分級(jí)加載方式的蠕變曲線形式，從而得到不同固結(jié)路徑下黃土坡滑坡滑帶土的水平位移-時(shí)間曲線，見圖5。其中，圖5(c)中，在90 kPa的固結(jié)應(yīng)力加載一段時(shí)間后，滑帶土的剪切位移突然增大至破壞。

由圖5可以看出：

(1) 在較低的剪切應(yīng)力作用下(如固結(jié)應(yīng)力從400 kPa卸荷至50 kPa，剪切應(yīng)力為4～16 kPa)，滑帶土的蠕變曲線均包括瞬時(shí)蠕變和衰減蠕變，主要表現(xiàn)為瞬時(shí)蠕變，衰減過(guò)程中，滑帶土的應(yīng)變速率一直減小至接近零；在剪切應(yīng)力偏大時(shí)(剪切應(yīng)力為20～28 kPa)，滑帶土的蠕變曲線包括瞬時(shí)蠕變、衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變。

(2) 當(dāng)固結(jié)應(yīng)力不變時(shí)，滑帶土蠕變的瞬時(shí)位移量與剪切應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，且隨著剪切應(yīng)力的增大，滑帶土蠕變的瞬時(shí)位移量逐漸增大，逐漸出現(xiàn)等速蠕變階段；同時(shí)，滑帶土的變形達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需的時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)。如當(dāng)固結(jié)應(yīng)力從400 kPa卸荷至100 kPa，當(dāng)剪切應(yīng)力為14 kPa、21 kPa、28 kPa、35 kPa、42 kPa、49 kPa時(shí)，滑帶土蠕變的瞬時(shí)位移量分別為0.005 mm、0.01 mm、0.012 mm、0.023 mm、0.04 mm和0.09 mm[見圖5(b)]；滑帶土的變形達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需的時(shí)間分別為60 min、300 min、600 min、800 min、1 200 min和1 500 min。

圖5 不同固結(jié)路徑下黃土坡滑坡滑帶土的水平位移-時(shí)間曲線

2.2 滑帶土蠕變速率曲線分析

不同固結(jié)路徑下黃土坡滑坡滑帶土的剪切應(yīng)變-應(yīng)力比關(guān)系曲線，見圖6。

圖6 不同固結(jié)路徑下黃土坡滑坡滑帶土的剪切應(yīng)變-應(yīng)力比關(guān)系曲線

由圖6可見：卸載相同的固結(jié)應(yīng)力(300 kPa)后，隨著固結(jié)應(yīng)力的增大(即滑坡滑帶土深度的增加)，滑帶土的剪切應(yīng)變達(dá)到某一值所需施加的剪切應(yīng)力等級(jí)減?。划?dāng)剪切應(yīng)變達(dá)到0.6%時(shí)，固結(jié)應(yīng)力為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa的滑帶土所需施加的剪切應(yīng)力

τ

分別為1.2

τ

、1

.

2

τ

、

τ

、0

.

8

τ

。此外，滑帶土的蠕變速率變化受固結(jié)應(yīng)力歷史的影響。由圖6可見：固結(jié)應(yīng)力為400 kPa的滑帶土在剪切應(yīng)力為0.6

τ

時(shí)蠕變速率瞬間增大；固結(jié)應(yīng)力為200 kPa的滑帶土在剪切應(yīng)力為0.8

τ

時(shí)蠕變速率瞬間增大；固結(jié)應(yīng)力為100 kPa的滑帶土在剪切應(yīng)力為1.2

τ

時(shí)蠕變速率瞬間增大。這一現(xiàn)象也可以從滑帶土豎向位移的變化反映出來(lái)。不同固結(jié)路徑下黃土坡滑坡滑帶土的豎向位移-時(shí)間曲線，見圖7。

圖7 不同固結(jié)路徑下黃土坡滑坡滑帶土的豎向位移-時(shí)間曲線

由圖7可見，當(dāng)固結(jié)應(yīng)力為50 kPa、100 kPa時(shí)，滑帶土在蠕變過(guò)程中整體表現(xiàn)為剪縮現(xiàn)象，這是由于土體固結(jié)應(yīng)力較小，土體較松散、孔隙率較大，所以滑帶土在蠕變過(guò)程中優(yōu)先調(diào)整孔隙，使較大的孔隙均勻化，由顆粒翻滾引起的剪脹成為次要因素，宏觀上表現(xiàn)為剪切位移變化小、蠕變速率較慢；當(dāng)固結(jié)應(yīng)力為200 kPa、400 kPa時(shí)，由于土體固結(jié)應(yīng)力較大，土體壓縮較密實(shí)、孔隙率較小，所以滑帶土在蠕變過(guò)程中主要受剪脹因素的影響，宏觀上表現(xiàn)為剪切位移變化大、蠕變速率較快。

2.3 滑帶土剪切應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線分析

根據(jù)黃土坡滑坡滑帶土的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，繪制其相應(yīng)的剪切應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線，得到卸荷至不同固結(jié)應(yīng)力下黃土坡滑坡滑帶土的剪切應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線，見圖8。

由圖8可以看出：

圖8 卸荷至不同固結(jié)應(yīng)力下黃土坡滑坡滑帶土的剪切應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線

(1) 在較低的剪切應(yīng)力(如固結(jié)應(yīng)力從350 kPa卸荷至50 kPa時(shí)，剪切應(yīng)力為4～16 kPa)作用下，滑帶土的剪切應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線大致呈線性變化，且剪切應(yīng)變變化較小，滑帶土的蠕變主要表現(xiàn)為彈性應(yīng)變；隨著剪切應(yīng)力的增大(剪切應(yīng)力為20～28 kPa)，滑帶土的剪切應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線逐漸向應(yīng)變軸偏移，說(shuō)明滑帶土的蠕變特性主要為黏塑性應(yīng)變，而且蠕變時(shí)間越長(zhǎng)，其等時(shí)曲線偏向應(yīng)變軸的程度越大，滑帶土的非線性蠕變特性表現(xiàn)得越顯著。

(2) 卸載相同的固結(jié)應(yīng)力后，隨著固結(jié)應(yīng)力的增加，土體的孔隙率減小，土體越來(lái)越密實(shí)，且在同一剪切應(yīng)力作用下土體發(fā)生的蠕變位移隨之減小，更多地表現(xiàn)為線性蠕變，說(shuō)明滑帶土的蠕變特性與土體孔隙率有關(guān)。

(3) 在不同固結(jié)應(yīng)力歷史作用下，滑帶土的剪切應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線大致表現(xiàn)為一束曲線簇，呈現(xiàn)歸一化的趨勢(shì)，說(shuō)明三峽庫(kù)區(qū)滑坡滑帶土的蠕變特性大致相同，為更精確地構(gòu)建該地區(qū)滑帶土的蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┝艘罁?jù)。

2.4 滑帶土指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)蠕變模型

通過(guò)查閱文獻(xiàn)，滑帶土的經(jīng)驗(yàn)蠕變模型擬合主要采用指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)形式。通過(guò)對(duì)黃土坡滑坡滑帶土蠕變的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)蠕變模型能更好地?cái)M合該滑坡滑帶土的蠕變曲線。通過(guò)采用最小二乘法分析該地區(qū)滑帶土的指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)蠕變模型，可得到：

(1)

式中:

x

(

t

)表示

t

時(shí)刻滑帶土的剪切位移(mm);

x

表示滑帶土指數(shù)瞬時(shí)彈性剪切位移(mm)；

a

表示時(shí)間的影響因素。

黃土坡滑坡滑帶土指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)蠕變模型的擬合參數(shù)，見表4。

表4 黃土坡滑坡滑帶土指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)蠕變模型的擬合參數(shù)

由表4可知，采用指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)蠕變模型對(duì)黃土坡滑坡滑帶土的蠕變曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果表明相關(guān)系數(shù)

R

大多介于0.91～0.99之間，說(shuō)明模型的擬合精度較高。

為了驗(yàn)證該模型，將指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)蠕變模型的擬合曲線與卸荷至不同固結(jié)應(yīng)力下黃土坡滑坡滑帶土的蠕變曲線進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果見圖9。

由圖9可見，指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)蠕變模型的擬合曲線與卸荷至不同固結(jié)應(yīng)力下黃土坡滑坡滑帶土的蠕變曲線重合度較高，表明該模型能夠精確地描述黃土坡滑坡滑帶土的直剪蠕變特征。

圖9 卸荷至不同固結(jié)應(yīng)力下黃土坡滑坡滑帶土蠕變曲線與指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)蠕變模型擬合曲線的對(duì)比圖

3 結(jié) 論

根據(jù)長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)水位變化對(duì)滑坡受力的影響，特別是考慮了庫(kù)水位上升時(shí)，水下滑帶土的卸荷作用，本文將黃土坡滑坡滑帶土中2 mm以下的顆粒進(jìn)行制樣，開展了黃土坡滑坡滑帶土在卸荷狀態(tài)下的慢剪和直剪蠕變?cè)囼?yàn)研究，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)得到以下結(jié)論：

(1) 黃土坡滑坡滑帶土的蠕變特性較為明顯，低剪切應(yīng)力作用時(shí)，滑帶土的蠕變曲線包括瞬時(shí)蠕變和衰減蠕變，主要表現(xiàn)為彈性蠕變；隨著剪切應(yīng)力的增大，滑帶土的蠕變曲線呈現(xiàn)出衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變兩個(gè)階段，主要表現(xiàn)為黏塑性蠕變。

(2) 在固結(jié)應(yīng)力不變時(shí)，隨著剪切應(yīng)力的增大，黃土坡滑坡滑帶土蠕變的瞬時(shí)位移量越來(lái)越大，同時(shí)滑帶土的變形達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需的時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)，表明滑帶土的蠕變現(xiàn)象加劇，其蠕變特性與蠕變時(shí)間、剪切應(yīng)力相關(guān)。

(3) 黃土坡滑坡滑帶土原狀樣由于空隙和裂紋而產(chǎn)生較大的蠕變位移，其剪切應(yīng)變?yōu)?.5%，在豎向位移上表現(xiàn)為剪縮，而其重塑樣的剪切應(yīng)變大多在1%以內(nèi)；兩種試樣都反映出蠕變速率隨剪切應(yīng)力的增大而增加。

(4) 在卸載300 kPa的固結(jié)應(yīng)力后，黃土坡滑坡滑帶土的蠕變速率隨著剪切應(yīng)力的增大而增加，在剪切應(yīng)變?yōu)?.4%左右時(shí)滑帶土的蠕變速率有了明顯的增大，且隨著固結(jié)應(yīng)力的增加，滑帶土在剪切應(yīng)變達(dá)到0.6%時(shí)所需施加的剪切應(yīng)力

τ

相應(yīng)地減小。

(5) 黃土坡滑坡滑帶土的剪切應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線具有歸一化的特性，采用指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)蠕變模型可以精確地?cái)M合滑帶土的蠕變曲線，可為三峽庫(kù)區(qū)滑坡的穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。