三峽庫區黃土坡滑坡滑帶土卸荷狀態下的直剪蠕變特性研究

喬 卓，崔德山,陳 瓊，魏亞軍

(中國地質大學(武漢)工程學院，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滑坡的演化和長期穩定性有著重要的影響，眾多學者基于滑帶土的剪切蠕變特性來探討滑坡演化發育的機理。隨著我國基礎建設的快速發展，由于土體流變性導致的地質災害也逐漸增多，如滑坡、邊坡失穩等，因此在工程建設后，保障其在使用過程中的安全性愈發重要。

近些年來，國內外學者對滑坡滑帶土的蠕變特性和長期強度特性進行了大量的試驗研究，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，結果發現滑帶土的屈服強度與含水率呈負相關關系，并討論了滑帶土的蠕變特性與邊坡失穩預報模型間的聯系；Qin等、Luo等研究了庫水位變化條件下巖石的蠕變特性，并探討了飽水-失水循環作用下巖石的細觀損傷機理，對巖石損傷量進行了定量表述；蔣秀姿等對低速滑坡滑帶土進行了峰前和殘余狀態下的直剪蠕變試驗研究，結果發現導致不同狀態下滑帶土蠕變特性差異的根本原因是土體內部結構的差異；李晶晶等研究了南陽膨脹土在卸荷狀態下的非線性蠕變特性，結果發現坡面的地層更容易發生蠕變破壞；陳瓊等研究了不同應力下三峽庫區黃土坡滑坡滑帶土的應力松弛特征，結果發現滑帶土的應力松弛曲線出現了應力軟化的特征。滑坡的演化受到許多因素的共同影響，其中降雨、庫水位漲落等外因的影響較大。目前，關于滑坡滑帶土的直剪蠕變試驗多集中在滑帶土蠕變破壞研究方面，并未對滑帶土的衰減蠕變階段(即蠕變第一階段)進行重點研究。已有研究表明，應力歷史直接影響到土體內部顆粒的分布，導致其剪切過程中出現剪脹(縮)的現象。同時，不同固結狀態下土體的力學特征有極大的差異。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，并分析對比了不同固結路徑下滑帶土的蠕變特性與孔隙度的關系；田洪銘等對ABAQUS中的軟巖冪函數經驗蠕變模型進行了修正，構建了花崗巖非線性蠕變損傷模型，并對紅砂巖的蠕變特性試驗結果進行了反演；胡訓健等通過離散元方法構建了基于晶體粒徑分布的非均質性蠕變顆粒模型，從微觀角度揭示了晶體粒徑的分布對花崗巖巖體蠕變特性的影響。

結合三峽庫區黃土坡滑坡的實際情況，三峽庫區的庫水位常年在145～175 m之間調整，落差近30 m，即防洪限制水位以下的滑坡在原來穩態水壓的基礎上將承受 0～300 kPa幅度的周期性動態滲透壓力，特別是在庫水位上升過程中，庫水位線以下的滑坡滑帶土受到的有效應力減小，表現出卸荷狀態。因此，開展卸荷狀態下黃土坡滑坡滑帶土的慢剪和直剪蠕變試驗，通過分析滑帶土的蠕變曲線來研究滑帶土的蠕變特性，可為該滑坡演化和穩定性分析提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗土樣

試驗土樣取自長江三峽庫區黃土坡滑坡臨江1號滑坡體3號支洞揭露的滑帶土(見圖1)，在對滑帶土試樣進行蠕變試驗前，對滑帶土的密度、含水量、礦物成分、顆粒級配等基本的物理性質參數進行了測試，其測試結果見表1。

圖1 黃土坡滑坡臨江1號滑坡體3號支洞位置平面圖

表1 黃土坡滑坡滑帶土的基本物理性質參數

在實驗室對黃土坡滑坡滑帶土試樣烘干,過2 mm篩后對土樣進行篩分試驗，對粒徑小于0.075 mm的土樣顆粒進行比重計試驗，根據粒徑小于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配曲線，見圖2。

圖2 黃土坡滑坡滑帶土的顆粒級配曲線半對數坐標圖

根據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X射線衍射試驗后，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 試驗儀器

本次黃土坡滑坡滑帶土剪蠕變試驗所用的儀器是中國地質大學(武漢)土質土力學實驗室的DZR-8直剪蠕變儀，它由普通直剪儀改進而成，主要包括加壓系統、剪切盒和量測系統，見圖3。垂直加載由砝碼控制，水平加載通過油壓驅動活塞控制；剪切力、水平位移和豎向位移由計算機采集，時間間隔為10 s，精度為0.001 mm。試驗目的是獲得滑帶土在不同固結狀態下的蠕變特性。

圖3 改進的DZR-8直剪蠕變儀

1.3 試驗方法

本次試驗將黃土坡滑坡滑帶土原狀樣烘干、碾碎、過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的實心圓柱樣，為了盡可能地避免試樣中有多余的空氣，將環刀樣放入真空飽和缸中進行抽氣飽和24 h。根據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，選取一組固結應力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa和400 kPa。將滑帶土試樣放在剪切盒中進行幅度為300 kPa的加載—卸載固結；然后分別對滑帶試樣進行固結慢剪試驗和直剪蠕變試驗，其試驗方案見表3。具體試驗步驟如下：

表3 黃土坡滑坡滑帶土固結慢剪和直剪蠕變試驗方案

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

τ

。(2) 將飽和后的滑帶土試樣加載—卸載穩定后，在剪切盒上和四周注上水，對滑帶土試樣進行直剪蠕變試驗。采用分級加載的方式施加剪切應力

τ

=

τ

/n

,其中

n

取5～7(固結路徑見表3),待滑帶土試樣蠕變24 h且判定蠕變位移穩定(d

ε

/d

t

≤0.000 5 h)后,可施加下一級剪切應力，直到施加至所需的剪切應力，滑帶土蠕變時長總計7 d。試驗完成后,卸掉加載裝置,并對試驗儀器進行清理,得到直剪蠕變試驗后的滑帶土試樣，見圖4。

圖4 直剪蠕變試驗后的滑帶土試樣

2 結果與分析

2.1 滑帶土剪切位移與時間曲線分析

我國學者陳宗基總結的陳氏加載法的適用性較廣，在巖土流變學中的應用也越來越廣泛。本文在研究黃土坡滑坡滑帶土的直剪蠕變特性時，運用陳氏加載法對試驗數據進行處理，即將通過分級加載方式得到的滑帶土蠕變試驗結果轉換成分級加載方式的蠕變曲線形式，從而得到不同固結路徑下黃土坡滑坡滑帶土的水平位移-時間曲線，見圖5。其中，圖5(c)中，在90 kPa的固結應力加載一段時間后，滑帶土的剪切位移突然增大至破壞。

由圖5可以看出：

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

(2) 當固結應力不變時，滑帶土蠕變的瞬時位移量與剪切應力呈正相關關系，且隨著剪切應力的增大，滑帶土蠕變的瞬時位移量逐漸增大，逐漸出現等速蠕變階段；同時，滑帶土的變形達到穩定時所需的時間也越來越長。如當固結應力從400 kPa卸荷至100 kPa，當剪切應力為14 kPa、21 kPa、28 kPa、35 kPa、42 kPa、49 kPa時，滑帶土蠕變的瞬時位移量分別為0.005 mm、0.01 mm、0.012 mm、0.023 mm、0.04 mm和0.09 mm[見圖5(b)]；滑帶土的變形達到穩定時所需的時間分別為60 min、300 min、600 min、800 min、1 200 min和1 500 min。

圖5 不同固結路徑下黃土坡滑坡滑帶土的水平位移-時間曲線

2.2 滑帶土蠕變速率曲線分析

不同固結路徑下黃土坡滑坡滑帶土的剪切應變-應力比關系曲線，見圖6。

圖6 不同固結路徑下黃土坡滑坡滑帶土的剪切應變-應力比關系曲線

由圖6可見：卸載相同的固結應力(300 kPa)后，隨著固結應力的增大(即滑坡滑帶土深度的增加)，滑帶土的剪切應變達到某一值所需施加的剪切應力等級減小；當剪切應變達到0.6%時，固結應力為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa的滑帶土所需施加的剪切應力

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應力歷史的影響。由圖6可見：固結應力為400 kPa的滑帶土在剪切應力為0.6

τ

時蠕變速率瞬間增大；固結應力為200 kPa的滑帶土在剪切應力為0.8

τ

時蠕變速率瞬間增大；固結應力為100 kPa的滑帶土在剪切應力為1.2

τ

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

圖7 不同固結路徑下黃土坡滑坡滑帶土的豎向位移-時間曲線

由圖7可見，當固結應力為50 kPa、100 kPa時，滑帶土在蠕變過程中整體表現為剪縮現象，這是由于土體固結應力較小，土體較松散、孔隙率較大，所以滑帶土在蠕變過程中優先調整孔隙，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，宏觀上表現為剪切位移變化小、蠕變速率較慢；當固結應力為200 kPa、400 kPa時，由于土體固結應力較大，土體壓縮較密實、孔隙率較小，所以滑帶土在蠕變過程中主要受剪脹因素的影響，宏觀上表現為剪切位移變化大、蠕變速率較快。

2.3 滑帶土剪切應力-應變等時曲線分析

根據黃土坡滑坡滑帶土的蠕變試驗數據，繪制其相應的剪切應力-應變等時曲線，得到卸荷至不同固結應力下黃土坡滑坡滑帶土的剪切應力-應變等時曲線，見圖8。

由圖8可以看出：

圖8 卸荷至不同固結應力下黃土坡滑坡滑帶土的剪切應力-應變等時曲線

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

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

(3) 在不同固結應力歷史作用下，滑帶土的剪切應力-應變等時曲線大致表現為一束曲線簇，呈現歸一化的趨勢，說明三峽庫區滑坡滑帶土的蠕變特性大致相同，為更精確地構建該地區滑帶土的蠕變經驗模型提供了依據。

2.4 滑帶土指數型經驗蠕變模型

通過查閱文獻，滑帶土的經驗蠕變模型擬合主要采用指數函數、對數函數和冪函數形式。通過對黃土坡滑坡滑帶土蠕變的試驗結果進行分析后發現，指數型經驗蠕變模型能更好地擬合該滑坡滑帶土的蠕變曲線。通過采用最小二乘法分析該地區滑帶土的指數型經驗蠕變模型，可得到：

(1)

式中:

x

(

t

)表示

t

時刻滑帶土的剪切位移(mm);

x

表示滑帶土指數瞬時彈性剪切位移(mm)；

a

表示時間的影響因素。

黃土坡滑坡滑帶土指數型經驗蠕變模型的擬合參數，見表4。

表4 黃土坡滑坡滑帶土指數型經驗蠕變模型的擬合參數

由表4可知，采用指數型經驗蠕變模型對黃土坡滑坡滑帶土的蠕變曲線進行擬合，結果表明相關系數

R

大多介于0.91～0.99之間，說明模型的擬合精度較高。

為了驗證該模型，將指數型經驗蠕變模型的擬合曲線與卸荷至不同固結應力下黃土坡滑坡滑帶土的蠕變曲線進行了對比，其結果見圖9。

由圖9可見，指數型經驗蠕變模型的擬合曲線與卸荷至不同固結應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 卸荷至不同固結應力下黃土坡滑坡滑帶土蠕變曲線與指數型經驗蠕變模型擬合曲線的對比圖

3 結 論

根據長江三峽庫區庫水位變化對滑坡受力的影響，特別是考慮了庫水位上升時，水下滑帶土的卸荷作用，本文將黃土坡滑坡滑帶土中2 mm以下的顆粒進行制樣，開展了黃土坡滑坡滑帶土在卸荷狀態下的慢剪和直剪蠕變試驗研究，并結合相關文獻得到以下結論：

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

(2) 在固結應力不變時，隨著剪切應力的增大，黃土坡滑坡滑帶土蠕變的瞬時位移量越來越大，同時滑帶土的變形達到穩定時所需的時間也越來越長，表明滑帶土的蠕變現象加劇，其蠕變特性與蠕變時間、剪切應力相關。

(3) 黃土坡滑坡滑帶土原狀樣由于空隙和裂紋而產生較大的蠕變位移，其剪切應變為3.5%，在豎向位移上表現為剪縮，而其重塑樣的剪切應變大多在1%以內；兩種試樣都反映出蠕變速率隨剪切應力的增大而增加。

(4) 在卸載300 kPa的固結應力后，黃土坡滑坡滑帶土的蠕變速率隨著剪切應力的增大而增加，在剪切應變為0.4%左右時滑帶土的蠕變速率有了明顯的增大，且隨著固結應力的增加，滑帶土在剪切應變達到0.6%時所需施加的剪切應力

τ

相應地減小。

(5) 黃土坡滑坡滑帶土的剪切應力-應變等時曲線具有歸一化的特性，采用指數型經驗蠕變模型可以精確地擬合滑帶土的蠕變曲線，可為三峽庫區滑坡的穩定性分析提供依據。