滑坡巖土體流變機(jī)理與本構(gòu)模型

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1 概述

滑坡巖土體流變模型及力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、預(yù)警預(yù)報(bào)等具有至關(guān)重要的影響，因此，首先如何正確辨識(shí)流變本構(gòu)模型和準(zhǔn)確獲取流變參數(shù)顯得尤為關(guān)鍵。根據(jù)已有優(yōu)化算法，較為系統(tǒng)地進(jìn)行巖土體蠕變力學(xué)參數(shù)的反演分析，再結(jié)合工程現(xiàn)場的監(jiān)測信息，最終獲得合理有效的巖土體蠕變模型參數(shù)，是滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及預(yù)警預(yù)報(bào)的前提。

巖土流變關(guān)系到滑坡地質(zhì)災(zāi)害及防治工程的長期安全，研究巖土材料的流變行為及特性，尋求滑坡蠕變分析模型，對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和滑坡預(yù)報(bào)具有重要的學(xué)術(shù)和工程意義。

2 研究現(xiàn)狀

1)滑體巖土體流變機(jī)理與本構(gòu)模型。隨著國內(nèi)外學(xué)者對(duì)滑坡災(zāi)害的深入研究，逐漸認(rèn)識(shí)到大部分滑坡發(fā)生破壞前滑體也都存在明顯的蠕變變形。粗粒土的流變研究開始于堆石壩粗粒土流變特性的研究。1985年，A.K.Parkin(1991)嘗試采用壓縮儀研究粗粒料的流變特性，認(rèn)為沉降速率隨時(shí)間成對(duì)數(shù)關(guān)系，這是目前能檢索到的最早研究資料，研究成果與實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)存在差異，該成果的適用性也有限。

在流變機(jī)理研究方面，姜峰林(2005)對(duì)黃土質(zhì)滑坡的流變特性進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究，取得了一定的成果。在研究對(duì)象上，上述作者只針對(duì)了滑坡的滑帶土的流變性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)研究，沒有涉及到對(duì)滑坡體粗粒土流變性質(zhì)的研究。而滑坡體的流變性質(zhì)對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響也不同于滑帶土對(duì)其的影響。此外，國內(nèi)研究人員利用大型固結(jié)儀和大型流變?nèi)S儀開展堆石粗粒土的流變特性研究。沈風(fēng)生(1990)利用一個(gè)含有三元件的粘彈性蠕變模型研究了面板壩中粗粒土的流變性質(zhì)，并推導(dǎo)了相應(yīng)的流變計(jì)算公式。但沒有考慮到，剪切流變在很多情況下是有限的，因?yàn)闊o限變形就意味著破壞，而實(shí)際上許多加速流變的破壞過程，往往與土的結(jié)構(gòu)改變和力學(xué)性質(zhì)的變化有關(guān)，并不是由單純的時(shí)間因素造成的。韓世蓮(1992)開展了粗粒土的三軸流變試驗(yàn)，分析了粗粒土的流變特性，通過回歸方程得到粗粒土粘彈性模型各項(xiàng)參數(shù)。沈珠江等(1994)通過試驗(yàn)提出一種基于MER-CHANT流變模型的含有三個(gè)參數(shù)的流變模型，并根據(jù)堆石碎石土監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析，提出硬巖、中硬巖、軟巖及砂卵石相應(yīng)流變模型的參數(shù)選取，以此來解決室內(nèi)流變試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間不足和參數(shù)數(shù)量較少的問題。Bowman E.T.(2003)研究表明流變開始時(shí)連結(jié)較弱的顆粒間發(fā)生滑移，從而使大量顆粒在荷載作用下不斷調(diào)整。Chen Xiaobin(2007)通過低應(yīng)力水平下粗粒土的三軸流變試驗(yàn)，利用Morgan-Mercer-Florin核函數(shù)研究了粗粒土流變特性的非線性，并利用兩個(gè)函數(shù)計(jì)算出粗粒土最后的體積流變率和剪切應(yīng)變值。Chen Xiaobin(2011)通過自主研發(fā)的大型三軸流變儀對(duì)粗粒土進(jìn)行流變試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)是影響粗粒土流變特性的主要因素，在低應(yīng)力水平下粗粒土表現(xiàn)為彈性，中等應(yīng)力水平時(shí)表現(xiàn)為線粘彈性，在高應(yīng)力水平時(shí)表現(xiàn)為非線性粘塑性。

在流變本構(gòu)模型方面，Sawicki等(2009)結(jié)合力學(xué)試驗(yàn)和破壞概率概念建立改進(jìn)的本構(gòu)模型，對(duì)粗粒土發(fā)生破壞前的變形進(jìn)行預(yù)測分析。通過統(tǒng)計(jì)在應(yīng)力空間里的破壞點(diǎn)概率分布來做出變形預(yù)測，但是理論計(jì)算的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果不完全匹配。王勇等(2000)基于雙屈服面塑性模型，在材料硬化過程中納入時(shí)間因素，得到了一種用于面板壩碎石土流變特性分析的流變模型，并用于模擬Cethana壩的變形。郭興文等(2001)采用區(qū)分高低圍壓的沈珠江三參數(shù)模型，通過三維有限元軟件，研究了堆石流變性對(duì)水布埡面板堆石壩性狀影響。梁軍等(2002)研究發(fā)現(xiàn)碎石土的流變模型中參數(shù)應(yīng)當(dāng)以變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的反分析獲取，并深入地研究流變性質(zhì)的影響因素，結(jié)合理性分析和感性認(rèn)識(shí)來辨識(shí)流變模型的參數(shù)，認(rèn)為計(jì)算分析、影響因素分析和經(jīng)驗(yàn)判斷在確定流變參數(shù)時(shí)同等重要。陳曉斌等(2007)通過自制的大型三軸流變儀器，分析了不同應(yīng)力狀態(tài)、含水量、時(shí)間因素對(duì)其流變性質(zhì)的影響和其流變機(jī)理。同時(shí)也根據(jù)試驗(yàn)情況，建立了考慮上述影響的6元件改進(jìn)Burgers流變模型。傅華等(2009)利用風(fēng)干狀態(tài)下的試樣在大型三軸壓縮儀和大型單軸壓縮儀上進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，通過研究試驗(yàn)后樣品的顆粒級(jí)配的變化，提出顆粒的破碎關(guān)系到粗粒土的強(qiáng)度問題和流變問題。但是只是定性分析了這一關(guān)系，沒有得出相關(guān)的力學(xué)模型。Zhang Lei(2011)利用堆石壩沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，反演沈氏流變模型的參數(shù)，并利用這些參數(shù)計(jì)算求得了壩內(nèi)材料的應(yīng)力和應(yīng)變。

2)滑坡滑床基巖的流變特性和流變模型。巖石的流變特性和流變模型是巖石流變理論的研究重點(diǎn)。在巖石的流變本構(gòu)模型研究工作中，常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論得出不同類型巖石的流變本構(gòu)模型。張向東等(2004)基于老化理論，且假設(shè)等時(shí)曲線均相似，變形函數(shù)則采用冪次函數(shù)，提出泥巖的非線性流變模型。Liu Jiang(2006)對(duì)研究了巖鹽流變特性與溫度和應(yīng)力水平的關(guān)系，建立的本構(gòu)模型表明，穩(wěn)定蠕變階段應(yīng)變率與偏應(yīng)力和溫度呈非線性關(guān)系。Zhang Ning(2009)通過高溫高壓條件下巖石流變試驗(yàn)，提出靜水壓力作用下巖石發(fā)生與剪應(yīng)力作用流變現(xiàn)象類似的流變行為，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出了花崗巖的流變本構(gòu)模型。理論模型主要包括元件模型，損傷模型和基于內(nèi)時(shí)的模型。孫鈞等(1991)假設(shè)巖石發(fā)生蠕變時(shí)粘塑性變形的等時(shí)曲線相似，分析了粘滯系數(shù)在加載應(yīng)力和加載時(shí)間時(shí)的變化規(guī)律，并基于廣義賓漢姆模型，修正了線性牛頓粘滯體，提出了能反映巖石蠕變時(shí)三個(gè)典型階段的流變本構(gòu)模型，周德培等(2001)基于巖石蠕變階段中的加速蠕變階段，建立了一種基于牛頓流體粘滯的阻尼元件，并將其與反映巖石等速蠕變、減速蠕變特性的模型結(jié)合，建立了一種新的流變力學(xué)模型。Zhou H.W.(2011)將西原町模型中的牛頓阻尼器更換為阿貝爾阻尼器，用實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合模型中函數(shù)的參數(shù)，提出了一個(gè)新的流變元件模型。Zhang Qingzhao(2011)基于節(jié)理巖體剪切流變試驗(yàn)，指出節(jié)理巖體流變過程中穩(wěn)定流變階段并不明顯，并建立了修正的Burger模型來反映節(jié)理巖體的蠕變性質(zhì)。隨著損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)在巖石力學(xué)中的廣泛應(yīng)用，基于巖體損傷斷裂理論的流變模型也取得了長足進(jìn)展。Erichsen，C.(2006)綜合考慮了蠕變的瞬時(shí)、穩(wěn)定和加速性質(zhì)，以及蠕變的剪脹和破壞后力學(xué)行為，建立三維彈性本構(gòu)方程，并用有限元軟件建立數(shù)值本構(gòu)模型，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。Günther將巖鹽應(yīng)變硬化作為內(nèi)時(shí)變量，建立一個(gè)能綜合描述巖鹽蠕變力學(xué)行為的本構(gòu)模型，并通過室內(nèi)試驗(yàn)不斷對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，最終的本構(gòu)方程能夠較好地近似巖鹽蠕變過程中的瞬間階段，穩(wěn)定階段，加速階段的蠕變變形和剪脹現(xiàn)象。

目前關(guān)于巖石流變機(jī)理和模型的研究，本構(gòu)關(guān)系僅能反映巖土體物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造引起的流變特性差異，也有少量學(xué)者研究了不同應(yīng)力路徑、溫度變化、孔隙水壓力變化條件下巖體的流變機(jī)理和本構(gòu)模型。對(duì)于在庫水位波動(dòng)下，庫水位變動(dòng)帶內(nèi)動(dòng)水壓力對(duì)滑坡巖體流變特性影響的研究國內(nèi)外還未開展。

邊坡巖土體流變模型識(shí)別及力學(xué)參數(shù)獲取對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、預(yù)測預(yù)警具有至關(guān)重要的影響。巖土體蠕變本構(gòu)模型的研究盡管已經(jīng)取得了一些成果，但仍然處于研究的初期階段，特別是參數(shù)時(shí)效性的判定及其與時(shí)間關(guān)系式的確定方面還有大量的工作要做，目前，在非線性流變模型的研究已經(jīng)取得了一些成果，但在模型中參數(shù)時(shí)效性的考慮還很有限，而且能應(yīng)用到實(shí)際工程中的成果還不多見。如何在已有巖石粘彈性或粘塑性模型辨識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)優(yōu)化求解方法進(jìn)行改進(jìn)，在保證辨識(shí)準(zhǔn)確性和辨識(shí)效率的基礎(chǔ)上簡化辨識(shí)過程，從而為巖石蠕變模型的一般性辨識(shí)尋找一種新方法將是未來研究的一個(gè)重要方向。

3 結(jié)語

盡管國內(nèi)外在滑坡防治工程效果評(píng)價(jià)研究方面取得了較大的進(jìn)展，但目前對(duì)在這方面的研究還存在很多不足。

庫區(qū)滑坡—防治結(jié)構(gòu)體系的時(shí)效特征的研究還未考慮水位波動(dòng)對(duì)滑坡巖土體及防治結(jié)構(gòu)流變特性的影響。國外學(xué)者對(duì)在降雨入滲條件下滑坡土體蠕變模型與含水率的關(guān)系略有研究，但并未涉及庫水位波動(dòng)條件。

目前國內(nèi)外研究主要是集中于滑帶的流變特性研究和滑坡巖土體時(shí)效特征，并未對(duì)滑坡—防治結(jié)構(gòu)體系的時(shí)效特性展開研究。

滑坡巖土體流變特性、長期強(qiáng)度對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響的研究，主要集中于滑坡巖土體物質(zhì)組成、降雨入滲、地震荷載等因素影響下流變特性對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響;并且當(dāng)前的研究主要關(guān)注缺少防治結(jié)構(gòu)植入條件下巖土體流變性質(zhì)對(duì)滑坡的穩(wěn)定性影響。在水庫運(yùn)行條件下，滑坡巖土體的流變特性及其對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，必須考慮動(dòng)水壓力的作用。在滑坡已有防治結(jié)構(gòu)的前提下，巖土體流變特性、長期強(qiáng)度對(duì)滑坡—防治結(jié)構(gòu)體系的復(fù)合體的影響國內(nèi)也尚未展開相應(yīng)研究。

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