典型黃土滑坡滑帶土不同含水率下蠕變特性試驗研究

王新剛，劉 凱，王友林，張培棟，石 衛(wèi)，羅 力

（1.大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質學系, 陜西 西安 710069；2.陜西省水工環(huán)地質調查中心, 陜西 西安 710068）

黃土高原是世界上最大的黃土堆積區(qū)，占我國國土面積的6.6%[1]，黃土蠕變現(xiàn)象是黃土高原地區(qū)工程建設中不可忽視的重要因素[2]，黃土斜坡在受到人工灌溉[3]、降雨[4-5]、河流水浸潤[6]等作用后容易發(fā)生蠕變[7]，最終發(fā)生滑坡，有時甚至會造成災難性的事故，因此研究不同含水率下黃土蠕變特性顯得尤為重要[8]。

黃土的變形、破壞具有時間效應，即蠕變特性，以往學者在這方面做了大量研究，并取得了豐碩的成果，如葛苗苗等[9]對壓實黃土進行了常含水率壓縮試驗和常應力增濕試驗，發(fā)現(xiàn)黃土蠕變是在恒定荷載作用下由土顆?；驁F聚體的蠕滑、大孔隙壓縮引起的；王松鶴等[10]的研究表明飽和黃土的蠕變現(xiàn)象相較于重塑黃土與原狀黃土更明顯；陳沛等[11]對黃土-基巖開展了直剪蠕變試驗并建立了蠕變模型進行定量描述，發(fā)現(xiàn)蠕變階段與滑坡的演化過程相似；魏建柄等[12]對非飽和粉質黏土進行三軸壓縮固結排水蠕變試驗，建立了能夠反映基質吸力變化的蠕變經(jīng)驗模型；慕煥東等[13]基于分數(shù)階導數(shù)理論對Q3黃土蠕變過程進行了分析，建立了分數(shù)階改進西原模型，實現(xiàn)了對黃土蠕變各個階段的模擬。

黃土的蠕變受多種因素影響，含水率的變化是影響其蠕變特性的主要因素之一。王鵬程等[14]對涇陽縣某邊坡重塑黃土進行了不同含水率下的三軸固結排水試驗，試驗表明含水率對蠕變特性有顯著影響。王新剛等[15]進行了基質吸力控制下的三軸蠕變試驗，討論了偏應力、圍壓與基質吸力對非飽和黃土蠕變過程的影響。朱才輝等[16]對黃土隧道地層試樣進行了單軸蠕變試驗，試驗結果表明地層初始含水率越大，圍巖壓力及收斂變形量越大；且隨著隧道埋深的增加，黃土蠕變引起的圍巖壓力比和收斂變形比增大。單帥等[17]對延安新區(qū)壓實黃土進行了不同基質吸力下的三軸蠕變試驗，試驗表明不同基質吸力下土樣的蠕變特性不同，在低應力、較高應力水平下呈現(xiàn)衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變特性，在高應力水平下呈現(xiàn)加速蠕變特性。在滑坡黃土蠕變方面，周靜靜等[18]研究黃土滑坡滑帶土的蠕變特性，發(fā)現(xiàn)滑帶土的蠕變特性對低速緩動滑坡的形成演化起控制性作用。隨著滑帶土蠕變破壞的發(fā)生，土體結構迅速破壞，孔隙定向性減弱，數(shù)目急劇增加[19]。

以上學者的研究豐富了對黃土蠕變特性的認識，然而對于黃土滑坡滑帶土不同含水率下的蠕變特性仍然需要進一步的深入研究，尤其是針對黃土滑坡滑帶土不同含水率下蠕變長期強度及長期強度折損率的研究。本文對榆林色草灣村黃土滑坡滑帶土進行實地采樣后，在室內進行不同含水率下的三軸蠕變試驗，研究了黃土滑坡滑帶土三軸蠕變過程中應力-應變-時間關系的規(guī)律，并從雙電層理論和土體結構性角度對其進行了解釋；此外還分析了試樣蠕變破壞形態(tài)，并利用等時曲線揭示了研究區(qū)黃土滑坡滑帶土的長期強度及長期強度折損率規(guī)律。

1 研究方案

1.1 試樣制備

本文研究的黃土樣品取自榆林市榆陽區(qū)青云鎮(zhèn)色草灣村榆溪河支流旁發(fā)育典型黃土滑坡滑帶土，如圖1（a）所示。受降雨、河水的浸潤作用，該滑坡一定范圍內的黃土體浸濕，含水率增大使其抗剪強度減小，增大了滑坡災害發(fā)生的可能性。該滑坡全貌如圖1（b）所示。因黃土滑坡滑帶土在不同含水率下蠕變，該滑坡具有明顯多期次滑動特性，如圖1（c）—（e）所示，嚴重威脅其上緣的工廠、高速路和輸電塔的安全。本次試驗所取滑帶土樣品為Q3黃土，其干密度為1.50 g/cm3，土粒密度為2.70 g/cm3，天然含水率10%，液限20.7%，塑限12.6%。

圖1 色草灣村黃土滑坡Fig.1 Loess landslide in Secaowan village

在室內采用水膜轉移法將野外取回的黃土樣品含水率（w）調整到目標值10%、12%、14%、16%和18%，并削制成不同含水率下的圓柱樣（圖2），樣品規(guī)格為直徑61.8 mm、高度125 mm，制樣后將樣品放置于保濕缸中靜置2 d 使其水分遷移均勻。

圖2 黃土樣品Fig.2 Loess samples

1.2 試驗方案

本試驗所用儀器為FSR-60 型三軸蠕變儀，蠕變試驗采用分級加載方式[2]，首先根據(jù)常規(guī)三軸剪切試驗下剪切破壞時的偏應力（q）來設置蠕變試驗偏應力荷載水平。各含水率下（w=10%、12%、14%、16%、18%）試樣剪切破壞的偏應力分別為312.5，300.0，275.0，250.0，237.5 kPa。分別取常規(guī)三軸剪切破壞時偏應力的50%、60%、70%、80%、90%和95%作為蠕變試驗分級加載的偏應力大小，蠕變試驗偏應力加載等級方案如表1所示。根據(jù)土體取樣位置，本文三軸試驗所采用的圍壓均為100.0 kPa。

表1 蠕變試驗偏應力加載方案Table 1 Deviator stress loading scheme for creep tests

2 結果

2.1 蠕變全過程曲線

以w=10%試樣的蠕變全過程曲線（圖3）為例進行分析，該地區(qū)黃土滑坡滑帶土蠕變特性明顯，蠕變曲線呈現(xiàn)出4 個階段：瞬時彈性變形、初始衰減蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變、加速蠕變。在施加每1 級偏應力荷載后，軸向應變會瞬時增大，為瞬時彈性階段；隨著時間的增長，應變速率逐漸減小，曲線非線性且呈現(xiàn)出上凸的形態(tài)，并向直線狀態(tài)過渡，為初始衰減階段；穩(wěn)態(tài)蠕變階段應變與時間呈現(xiàn)出近似直線狀態(tài)；在施加最后1 級達到破壞偏應力荷載時，應變速率急劇增加，短暫時間內試樣破壞，為加速蠕變階段。

圖3 w=10%試樣蠕變全過程曲線Fig.3 Full-process creep curve of loess sample (w=10%)

2.2 黃土蠕變應變-時間曲線

利用Boltzmann 疊加原理[20]對不同含水率下的蠕變試驗曲線進行處理，如圖4 所示，其中含水率為12%、14%、18%的試樣在施加第5 級荷載時破壞，故圖4（b）、（c）和（e）中缺少第6 級荷載下的曲線。不同含水率下的試樣分級加載蠕變曲線具有如下規(guī)律：

圖4 不同含水率試樣分級加載蠕變曲線Fig.4 Creep curve of loess sample with different moisture content

（1）含水率越大，樣品蠕變破壞所需的偏應力越小。如w=10%、12%、14%、16%、18%試樣的破壞偏應力分別為300.0，262.5，250.0，237.5，212.5 kPa；w=18%試樣的破壞偏應力比w=10%試樣小了29.1%。

（2）含水率越大，軸向應變越大。如施加第1 級荷載（破壞偏應力的50%）時，10%、12%、14%、16%和18%含水率試樣穩(wěn)定時的軸向應變分別為1.14%、2.94%、3.31%、3.4%和4.77%；當施加偏應力至150.0 kPa 時，含水率為10%、12%、16%、18%的試樣軸向應變分別為1.14%、2.94%、4.37%、6.04%。由雙電層理論[21]可知，土顆粒的表面常帶有負電荷，由于表面電荷電場的作用，孔隙中的水分子和水化陽離子會向顆粒周圍聚集，吸附在顆粒表面形成固定層；固定層外，水分子和水化陽離子仍受到一定程度的靜電引力，形成擴散層，固定層和擴散層共同組成雙電層。雙電層內的水為結合水，雙電層外的水為自由水，自由水可流動并具有溶解能力。因此，當含水率增大時，自由水厚度增大，土顆粒間膠結程度減小，且水膜會對土顆粒起潤滑作用，使其易于錯動滑移。

（3）含水率越大，施加每級荷載后蠕變曲線達到穩(wěn)定狀態(tài)（即蠕變曲線的斜率為固定值時）所需時間越長。如施加第1 級偏應力時，10%、12%、14%、16%、18%含水率試樣蠕變達到基本穩(wěn)定所需時間分別為10 641，23 575，40 221，57 275，66 214 s。這一現(xiàn)象可以解釋為：水分的增加使土體結構完整性降低[22]，在應力作用下土體內部結構調整相對緩慢，固結和蠕變過程中孔隙水壓力消散需要的時間也越長。

3 分析與討論

3.1 黃土滑坡滑帶土蠕變破壞表面形態(tài)

根據(jù)不同含水率黃土滑坡滑帶土蠕變破壞后的表面形態(tài)（圖5）可知：含水率較小時，破壞后的試樣有明顯的剪切破壞面，如圖5（a）所示；含水率越大，試樣越容易橫向鼓脹，表現(xiàn)出塑性破壞的特征，如圖5（e）所示。這一現(xiàn)象可以解釋為：含水率較大時，水的軟化作用大于水對土體的裂隙擴展作用[23]。

圖5 不同含水率試樣蠕變破壞后表面形態(tài)Fig.5 Surface morphology of loess sample with different water content after creep failure

3.2 長期強度

長期強度是指巖土體在長期荷載作用下的強度，獲取長期強度最常用的方法是等時曲線法[20]。等時曲線是指在1 組不同應力水平的蠕變曲線中，相等時間所對應的蠕變變形與應力的關系曲線。等時曲線法是將各等時曲線的直線向曲線轉變的點識別出來，等時曲線中的拐點為黏彈性與黏塑性的分界處，標志著黃土試樣由黏彈性階段向黏塑性階段轉化，其可視為長期強度點[24]。各等時曲線拐點的連線漸近線將趨于一個穩(wěn)定值，類似屈服應力形成的漸近線所對應的應力值，該值所對應的強度即為黃土的長期強度值。限于篇幅本文僅展示16%含水率試樣的等時曲線圖（圖6），由圖可得出該條件下的黃土長期強度值。

圖6 16%含水率試樣蠕變應力-位移等時曲線Fig.6 Isochronous stress-displacement curves of loess sample with water content 16%

表2 為黃土滑坡滑帶土不同含水率下瞬時強度（qf）與長期強度（q'），將不同含水率下黃土樣品的瞬時強度與長期強度進行比較，可以發(fā)現(xiàn)長期強度均有不同程度減小。為了方便對比本文定義了黃土長期強度折損率（Q）：

表2 黃土不同含水率下瞬時強度與長期強度Table 2 Instantaneous strength and long-term strength of loess sample with different water content

隨著含水率的增大，瞬時強度與長期強度均減小，且兩者差值越來越大（圖7）。根據(jù)式（1）計算黃土不同含水率下的長期強度折損率（圖8），可以發(fā)現(xiàn)隨著黃土含水率的增大，長期荷載下長期強度折損率也逐漸增大，18%含水率樣品的長期強度折損率高達28%，因此在黃土滑坡致滑機理中考慮黃土含水率增大后的蠕變特性是非常必要的。對圖7、圖8 中的數(shù)值進行擬合，黃土滑坡滑帶土的長期強度隨含水率的增大指數(shù)減小，而長期強度折損率隨含水率的增大指數(shù)增大，具體關系如式（2）（3）所示。

圖7 瞬時/長期強度與含水率關系Fig.7 Relationship between the instantaneous/long-term strength and water content

圖8 黃土長期強度折損率規(guī)律圖Fig.8 Law of the long-term strength loss rate of loess

4 結論

（1）含水率越大，軸向應變越大，當含水率增大時，自由水厚度增大，土顆粒間膠結程度減小，且水膜會對土顆粒起潤滑作用易于其錯動滑移。

（2）含水率越大，施加每級荷載后蠕變曲線達到穩(wěn)定狀態(tài)（即蠕變曲線的斜率為固定值時）所需時間也越長。水分的增加會使土體結構完整性降低，在應力的作用下土體內部結構調整相對緩慢，因此固結和蠕變過程中孔隙水壓力的消散需要的時間也越長。

（3）含水率較小時，蠕變破壞后的試樣有明顯的剪切破壞面；試樣含水率越大，越容易發(fā)生橫向鼓脹，表現(xiàn)出塑性破壞特征，說明含水率較大時，水的軟化作用大于水對于土體的裂隙擴展作用。

（4）試樣的瞬時強度和長期強度均隨含水率的增大而減小，且黃土滑坡滑帶土長期強度折損率（Q）與含水率密切相關，隨含水率的變化呈現(xiàn)出指數(shù)增長。