紅砂巖剪切蠕變特性試驗研究與邊坡失穩機理分析

趙洪寶 王中偉 李華華

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京100083)

多數邊坡體內的潛在滑移帶附近的巖體可以認為處于剪切蠕變狀態［1-3］。潛在滑移帶上覆巖體的自重則是該區域巖體發生剪切蠕變的載荷，而邊坡體內潛在滑移帶是否能夠向實際滑移面演化則取決于該剪切蠕變載荷大小、作用時間和外界條件的變化［4］;如外界條件基本保持恒定，潛在滑移面的運動則取決于剪切蠕變載荷的大小與作用時間2 個因素。因此，分析和研究邊坡體內潛在滑移面的演化規律，就可以簡化為不同載荷作用下巖體的剪切蠕變力學模型，此時巖體是否會發生剪切蠕變破壞就可以成為判斷邊坡體是否會發生失穩的依據，而巖體剪切蠕變失穩點可認為是潛在滑移面發生實際滑動的啟動點，巖體發生剪切蠕變破壞所需載荷條件、作用時間條件也就是邊坡體發生失穩的條件，巖體在剪切蠕變作用下的破壞機理則可認為是邊坡體發生漸進式失穩的力學機理。因此，研究巖體在不同載荷作用下的剪切蠕變力學特性與失穩破壞演化規律，對于掌握邊坡體內潛在滑移面的時空演化規律和判斷邊坡是否會發生失穩滑移將具有重要意義。

在邊坡失穩滑移機理與安全防護方面，國內外學者進行了廣泛而系統的研究，研究成果也非常豐富。黃潤秋等［5］進行了巖石高滑坡發育的動力過程及其穩定性控制方面的研究，建立了卸荷條件下巖石高滑坡發育的動力過程及三階段演化模式，提出了其時間和空間演化的基本序列以及不同演化階段巖石滑坡變形破壞的發育特征及穩定意義。戴自航等［6］進行了滑坡失穩機理的力學解釋，指出了摩爾－庫倫剪切屈服準則在滑坡穩定分析中存在的不足，并采用摩爾－庫倫屈服準則和張拉－剪切復合屈服準則對滑坡內部最危險滑動面的形成機理進行了解釋。鄭穎人等［7］進行了地震滑坡破壞機制及其破裂面的分析探討，地震滑坡的破壞由滑坡潛在破裂區上部拉破壞與下部剪切破壞共同組成，并給出了地震滑坡破壞面位置的確定方法。余飛等［8］進行了順層巖質滑坡漸進破壞及失穩機理的數值模擬研究，利用數值模擬方法得到了滑坡滑移臨滑狀態下的位移場、應力應變場、結構面上的解除狀態、層間滑移距離以及接觸摩擦力的分布規律，其破壞為最初的層間錯動、發展為順層蠕滑、最后在坡底剪出而破壞。程強等［9］進行了典型紅層軟巖軟弱夾層剪切蠕變性質研究，認為紅層軟巖軟弱夾層具有明顯的蠕變特性，在滑坡剪切強度參數選取中應考慮軟弱夾層蠕變的影響，并建議軟弱夾層長期剪切強度可取短期剪切強度的75%。張清照等［10］進行了結構面的剪切蠕變特性研究，根據實驗結果提出了結構面剪切蠕變經驗公式，并討論了Burgers 模型對于描述結構面剪切蠕變特性的參數特征等等［11］。因此，本研究將以不同載荷作用下邊坡體潛在滑移帶內巖體的剪切蠕變力學模型來研究邊坡的失穩滑移機理，對不同載荷作用下紅砂巖剪切蠕變力學特性與失穩破壞演化規律進行系統的研究，并試圖解釋一些邊坡發生時的現象及其機理。

1 研究方案

1.1 試驗原理與設備

為更好地模擬邊坡體潛在滑移帶內巖體的受力狀態，試驗時采用的剪切蠕變試驗原理為限制性剪切蠕變模型，試驗原理如圖1 所示。

本研究進行的試驗研究中采用的主要儀器設備為自行研制開發的“一種軟弱煤巖材料剪切蠕變實驗裝置(已獲實用新型專利)”，該設備可提供的最大剪應力為60 MPa，精度為±0.1 MPa;該設備可以完成軟弱煤巖材料的剪切試驗研究、蠕變試驗研究和剪切蠕變試驗研究;設備配備有可放大1 000 倍顯微鏡，并可通過編制的數據采集處理軟件“煤巖細觀力學特性測控軟件(已獲軟件著作權)”觀測巖體內裂紋的動態演化規律，如圖2 所示。

圖2 煤巖細觀力學特性測控軟件界面Fig.2 Monitor software of coal or rock micromechanics properties

1.2 試驗方案

根據ISRM 的規定，選取具有代表性的紅砂巖為研究對象，并加工成為標準方形試樣進行試驗研究。實驗前，首先對試樣進行超聲波檢測和孔隙率測試，目的是通過檢測剔除超聲波波速和孔隙率異常試樣，以保證試驗研究所得結果具有較強的可比性。

在各級剪切蠕變載荷確定前，首先進行同一條件下紅砂巖的限制性剪切力學特性試驗，獲得如圖3 所示典型的剪切應力－應變特性曲線，然后再參照巖石全應力－應變特性曲線預測蠕變破壞規律的原理，確定4 個具有代表性的剪切蠕變試驗載荷水平，然后開展試驗研究。確定的剪切蠕變試驗載荷水平分別為17.23、22.97、28.71、34.46 MPa，分別為所用紅砂巖試樣剪切強度的43%、57%、72%、86%，如圖3 所示。

圖3 典型的紅砂巖剪切特性試驗曲線Fig.3 Typical shear test characteristic curve of red sandstone

2 試驗研究與分析

根據設計的實驗方案開展試驗研究，并將連續36 h 內巖樣不再產生剪切蠕變應變視為該載荷作用下紅砂巖剪切蠕變試驗的結束點，然后提高載荷到下一水平并繼續利用該試樣進行試驗研究。根據對各試驗結果的整理、分析，得到了典型的不同大小的載荷作用下紅砂巖試樣剪切蠕變力學特性試驗曲線，如圖4 所示。

分析所得試驗曲線可知:

(1)在各級蠕變載荷施加后，紅砂巖試樣均會有初始應變產生，但隨著各級蠕變載荷的逐漸施加，產生的初始應變呈先減小后增大趨勢(4 級試驗產生的初始應變依次為:(40 ～45)×10－4、(3 ～5)×10－4、(5 ～10)×10－4、(5 ～10)×10－4，且以第二級載荷施加時產生的初始變形值最小，呈明顯非線性特點。這是因為在逐漸提升載荷大小過程中，試樣要經歷一個限制性剪切試驗過程，此過程中將產生明顯的剪切變形;且所受的載荷大小不同時，試樣內部結構發生的變化也不同，試樣將經歷壓密、新微結構產生這一復雜過程;但由于剪切蠕變試驗的不斷進行，試樣所處的狀態不斷調整，如再受到相同的額外載荷作用時，其產生的剪切變形也將發生變化，故呈先減小后增大趨勢;而第二載荷水平作用下產生的初始剪切蠕變值較小，則是由第二載荷水平值的選取決定，而從限制性剪切試驗特性曲線可知，第二級載荷大小正處于試樣壓密階段結束位置。

(2)在各級蠕變載荷施加后，產生初始應變的速率隨著各級載荷施加呈現出先減小后增加的規律，但以第二級載荷施加時產生的初始變形速率最小，如圖5 所示。這是因為對于相同條件下的同一巖樣，在受到相同增量載荷作用時產生的變形速率大小將取決于試樣內孔隙、裂隙數量和這些微結構的尺度，而隨著剪切蠕變試驗的不斷進行，試樣的孔隙率和其內微結構的尺度也將經歷一個先大后小再大的過程，而各級載荷水平的選取又處于試樣不同的狀態點，故導致初始應變的產生呈現如此規律。

圖4 典型的不同大小載荷作用下紅砂巖剪切蠕變特性試驗曲線Fig.4 Typical shear creep test characteristic curve of red sandstone under different load

圖5 不同階段的紅砂巖剪切蠕變曲線Fig.5 Shear creep test characteristic curve of red sandstone in different creep step

(3)在各級蠕變載荷施加后，試樣產生明顯的剪切蠕變變形所持續的時間和產生的剪切蠕變變形量均呈增加趨勢。第一級載荷施加后基本在5 min 內完成明顯剪切蠕變、產生的剪切蠕變變形量約為10×10－4;第二級載荷施加后基本在10 min 內完成明顯剪切蠕變、產生的剪切蠕變變形量約為(10 ～15)×10－4;第三級載荷施加后基本在20 ～30 min 內完成明顯剪切蠕變、產生的剪切蠕變變形量約為(20 ～30)×10－4;第四級載荷施加后試樣一直有明顯剪切蠕變產生，直至試樣破壞瞬間。這是因為在剪切蠕變載荷較小時，其對試樣內部結構產生的影響也較小，即使作用時間較長，載荷也僅能影響試樣內部一些尺度較大的孔隙裂隙結構并導致其緩慢變形而產生剪切蠕變變形;而隨著剪切蠕變試驗的持續進行和載荷水平的不斷提高，試樣內部將產生新的孔隙、裂隙結構，這將增加剪切蠕變載荷對試樣內部結構演化的影響，并在此載荷水平作用期間內產生更大的剪切蠕變變形，直至最后發生失穩破壞。

(4)開展系統的試驗研究后發現，紅砂巖試樣在各級剪切蠕變載荷作用下，進入穩定蠕變階段的蠕變應變和累計蠕變應變分別由50 ×10－4增加到110 ×10－4、由60 ×10－4增加到180 ×10－4，2 個特殊點處剪切蠕變表現出的規律呈二次曲線特征，如圖6 所示。這說明紅砂巖試樣在經歷了不同大小剪切蠕變載荷的長期作用后，其內部發生的變化相對緩和，試樣發生明顯的破壞失穩前其內部結構尚沒有出現較大的突發式調整。

(5)進行系統試驗研究后發現，存在2 個特殊的臨界剪切蠕變載荷值τ1、τ2，把紅砂巖剪切蠕變分為3 個類型:肯定不破壞、不一定破壞和肯定破壞，且文中涉及的試驗中τ1、τ2應滿足以下條件:22.97 MPa＜τ1≤28.71 MPa、τ2＞28.71 MPa。當試樣受到的剪切蠕變載荷小于τ1時，即使作用時間很長試樣也不會發生失穩破壞;而試樣受到的剪切蠕變載荷大于τ2時，巖石試樣一定能夠在剪切蠕變載荷作用下發生失穩破壞;當剪切蠕變載荷值介于二者之間時，試樣將可能在剪切蠕變載荷的長期作用下發生失穩破壞，發生破壞所需要的時間將取決于載荷大小、外界條件和試樣所受的應力過程。

圖6 各階段特殊點剪切蠕變應變值Fig.6 Value of shear creep of special points in different creep step

(6)在各級剪切蠕變載荷作用下，紅砂巖試樣內部及表面均會產生新的微結構，明顯的裂紋多產生于試樣剪切應力作用線附近，裂紋尺度的發育程度將由剪切蠕變載荷的大小決定。這可能是因為雖然所采用的紅砂巖試樣的孔隙率為5%左右，但試樣在剪切蠕變載荷作用下可發生的彈性剪切變形較小，在不大的載荷作用下，特別是剪切蠕變載荷作用下，彈性剪切變形在第一階段剪切蠕變過程中就已經充分完成，并發生了部分塑性變形，導致有細微的裂紋出現。試樣在剪切蠕變載荷作用下，通過1 000 倍顯微鏡觀測時試樣內微裂紋發展情況如圖7 所示。

(7)在剪切蠕變載荷作用下，紅砂巖試樣的破壞類型表現為漸進式與突發式的結合。在剪切蠕變載荷作用前期，紅砂巖試樣內部不斷變化，表現為試樣的變形和試樣表面微裂紋的出現;隨著載荷的增大和作用時間的延長，新的微裂紋開始發育、發展，帶動裂紋周邊也出現明顯的次生裂紋并進一步貫通，最終形成主破裂面，導致試樣發生突發式失穩破壞并發出較大的斷裂聲響。紅砂巖破壞類型如圖8 所示。

(8)在剪切蠕變載荷作用下，紅砂巖試樣發生剪切破壞時的破裂面并非平直剪切面，而多數呈有彎曲波浪形曲面形式，如圖8 所示。這一曲面形式恰與邊坡發生滑移失穩時的滑移面形式基本一致。

圖7 剪切蠕變試樣裂紋演化過程(1 000 倍)Fig.7 Evolution of Crack in process of shear creep red sandstone(1 ×103)

圖8 紅砂巖剪切蠕變破壞形式Fig.8 Shear creep fracture models of red sandstone

3 對邊坡失穩現象的解釋

系統的試驗研究所得主要結論是否可以用來解釋邊坡體失穩破壞前主要現象和失穩破壞的誘因與機理，將決定紅砂巖剪切蠕變力學模型是否可以恰當的表征邊坡失穩這一科學問題。故嘗試著用試驗研究所得結論解釋一些邊坡發生失穩時的現象，并歸納誘發邊坡失穩的機理。

(1)一些邊坡發生的失穩主要受控于時間因素。剪切蠕變作用下的紅砂巖，其產生的剪切蠕變變形主要由初始剪切應變和剪切蠕變應變組成，恒定應力條件對外界的影響是由作用時間導致的，試樣是否會發生破壞，將取決于試樣在各級剪切蠕變載荷作用下發生的內部結構變化的積累量;隨著受到的剪切蠕變載荷與τ1、τ2大小關系的不同，作用時間對試樣破壞的控制作用也不同。這正可以解釋部分邊坡發生失穩受控于時間因素這一點，即外界條件基本恒定條件下，時間因素將成為導致邊坡發生失穩的主控因素。

(2)邊坡體產生一定變形后仍可穩定運行。盡管在不同大小的載荷下紅砂巖試樣均產生了明顯的剪切蠕變變形，但只要此載荷水平小于某一值，盡管作用時間延長試樣仍能保持穩定并不斷發生剪切蠕變變形，只要滿足外界條件不變且受到的剪切蠕變載荷小于τ2。這可以很好地解釋有些邊坡體滑移變形達到一定程度后，只要外界條件不發生變化，其仍能保持安全穩定運行這一現象。

(3)穩定邊坡體的運動過程基本分為2 個階段，快速變形階段和趨于穩定階段，僅在邊坡失穩發生瞬間存在急劇滑移階段。在剪切蠕變載荷水平作用下，紅砂巖試樣均經歷了快速剪切蠕變和穩定剪切蠕變2 個階段;而當載荷水平大于τ2時，紅砂巖試樣可能繼續變形直至發生失穩破壞。這可以用來解釋人工邊坡形成后先是快速變形、而后趨于穩定的現象;若所受載荷水平大于τ2或者外界條件發生了變化，邊坡則將發生失穩。

(4)外界條件變化后穩定的邊坡體將繼續發生運動，甚至失穩。盡管在不同載荷作用下，紅砂巖試樣產生了明顯的剪切蠕變變形，但只要此載荷值小于τ1，剪切蠕變變形達到一定值后就不會繼續發展;如再提高剪切蠕變載荷水平，又將重復產生上述過程，直至載荷值大于τ2。這可以很好地解釋邊坡(特別是人工開挖形成的邊坡)發生一定數量變形后又趨于穩定的現象，而外界條件如在此時發生變化，則邊坡體可能繼續產生變形，而其是否發生失穩則取決于外界條件變化的程度。

(5)邊坡發生滑移時滑移帶附近具有豐富結構，且這些結構是在一個緩慢過程中積累形成的。紅砂巖受到剪切蠕變載荷作用時，試樣在剪切應力作用線附近將產生明顯的微結構發育區域，包括主裂紋和次生微裂紋，且隨著試驗的進行最終形成宏觀主裂紋，從而導致試樣失穩破壞，如圖7 所示。這正可以解釋邊坡滑移時滑移帶內形成的豐富結構和主滑移面的形成原因。

(6)邊坡失穩滑移多為剪切滑移，滑移面的剪切痕跡明顯，滑移面多為非平直剪切面。試驗研究中，紅砂巖試樣受到剪切蠕變載荷作用，逐漸產生剪切蠕變變形，當此變形積累到一定數量后，試樣內部將形成一個以次生細微裂紋為主的剪切帶，如圖7(b)所示。該剪切帶在上覆剪切蠕變載荷的繼續作用下將不斷發展，直至形成試樣的主控剪切破裂面，并導致試樣的剪切失穩破壞，如圖7、圖8 所示。這一過程與邊坡內形成滑移面的過程非常相似，且形式均為非平直剪切面。

(7)邊坡穩定性的演化過程。在較小的剪切蠕變載荷作用下，盡管作用時間較長，紅砂巖試樣僅產生較大剪切蠕變變形，但不發生失穩破壞，即滿足剪切蠕變載荷值小于τ1;而繼續增加剪切蠕變載荷時，試樣將重復上述變形過程，直至受到的剪切蠕變載荷大于τ2時，試樣發生剪切蠕變失穩破壞。不斷增加的剪切蠕變載荷，可近似等效為邊坡外界條件的變化，而這一改變則可能就是邊坡發生失穩滑移的最直接誘因，而邊坡潛在滑移帶內巖石發生的剪切蠕變過程則是其孕育、發展的過程。

4 結 論

(1)不同載荷作用下紅砂巖試樣發生剪切蠕變時，剪切蠕變變形均包括初始剪切蠕變階段、穩定剪切蠕變階段，而加速剪切蠕變階段是否存在決定于剪切蠕變載荷與特殊值τ2的關系;試樣產生的累計剪切蠕變變形量隨剪切蠕變載荷的增加呈增加趨勢。

(2)不同載荷作用下的紅砂巖試樣剪切蠕變過程中，存在2 個特殊的臨界剪切蠕變載荷值τ1、τ2，將紅砂巖剪切蠕變類型分為3 種，即肯定不破壞、不一定破壞和肯定破壞。

(3)不同載荷作用下的紅砂巖試樣剪切蠕變過程中，隨載荷的增加進入穩定剪切蠕變階段和最大剪切蠕變變形2 個特殊點處產生的剪切蠕變變形呈逐漸增加趨勢。

(4)不同載荷作用下紅砂巖試樣剪切蠕變過程中，紅砂巖試樣的破壞帶形成過程表現為漸進式，破壞過程表現為漸進式與突發式結合，破裂面附近區域為裂紋結構豐富區，破裂面并非平直剪切面。

(5)巖石的剪切蠕變力學模型可以用來解釋邊坡發生失穩時的多種現象，邊坡潛在滑移帶內巖石發生的剪切蠕變則是邊坡發生失穩的內在誘因。

［1］ Lacroix P，Amitrano D. Long-term dynamics of rockslides and damage propagation inferred from mechanical modeling［J］. Journal of Geophysical Research-Earth Surface，2013，118(4):2292-2307.

［2］ Pellet F L，Keshavarz M，Boulon M.Influence of humidity conditions on shear strength of clay rock discontinuities［J］.Engineering Geology，2013，157(2):33-38.

［3］ Goren L，Aharonov E.On the stability of landslides:a thermo-poro-elastic approach［J］. Earth and Planetary Science Letters，2009，277(3):365-372.

［4］ 趙洪寶，潘衛東.開挖對巖質邊坡穩定性影響的數值模擬［J］.金屬礦山，2011(7):32-35.

Zhao Hongbao，Pan Weidong.Numerical simulation of the impact of excavation on stability of rock slope［J］.Metal Mine，2011(7):32-35.

［5］ 黃潤秋.巖石高邊坡發育的動力過程及其穩定性控制［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(8):1525-1544.

Huang Runqiu. Geodynamical process and stability control of high rock slope development［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(8):1525-1544.

［6］ 戴自航，盧才金.邊坡失穩機理的力學解釋［J］.巖土工程學報，2006，28(10):1191-1197.

Dai Zihang，Lu Caijin. Mechanical explanations on mechanism of slope stability［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(10):1191-1197.

［7］ 鄭穎人，葉海林，黃潤秋.地震邊坡破壞機制及其破裂面的分析探討［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(8):1714-1723.

Zheng Yingren，Ye Hailin，Huang Runqiu. Analysis and discussion of failure mechanism and fracture surface of slope under earthquake［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(8):1714-1723.

［8］ 余 飛，陳善雄，余和平.順層巖質邊坡漸進破壞及失穩機理的數值模擬研究［J］.巖土力學，2005，26(S):36-40.

Yu Fei，Chen Shanxiong，Yu Heping.Numerical simulation study on progressive destruction and failure mechanism of bedding rock slope［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26(S):36-40.

［9］ 程 強，周德培，封志軍.典型紅層軟巖軟弱夾層剪切蠕變性質研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(S1):3176-3180.

Cheng Qiang，Zhou Depei，Feng Zhijun. Research on shear creep property of typical weak intercalation in redbed soft rock［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(S1):3176-3180.

［10］ 張清照，沈明榮，丁文其. 結構面的剪切蠕變特性研究［J］. 工程地質學報，2012，20(4):564-569.

Zhang Qingzhao，Shen Mingrong，Ding Wenqi. Laboratory test for shear creep characteristic of rock mass discontinuity［J］.Journal of Engineering Geology，2012，20(4):564-569.

［11］ 趙洪寶，尹光志，張衛中.圍壓作用下型煤蠕變特性及本構關系研究［J］.巖土力學，2009，30(8):2305-2308.

Zhao Hongbao，Yin Guangzhi，Zhang Weizhong. Study of creep characteristics and constitutive relation of briquette under confining pressure［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(8):2305-2308.