軟弱泥化夾層蠕變特性試驗研究★

姜春平,富豐有,楊志全,王英杰,鳳小明

(1.中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西 西安 710000； 2.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院云南省高校高烈度地震山區交通走廊工程地質病害早期快速判識與防控重點實驗室，云南 昆明 650093)

1 概述

軟弱夾層泛指顆粒細小、夾于上下相對堅硬巖層中的薄層，一般呈條帶狀或層狀，具有遇水易軟化，強度低變形大等特點[1-2]。在層間錯動和地下水長期作用下，軟弱夾層經泥化形成結構疏松、顆粒大小不均、粒間連結微弱、多呈定向排列的特殊軟弱結構面，即泥化夾層[3]。在自重、施工開挖、暴雨、庫水位變化及地震等作用下，滑坡災害的演變常沿著該軟弱薄層發育[4]。研究表明，軟弱結構面具有明顯的蠕變特性，其強度特征具有顯著的時間效應。因此，對于含泥質巖類的邊坡而言，其更易形成潛在的滑動面，成為邊坡長期穩定的關鍵控制因素[5-7]。

針對軟弱結構面蠕變特性的討論，目前已有諸多研究成果，程強等[8]通過室內剪切蠕變試驗，認為紅層軟巖具有顯著的蠕變特性，其長期強度為剪切蠕變曲線上t→∞時刻所對應的應力值；周曉飛等[9]引入冪函數擬合了泥質夾層蠕變過程中的應變-時間關系，并對比了傳統等時曲線獲取了長期強度。最后得出：隨著剪應力的增大，泥質夾層蠕變變形效果越明顯，且夾層的長期強度較其快剪強度顯著降低，約為抗剪強度的82%；朱珍德等[10]采用弱面直剪流變儀對含軟弱夾層巖石進行剪切流變試驗，并認為凝聚力對剪切流變特性的影響略高于內摩擦系數；龐正江和胡建敏[11]基于剪切流變試驗成果，根據應力屈服值確定了結構面長期強度，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合能更具說服力。YU M等[12]通過采用剪切試驗方法對徐州某高邊坡軟弱層間石灰巖的蠕變特性進行研究，最后得出,石灰巖的衰減和穩態蠕變特性，且試樣沒有表現出加速蠕變特性。沈明榮和張清照[13]以含軟弱結構的大理巖試樣為研究對象，采用分級加載方式，研究了軟弱結構面的蠕變特性。結果表明，不同法向應力條件下的蠕變試驗曲線表現出衰減、等速和加速蠕變特性。

關于軟弱結構面蠕變特性的研究，既有報道對于更加“劣質”化的泥化夾層的研究成果還相對較少。因此，本文依托云南某邊坡工程，以軟弱泥化夾層為研究對象，采用改裝式應力控制直剪儀，開展了不同固結壓力下的直剪蠕變試驗。基于試驗結果，分析了軟弱泥化夾層在不同剪應力荷載下的應力應變隨時間的特征規律，為此類邊坡工程問題的長期穩定性分析和評價提供具有科學意義的參考依據。

2 直剪蠕變試驗

2.1 試驗設備

本次試驗儀器采用改裝式應力控制直剪儀，如圖1所示。該套試驗設備是由常規應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和量測系統，通過安裝定滑輪和數顯千分表增加了剪切加載系統和水平量測系統。

2.2 試驗材料

試驗樣品取自云南某邊坡工程，參照土工試驗方法標準[14]，土樣的基本物理性質指標見表1。

表1 軟弱泥化夾層基本物理性質指標

2.3 加載方式

巖土體蠕變試驗加載方式一般分為分別加載和分級加載[15-16]。分別加載是指對于完全相同的土樣，在完全相同的試驗設備、試驗條件下，以不同的剪應力水平開展蠕變試驗，得到不同剪應力梯度下土樣的蠕變全過程。但在實際試驗過程中要滿足此種加載方式是不易實現的，一方面要保證完全相同的試驗材料和試驗條件是不太可能實現的，另一方面也難以滿足多套試驗設備同時工作的條件。所以在國內外現有報道中一般采用分級加載的方式，即在同一試樣上逐級施加剪應力，待一段時間土樣進入穩定狀態后再施加下一級荷載，最終直至土樣發生破壞。蠕變變形穩定標準參照文獻[17]，以變形量不大于0.01 mm/d作為穩定標準狀態。

2.4 試驗方案

1)首先對軟弱泥化夾層試樣進行常規快剪試驗，在不同的固結壓力下，以0.8 mm/min的速率對試樣進行剪切，得到土樣在不同固結壓力下的最大抗剪強度和強度參數指標，如表2所示。

表2 夾層試樣抗剪強度及其指標

2)根據公式τi=τf/n(其中，n為加荷級數，通常為5～7，τf為在不同固結壓力下的最大抗剪強度)，確定土樣在各級固結壓力下的剪應力水平的增量τi。結合實驗室現有條件，對各級剪應力大小進行適當調整，得到本次試驗加載方案。以固結壓力為100 kPa為例，試樣的水平剪應力為6 kPa，12 kPa，18 kPa，24 kPa，30 kPa。由于試驗樣品的復雜性，試驗結果具有一定的離散型，所以試驗最終的破壞強度以土體實際破壞時的荷載值為最終的剪切破壞強度[18]。

3 試驗結果和分析

3.1 剪應變-時間曲線

本文以固結壓力為100 kPa的試驗結果為例，分析軟弱泥化夾層的蠕變特性，其蠕變全過程曲線如圖2所示。試驗結果表明，在每一級剪應力作用下，試樣都經歷了瞬時變形到穩態蠕變的過程。

由于分級加載方式不能準確描述土體在各級剪應力水平下的蠕變曲線，故本文采用“陳式加載法”轉化得到了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)在低應力水平下，軟弱泥化夾層試樣表現出衰減特性，而隨著剪應力不斷增加，土體最終呈現出加速變形特性，即土體在整個蠕變過程中，總體表現出非線性蠕變特征。

2)在各級剪應力水平作用下，土體均呈現瞬時變形階段、衰減蠕變和似穩態蠕變3個階段。

瞬時變形階段：在剪應力作用初期，土顆粒的空間位置迅速發生調整，土體中孔隙結構受到擠壓變形，部分水分子被排出，并產生了大量的孔隙，導致在荷載作用瞬間，土樣產生一定量的剪切變形特征。

衰減蠕變階段：在豎向固結壓力和剪切力的不斷作用下，土體內部結構和顆粒變形達到了一定程度，宏觀上變形量逐漸減小，變形趨于穩定，此時蠕變曲線呈現逐漸衰減的趨勢。

似穩態蠕變階段：隨著剪應力的持續作用，土體內部應力環境逐漸趨于一個相對穩定狀態，該階段蠕變速率逐漸減小到某一恒定值，表現出變形較小，持續周期長等特點。

3)當剪應力水平達到剪切破壞強度時，土體便發生破壞，宏觀上蠕變曲線變形表現出急速上升現象。

3.2 蠕變速率

研究表明，在巖土體蠕變過程中，蠕變速率是表征土體材料變形的一個重要參數[19-20]。根據數學理論原理，可以得到蠕變速率的計算公式，如式(1)所示。

(1)

根據式(1)得到試樣在100 kPa下的剪應變速率-時間曲線，如圖4所示。

由圖4可知，在低剪應力水平時，軟弱泥化夾層試樣的蠕變速率逐漸降低并趨于穩定值，這說明土體從衰減階段過渡到穩定階段。在剪應力作用初期，土體顆粒位置不斷發生調整，內部孔隙被大量填充，導致試樣的蠕變速率急劇下降；在剪應力作用中后期，土體內部應力場環境逐漸趨于一個相對穩定的狀態，在這一過程中，土體蠕變速率逐漸衰減，最終趨向于0。

3.3 等時應力-應變曲線

為了更好的了解軟弱泥化夾層的非線性蠕變特性，根據試驗結果繪制了固結壓力為100 kPa下土體的等時應力-應變曲線，如圖5所示。

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

4 結論

軟弱泥化夾層作為軟硬相間巖體中的一種特殊薄層，常是巖體穩定性的關鍵控制因子。因此，本文采用梯級加載方式開展直剪蠕變試驗，得到以下結論：1)軟弱泥化夾層具有明顯的蠕變特性，在低剪應力水平條件下，土體的蠕變變形經歷了瞬時變形階段、衰減蠕變階段和似穩態蠕變階段。2)在衰減蠕變階段，在低應力水平條件下，隨著時間的推移，蠕變速率逐漸減小并最終趨于某一穩定值，隨后進入似穩態變形階段；在高應力水平條件下，蠕變速率激增，土體發生破壞，呈現出加速破壞特征。3)在低應力水平條件下，等時應力-應變曲線呈現近似線性變化，隨著剪應力的增大，其非線性蠕變特性越來越明顯，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力的增加越來越明顯。