軟弱泥化夾層蠕變特性試驗(yàn)研究★

姜春平,富豐有,楊志全,王英杰,鳳小明

(1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710000； 2.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院云南省高校高烈度地震山區(qū)交通走廊工程地質(zhì)病害早期快速判識(shí)與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093)

1 概述

軟弱夾層泛指顆粒細(xì)小、夾于上下相對(duì)堅(jiān)硬巖層中的薄層，一般呈條帶狀或?qū)訝?，具有遇水易軟化，?qiáng)度低變形大等特點(diǎn)[1-2]。在層間錯(cuò)動(dòng)和地下水長(zhǎng)期作用下，軟弱夾層經(jīng)泥化形成結(jié)構(gòu)疏松、顆粒大小不均、粒間連結(jié)微弱、多呈定向排列的特殊軟弱結(jié)構(gòu)面，即泥化夾層[3]。在自重、施工開(kāi)挖、暴雨、庫(kù)水位變化及地震等作用下，滑坡災(zāi)害的演變常沿著該軟弱薄層發(fā)育[4]。研究表明，軟弱結(jié)構(gòu)面具有明顯的蠕變特性，其強(qiáng)度特征具有顯著的時(shí)間效應(yīng)。因此，對(duì)于含泥質(zhì)巖類的邊坡而言，其更易形成潛在的滑動(dòng)面，成為邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵控制因素[5-7]。

針對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面蠕變特性的討論，目前已有諸多研究成果，程強(qiáng)等[8]通過(guò)室內(nèi)剪切蠕變?cè)囼?yàn)，認(rèn)為紅層軟巖具有顯著的蠕變特性，其長(zhǎng)期強(qiáng)度為剪切蠕變曲線上t→∞時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值；周曉飛等[9]引入冪函數(shù)擬合了泥質(zhì)夾層蠕變過(guò)程中的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系，并對(duì)比了傳統(tǒng)等時(shí)曲線獲取了長(zhǎng)期強(qiáng)度。最后得出：隨著剪應(yīng)力的增大，泥質(zhì)夾層蠕變變形效果越明顯，且?jiàn)A層的長(zhǎng)期強(qiáng)度較其快剪強(qiáng)度顯著降低，約為抗剪強(qiáng)度的82%；朱珍德等[10]采用弱面直剪流變儀對(duì)含軟弱夾層巖石進(jìn)行剪切流變?cè)囼?yàn)，并認(rèn)為凝聚力對(duì)剪切流變特性的影響略高于內(nèi)摩擦系數(shù)；龐正江和胡建敏[11]基于剪切流變?cè)囼?yàn)成果，根據(jù)應(yīng)力屈服值確定了結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)期強(qiáng)度，但由于屈服值的不可操作性，提出今后將其與流變模型相結(jié)合能更具說(shuō)服力。YU M等[12]通過(guò)采用剪切試驗(yàn)方法對(duì)徐州某高邊坡軟弱層間石灰?guī)r的蠕變特性進(jìn)行研究，最后得出,石灰?guī)r的衰減和穩(wěn)態(tài)蠕變特性，且試樣沒(méi)有表現(xiàn)出加速蠕變特性。沈明榮和張清照[13]以含軟弱結(jié)構(gòu)的大理巖試樣為研究對(duì)象，采用分級(jí)加載方式，研究了軟弱結(jié)構(gòu)面的蠕變特性。結(jié)果表明，不同法向應(yīng)力條件下的蠕變?cè)囼?yàn)曲線表現(xiàn)出衰減、等速和加速蠕變特性。

關(guān)于軟弱結(jié)構(gòu)面蠕變特性的研究，既有報(bào)道對(duì)于更加“劣質(zhì)”化的泥化夾層的研究成果還相對(duì)較少。因此，本文依托云南某邊坡工程，以軟弱泥化夾層為研究對(duì)象，采用改裝式應(yīng)力控制直剪儀，開(kāi)展了不同固結(jié)壓力下的直剪蠕變?cè)囼?yàn)。基于試驗(yàn)結(jié)果，分析了軟弱泥化夾層在不同剪應(yīng)力荷載下的應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間的特征規(guī)律，為此類邊坡工程問(wèn)題的長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)提供具有科學(xué)意義的參考依據(jù)。

2 直剪蠕變?cè)囼?yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)儀器采用改裝式應(yīng)力控制直剪儀，如圖1所示。該套試驗(yàn)設(shè)備是由常規(guī)應(yīng)變式控制直剪儀改裝而成，其保留了原有儀器的豎向加載系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)安裝定滑輪和數(shù)顯千分表增加了剪切加載系統(tǒng)和水平量測(cè)系統(tǒng)。

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)樣品取自云南某邊坡工程，參照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[14]，土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 軟弱泥化夾層基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.3 加載方式

巖土體蠕變?cè)囼?yàn)加載方式一般分為分別加載和分級(jí)加載[15-16]。分別加載是指對(duì)于完全相同的土樣，在完全相同的試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)條件下，以不同的剪應(yīng)力水平開(kāi)展蠕變?cè)囼?yàn)，得到不同剪應(yīng)力梯度下土樣的蠕變?nèi)^(guò)程。但在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中要滿足此種加載方式是不易實(shí)現(xiàn)的，一方面要保證完全相同的試驗(yàn)材料和試驗(yàn)條件是不太可能實(shí)現(xiàn)的，另一方面也難以滿足多套試驗(yàn)設(shè)備同時(shí)工作的條件。所以在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有報(bào)道中一般采用分級(jí)加載的方式，即在同一試樣上逐級(jí)施加剪應(yīng)力，待一段時(shí)間土樣進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后再施加下一級(jí)荷載，最終直至土樣發(fā)生破壞。蠕變變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)[17]，以變形量不大于0.01 mm/d作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

2.4 試驗(yàn)方案

1)首先對(duì)軟弱泥化夾層試樣進(jìn)行常規(guī)快剪試驗(yàn)，在不同的固結(jié)壓力下，以0.8 mm/min的速率對(duì)試樣進(jìn)行剪切，得到土樣在不同固結(jié)壓力下的最大抗剪強(qiáng)度和強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)，如表2所示。

表2 夾層試樣抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)

2)根據(jù)公式τi=τf/n(其中，n為加荷級(jí)數(shù)，通常為5～7，τf為在不同固結(jié)壓力下的最大抗剪強(qiáng)度)，確定土樣在各級(jí)固結(jié)壓力下的剪應(yīng)力水平的增量τi。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，對(duì)各級(jí)剪應(yīng)力大小進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，得到本次試驗(yàn)加載方案。以固結(jié)壓力為100 kPa為例，試樣的水平剪應(yīng)力為6 kPa，12 kPa，18 kPa，24 kPa，30 kPa。由于試驗(yàn)樣品的復(fù)雜性，試驗(yàn)結(jié)果具有一定的離散型，所以試驗(yàn)最終的破壞強(qiáng)度以土體實(shí)際破壞時(shí)的荷載值為最終的剪切破壞強(qiáng)度[18]。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 剪應(yīng)變-時(shí)間曲線

本文以固結(jié)壓力為100 kPa的試驗(yàn)結(jié)果為例，分析軟弱泥化夾層的蠕變特性，其蠕變?nèi)^(guò)程曲線如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在每一級(jí)剪應(yīng)力作用下，試樣都經(jīng)歷了瞬時(shí)變形到穩(wěn)態(tài)蠕變的過(guò)程。

由于分級(jí)加載方式不能準(zhǔn)確描述土體在各級(jí)剪應(yīng)力水平下的蠕變曲線，故本文采用“陳式加載法”轉(zhuǎn)化得到了100 kPa下土體的分別加載蠕變曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出：

1)在低應(yīng)力水平下，軟弱泥化夾層試樣表現(xiàn)出衰減特性，而隨著剪應(yīng)力不斷增加，土體最終呈現(xiàn)出加速變形特性，即土體在整個(gè)蠕變過(guò)程中，總體表現(xiàn)出非線性蠕變特征。

2)在各級(jí)剪應(yīng)力水平作用下，土體均呈現(xiàn)瞬時(shí)變形階段、衰減蠕變和似穩(wěn)態(tài)蠕變3個(gè)階段。

瞬時(shí)變形階段：在剪應(yīng)力作用初期，土顆粒的空間位置迅速發(fā)生調(diào)整，土體中孔隙結(jié)構(gòu)受到擠壓變形，部分水分子被排出，并產(chǎn)生了大量的孔隙，導(dǎo)致在荷載作用瞬間，土樣產(chǎn)生一定量的剪切變形特征。

衰減蠕變階段：在豎向固結(jié)壓力和剪切力的不斷作用下，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和顆粒變形達(dá)到了一定程度，宏觀上變形量逐漸減小，變形趨于穩(wěn)定，此時(shí)蠕變曲線呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢(shì)。

似穩(wěn)態(tài)蠕變階段：隨著剪應(yīng)力的持續(xù)作用，土體內(nèi)部應(yīng)力環(huán)境逐漸趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，該階段蠕變速率逐漸減小到某一恒定值，表現(xiàn)出變形較小，持續(xù)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。

3)當(dāng)剪應(yīng)力水平達(dá)到剪切破壞強(qiáng)度時(shí)，土體便發(fā)生破壞，宏觀上蠕變曲線變形表現(xiàn)出急速上升現(xiàn)象。

3.2 蠕變速率

研究表明，在巖土體蠕變過(guò)程中，蠕變速率是表征土體材料變形的一個(gè)重要參數(shù)[19-20]。根據(jù)數(shù)學(xué)理論原理，可以得到蠕變速率的計(jì)算公式，如式(1)所示。

(1)

根據(jù)式(1)得到試樣在100 kPa下的剪應(yīng)變速率-時(shí)間曲線，如圖4所示。

由圖4可知，在低剪應(yīng)力水平時(shí)，軟弱泥化夾層試樣的蠕變速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定值，這說(shuō)明土體從衰減階段過(guò)渡到穩(wěn)定階段。在剪應(yīng)力作用初期，土體顆粒位置不斷發(fā)生調(diào)整，內(nèi)部孔隙被大量填充，導(dǎo)致試樣的蠕變速率急劇下降；在剪應(yīng)力作用中后期，土體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境逐漸趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，在這一過(guò)程中，土體蠕變速率逐漸衰減，最終趨向于0。

3.3 等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為了更好的了解軟弱泥化夾層的非線性蠕變特性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了固結(jié)壓力為100 kPa下土體的等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5所示。

從圖5中可以看出，在剪應(yīng)力作用初期，土體發(fā)生了較大的剪切變形，且剪應(yīng)力-剪應(yīng)變呈現(xiàn)近似線性變化特征。但隨著時(shí)間的推移，剪應(yīng)變隨著剪應(yīng)力的增加而明顯增大，表現(xiàn)出明顯的非線性變形特征。

4 結(jié)論

軟弱泥化夾層作為軟硬相間巖體中的一種特殊薄層，常是巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵控制因子。因此，本文采用梯級(jí)加載方式開(kāi)展直剪蠕變?cè)囼?yàn)，得到以下結(jié)論：1)軟弱泥化夾層具有明顯的蠕變特性，在低剪應(yīng)力水平條件下，土體的蠕變變形經(jīng)歷了瞬時(shí)變形階段、衰減蠕變階段和似穩(wěn)態(tài)蠕變階段。2)在衰減蠕變階段，在低應(yīng)力水平條件下，隨著時(shí)間的推移，蠕變速率逐漸減小并最終趨于某一穩(wěn)定值，隨后進(jìn)入似穩(wěn)態(tài)變形階段；在高應(yīng)力水平條件下，蠕變速率激增，土體發(fā)生破壞，呈現(xiàn)出加速破壞特征。3)在低應(yīng)力水平條件下，等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)近似線性變化，隨著剪應(yīng)力的增大，其非線性蠕變特性越來(lái)越明顯，剪切變形大幅增加，故軟弱泥化夾層的非線性蠕變特性隨著剪應(yīng)力的增加越來(lái)越明顯。