大型黃土古滑坡蠕變特性模擬

摘 要：為研究黃土古滑坡蠕變效應下長期穩定性問題，依托支黨河特大橋橋區的黃土古滑坡，以原狀黃土剪切蠕變試驗為基礎，采用數值模擬方法，分析削方卸載前后古滑坡體蠕變至2，10，30 a及100 a時的位移場及塑性區分布特征，對削方卸載后的古滑坡坡體進行現場監測，并與數值模擬結果進行對比。結果表明：隨剪應力增加，原狀黃土蠕變速率先減小后增大，先后經歷衰減蠕變、等速蠕變及加速蠕變3個階段，剪應力長期作用下，黏聚力及內摩擦角分別下降了16%，32%，蠕變效應明顯；古滑坡坡體在10～100 a間出現了加速蠕變過程，位移量最大達到1.96 m，蠕變至30 a塑性區基本貫通，發生失穩破壞；在坡體大傾角位置削方卸載后，塑性區面積顯著減小，蠕變10 a后，塑性區基本穩定且并未貫通，最大位移量僅為0.65 m，蠕變至100 a坡體也未發生失穩破壞。古滑坡表面及深部位移現場監測數據與數值模擬計算結果較為吻合，驗證了蠕變試驗及數值模擬結果的可靠性。關鍵詞：黃土古滑坡；數值模擬；蠕變效應；長期穩定性；現場監測

中圖分類號：TU 444

Simulation of creep characteristics of large ancient loess landslide

LI Ang¹，ZHOU Yonggen¹，YE Wanjun¹，SUN Xinghua²，MA Qiang³，XUE Zhixuan¹，LYU Luna¹，FANG Gang³

（1.College of Civil and Architectural" Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；2.Shaanxi Transportation Planning and Design Institute，Xi’an 710065，China；3.Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group，Xi’an 710054，China）

Abstract：To explore the long-term stability of loess ancient landslide under creep effect，taking the loess ancient landslide in the bridge area of Zhidang river bridge as the object，based on the shear creep" experiment of undisturbed loess，the numerical simulation method was used to examine the displacement field and plastic zone distribution characteristics of ancient landslide body before and after cutting unloading for 2，10，30 a and 100 a.The results show that with the increase of shear stress，the creep rate of intact loess decreases first and then increases，and experiences three stages of attenuation，constant speed and accelerated creep respectively.Under the long-term action of shear stress，the cohesion and internal friction angle decrease by 16% and 32% respectively，and the creep effect is obvious.The accelerated creep process of the slope of the ancient landslide occurred between 10 and 100 a.The plastic zone was basically penetrated after 30 a of creep，the displacement reached 1.26 m，and the instability failure occurred.After unloading at the large inclination angle of the slope，the creep displacement and the plastic zone area decreased significantly，and no instability failure occurred in the slope until 100 a.The field monitoring data of surface and deep displacement of ancient landslide are in good agreement with the numerical simulation results，which verifies the reliability of creep test and numerical simulation results.The research" provides a reference for the study of loess creep law and long-term stability of ancient landslide.

Key words：loess ancient landslide；numerical simulation；creep effect；long-term stability；onsite monitoring

0 引 言

滑坡災害是最具破壞性的地質災害之一，往往會造成經濟損失、人員傷亡等嚴重后果^[1-2]。中國發生的各類地質災害中，滑坡災害占比48.9%，滑坡災害防治屬公認的難題^[3-4]，研究滑坡穩定性意義重大^[5-6]。

針對形成時期不同，滑坡分為古滑坡、老滑坡、新滑坡，新滑坡形成時期較為明確，容易識別并能引起重視，而古滑坡由于形成時期較為久遠且目前整體穩定，具有較強的隱蔽性及擾動敏感性^[7-8]，古滑坡是相對暫時的整體穩定，自然或人為等因素影響下存在失穩破壞的可能性^[9-10]。黃土高原屬于地質災害高發區，黃土古滑坡穩定性研究一直是災害防治工作的重點^[11-12]，汪美華等以隴西黃土高原那勒寺古滑坡為研究對象，對天然狀態、極端降雨及古滑坡穩定性進行定量分析，提出相應的處治方法^[13]；陳亞光結合強度折減法及有限元數值模擬對黃土古滑坡遭遇強震時失穩破壞特征進行分析，得出黃土斜坡在中強地震作用下，將在第3階坡體出現整體滑動^[14]；鄧小龍等采用數值模擬分析得出古滑坡在天然、暴雨及地震狀態下均處于穩定，暴雨與地震共同作用將失穩破壞，認為未來古滑坡體存在失穩破壞風險^[15]。以往關于古滑坡穩定性研究均取得有意義的成果，但對蠕變效應的影響關注較少^[16-17]，對于黃土古滑坡而言，其長期穩定性與黃土蠕變特性密切相關^[18-19]，陳瓊等將剪切蠕變試驗數據與本構模型進行擬合研究，得出Burgers模型能夠較好地反映不同固結狀態下的蠕變特性^[20]；周靜靜等以低速緩動黃土滑坡為背景，分析滑帶土在不同正應力荷載下各剪應力階段位移變化規律以及應變速率、長期強度等特性，得出滑坡埋深越深，滑速越慢^[21]。眾多學者開展黃土滑坡原狀土蠕變試驗研究并提出改進的蠕變本構模型^[22-24]，對滑坡誘發因素及形成機理方面研究較多，蠕變效應下滑坡長期穩定性的研究尚不夠深入，開展黃土古滑坡坡體的蠕變規律及長期穩定性研究非常必要。

以支黨河特大橋橋區的大型黃土古滑坡為研究對象，開展剪切蠕變試驗，并將結果與本構模型進行擬合，基于FLAC^3D軟件分析古滑坡體在考慮蠕變效應下的長期穩定性，同時結合監測數據進行對比，驗證研究方法的科學性。

1 支黨河特大橋黃土古滑坡概況

陜西省旬邑縣支黨河特大橋是國家高速公路G69的重要組成部分，橋區存在一大型黃土古滑坡（圖1），古滑坡滑動面位于堆積的粉質黏土中，鉆孔揭露出滑帶顏色與上下地層區別明顯，古滑坡形成的主要原因是斜坡原地貌較陡峭、坡體上覆土體結構疏松、坡腳受河流沖刷等，坡體已滑動至斜坡中下部且滑坡堆積體部分已被沖刷流失，短期內整體處于基本穩定狀態。古滑坡長約280 m，寬約542 m，坡體厚約10～59.5 m，體積約4.5×10⁶ m³，上部地勢較陡峭，屬黃土梁峁地貌，形態呈簸箕形，周界清晰，后緣較陡且離石黃土出露，兩側邊界發育小型沖溝，中后部坡體較陡，中前部地形較緩，西北側邊坡前緣被沖洪積堆積地層填埋，東北側邊坡前緣受河流頂沖侵蝕。

滑坡區地層主要為第四系坡積粉質黏土和堆積粉質黏土、上-中更新統黃土夾古土壤，白堊系下統華池-環河組雜色泥巖、砂質泥巖、砂巖等（圖2）。

2 黃土蠕變特征

土樣取自HP15古滑坡上部大傾角位置的Q₂黃土，天然含水率為19.8%，圓柱形試樣尺寸

為φ61.8 mm×20 mm，根據現場土體實際受載情況，分別在100，200，300，400 kPa正應力下對天然含水率試樣不排水蠕變試驗，采用分級加載方法，固結應力和時間根據單軸蠕變試驗所得數據而定，固結穩定后施加剪應力，待變形穩定后再施加下一級剪應力，直至試樣加速蠕變破壞，試樣剪切變形穩定的標準為24 h變形量小于0.05 mm。結果采用陳氏數據處理法進行處理^[25]。

2.1 應變-時間特性

將每級應力增量引起的變形與上一級應力作用下的變形進行疊加，可得到各級應力作用下的剪切蠕變曲線（圖3）。當剪應力較小時，試樣表現出減速蠕變特性，隨著剪應力增大，蠕變由衰減蠕變進入等速蠕變狀態，剪應力越大，試樣衰減蠕變的持續時間越長，進入穩態蠕變階段的時間略有延后，而等速蠕變的速率也隨之增大。

2.2 等時應力-應變規律

提取同一時刻各級應力狀態下蠕變曲線上的應變值，得到不同應力狀態的應力-應變等時曲線（圖4）。蠕變前期各級應力狀態下的等時應力-應變呈線性規律，試樣變形主要為彈性變形。隨著時間的發展，等時應力-應變曲線斜率不斷增大，抗剪強度逐漸下降，蠕變效應明顯，土體非線性變形所占比例上升，試樣開始表現出粘塑性變形。蠕變前期試樣等時應力應變曲線均出現重合的現象，后期逐漸發散，表明試樣的蠕變速率先減小后增大。

2.3 長期強度

根據蠕變試驗結果，得到試驗土樣在各級應力作用下的長期抗剪強度變化情況（表1，圖5），可知在剪應力的長期作用下，土樣的黏聚力下降了16%，內摩擦角下降32%，土樣長期強度衰減較為明顯。

3 黃土古滑坡長期穩定性數值模擬

3.1 蠕變本構模型

Burgers模型是由Maxwell體和Kelvin體串聯得到的元件模型（圖6），對于瞬時彈性變形、衰減蠕變變形和穩定蠕變變形的描述具有優勢。

根據所取土樣受載等實際情況，選用300 kPa固結應力下試驗結果與本構模型進行擬合，得到本構模型參數值（表2）。

復合粘彈塑性模型（Cvisc）是在Mohr-Coulomb模型基礎上嵌入Burgers模型，以Mohr-Coulomb模型為屈服準則，能夠較好的呈現出土體的彈性、塑性和粘性特性。采用有限差分法軟件FLAC^3D中內置復合粘彈塑性模型（Cvisc）進行蠕變數值模擬分析，對蠕變模型參數（表3）、巖土體物理力學參數（表4）統一取值。

3.2 三維數值模型

根據HP15古滑坡地質調查資料，利用FLAC^3D軟件中的Extrusion建立三維地質模型（圖7），其中1-1′剖面位于古滑坡主滑方向，2-2′剖面中下部位于古滑坡體上。對模型的左右2個邊界施加x向的位移邊界條件，前后2個面施加y方向的邊界條件，底部施加z方向的邊界條件，頂部自由邊界。

3.3 數值模擬計算結果分析

3.3.1 蠕變效應下古滑坡塑性區分布特征

古滑坡蠕變2 a時坡頂及坡頂斜面位置已發生了剪切及拉伸破壞，隨著時間的累積，各個位置的塑性破壞區均有擴散趨勢，到第10 a頂部土層全部處于拉伸破壞，蠕變到30 a時，塑性區基本貫通，坡體中部位置出現大面積破壞，為拉伸和剪切共同作用（圖8）。

3.3.2 蠕變效應下古滑坡位移場

1-1′剖面模型蠕變2 a時位移量約為0.07 m，主要集中在坡頂，這說明位移主要為坡肩的滑動，蠕變10 a位移量約為0.23 m，30 a位移量達到1.26 m，第100 a，坡體的位移量約為1.98 m，表明坡體在10 a至100 a出現了加速蠕變過程（圖9（a））。2-2′剖面模型蠕變2 a時位移量為0.03 m，10 a時位移量為0.06 m，第30 a時位移為0.26 m，古滑坡坡體在第10 a至第30 a發生了加速蠕變的過程（圖9（b））。

3.4 古滑坡削方卸載后數值模擬計算結果

3.4.1 蠕變效應下古滑坡塑性區分布特征

古滑坡1-1′剖面蠕變2 a時，坡體頂部、中下部出現局部塑性破壞區，主要為剪切破壞；蠕變至10 a，坡體塑性區發展基本穩定（圖10（a））。古滑坡2-2′剖面模型治理完成后在地形起伏較大處存在塑性區，蠕變2 a時坡體未出現塑性區，到第10 a時坡體下部斜面上出現新的塑性區，并隨著蠕變時間的累積而擴大，大約30 a之后，塑性區沒有明顯繼續擴大甚至貫通的現象（圖10（b））。

3.4.2 蠕變效應下古滑坡位移場

削方卸載后古滑坡1-1′剖面模型蠕變2 a時位移量為0.05 m，10 a位移量為0.1 m，30 a位移量為0.42 m，100 a蠕變位移量為0.65 m，蠕變位移最大處從坡頂的削方卸載平臺上方逐漸向下方轉移，開挖后的位移量相對于開挖前有較大幅度的減小（圖11（a））。削方卸載后2-2′剖面模型的蠕變位移量也有一定程度減小，蠕變2 a時位移量僅為0.03 m，蠕變10 a位移量為0.06 m，蠕變30 a時位移為0.26 m，蠕變至100 a的位移僅為0.39 m。治理后2-2′剖面模型坡體的位移主要集中于上部，下部位移總體穩定，雖然治理后的2-2′剖面模型坡體位移總體上變化并不大，但其下部屬于古滑坡主滑方向處的蠕變位移量大幅度減小，故開挖后古滑坡未發生失穩破壞（圖11（b））。

削方卸載后古滑坡2個剖面模型的模擬表明，削方卸載為HP15大型黃土古滑坡長期穩定起到較好的作用。

4 數值模擬對比

4.1 古滑坡處治

削方卸載采用多層橫向全寬挖法，由上而下分層進行，其中11#墩至13#墩邊坡開挖坡率為1∶1，10#墩至11#墩坡率1∶1.5，坡高均為8 m，平臺寬均為3 m。10#墩至11#墩下靠左側臺地位置，采用回填反壓土方的形式消化部分卸載的土方，反壓區填筑采用橫向分段、水平分層填筑的方法，回填土坡率1∶1.5，坡高8 m，平臺寬3 m。在古滑坡前緣臨支黨河處設置C15片石混凝土擋墻抗滑擋墻支擋剩余下滑力，同時在臨河岸坡設置浸水擋墻用于河道疏浚及水流沖刷。各級坡面坡腳處均采用實體護面墻防護，各平臺設置平臺截水溝，疏排邊坡匯水及地表降水（圖12）。

4.2 結果對比

采用GNSS大地測量法對古滑坡地表平面位移及垂直位移進行監測，設置3個表面監測站；采用GN-1B型固定式鉆孔內部測斜儀對古滑坡坡體內部結構擾動變形進行實時、連續監測，設置5個深部位移監測點，埋深依次為7，14，24，34和44 m。連續對治理完成后的HP15大型黃土古滑坡坡體開展長達30個月的表面及深部位移監測，將蠕變位移速率現場實測數據與數值模擬結果進行對比分析。

古滑坡坡體的表面蠕變位移速率的現場實測數據較為離散，但總體上以數值模擬的蠕變位移速率為中心上下波動，且累計位移量較小，未超出界限值（圖13（a））；古滑坡的深部位移監測點位移速率總體上呈現穩定的狀態，沒有連續加速的情況發生，且各監測點位移規律基本相同（圖13（b）），表明坡體的位移基本處于勻速狀態，古滑坡較為穩定。

5 結 論

1）原狀黃土試樣在各級應力作用下，黏聚力及內摩擦角均出現不同程度下降，長期強度衰減較為明顯，對位于古滑坡體上壽命期較長的重大基礎設施，應考慮坡體的蠕變效應。

2）古滑坡發生蠕變失穩，說明對黃土古滑坡開展考慮蠕變效應的長期穩定性研究非常必要。

3）從長期來看古滑坡整體較為穩定，削方卸載可有效防治黃土古滑坡發生蠕變失穩破壞。

4）研究方法可用于黃土地層古滑坡長期穩定性分析，可為以后黃土古滑坡蠕變規律研究提供一定基礎數據。

參考文獻（References）：

[1] HE M C，SOUSA L R，MLLER A，et al.Numerical and safety considerations about the Daguangbao landslide induced by the 2008 Wenchuan earthquake[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2019，11（5）：1019-1035.

[2]王念秦，張寧，段釗.涇陽南塬黃土滑坡沖擊階地易侵蝕層過程模擬[J].西安科技大學學報，2020，40（2）：244-252.

WANG Nianqin，ZHANG Ning，DUAN Zhao.Impacting pocess simulation of loess landslides on the easily-eroded terrace layers at south Jingyang plateau[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2020，40（2）：244-252.

[3]葉萬軍，張宇鵬.長期降雨作用下黃土邊坡失穩模型試驗[J].中國科技論文，2021，16（6）：603-609.

YE Wanjun ZHANG Yupeng.Model test study on instability of loess slopes under long-term rainfall[J].China Science Paper，2021，16（6）：603-609.

[4]MELANIE J，DAVID N.Global fatal landslide occurrence from 2004 to 2016[J].Natural Hazards and Earth System Sciences，2018，18（8）：2161-2181.

[5]杜巖，陸永都，謝謨文，等.考慮初始條件變異的蠕滑型滑坡穩定性評價研究[J].巖石力學與工程學報，2020，39（S1）：2828-2836.

DU Yan，LU Yongdu，XIE Mowen，et al.Stability evaluation of creeping landslide considering variation of initial conditions[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2020，39（S1）：2828-2836.

[6]馬力，張建國，肖雙雙，等.含水弱膠結外排土場邊坡穩定性研究[J].西安科技大學學報，2018，38（6）：931-936.MA Li，ZHANG Jianguo，XIAO Shuangshuang，et al.Slope stability for external-dump of weak cementation characteristic containing moisture[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2018，38（6）：931-936.

[7]張永雙，吳瑞安，郭長寶，等.古滑坡復活問題研究進展與展望[J].地球科學進展，2018，33（7）：728-740.ZHANG Yongshuang，WU Ruian，GUO Changbao，et al.Research progress and prospect on reactivation of ancient landslides[J].Advances in Earth Science，2018，33（7）：728-740.

[8]郭長寶，閆怡秋，張永雙，等.青藏高原大型深層蠕滑型滑坡變形機制研究進展與展望[J].地球科學，2022，47（10）：3677-3700.GUO Changbao，YAN Yiqiu，ZHANG Yongshuang，et al.Research progress and prospect of failure mechanism of large deep-seated creeping landslides in Tibetan plateau，China[J].Earth Science，2022，47（10）：3677-3700.

[9]GUO C B，ZHANG Y S，LI X，et al.Reactivation of giant

Jiangdingya ancient landslide in Zhouqu County，Gansu Province，China[J].Landslides，2019，17（1）：179-190.

[10]楊昭穎，韓靈怡，鄭向向，等.基于卷積神經網絡的遙感影像及DEM滑坡識別——以黃土滑坡為例[J].自然資源遙感，2022，34（2）：224-230.YANG Zhaoying，HAN Lingyi，ZHENG Xiangxiang，et al.Landslide identification using remote sensing images and DEM based on convolutional neural network：A case study of loess landslide[J].Remote Sensing for Natural Resources，2022，34（2）：224-230.

[11]孫萍萍，張茂省，賈俊，等.中國西部黃土區地質災害調查研究進展[J].西北地質，2022，55（3）：96-107.SUN Pingping，ZHANG Maosheng，JIA Jun，et al.Geo-hazards research and investigation in the loess regions of western China[J].Northwestern Geology，2022，55（3）：96-107.

[12]薛強，張茂省.延安淹土安滑坡監測預警及變形特征[J].西北地質，2018，51（2）：220-226.XUE Qiang，ZHANG Maosheng.Monitoring，early warning and deformation characteristics of Yantu’an landslide in Yan’an[J].Northwestern Geology，2018，51（2）：220-226.

[13]汪美華，趙慧，倪天翔，等.基于不連續布局優化法的那勒寺古滑坡穩定性分析[J].西北地質，2020，53（1）：234-242.WANG Meihua，ZHAO Hui，NI Tianxiang，et al.Stability analysis of the Nalesi ancient landslide based on the discontinuous layout optimization[J].Northwestern Geology，2020，53（1）：234-242.

[14]陳亞光.寶蘭客專天水市王家墩滑坡地震穩定性分析[J].地震工程學報，2019，41（6）：1607-1614.CHEN Yaguang.Stability analysis of Wangjiadun landslide in Tianshui city under earthquake load[J].China Earthquake Engineering Journal，2019，41（6）：1607-1614.

[15]鄧小龍，何乃武，李麗慧，等.天水750 kV變電站黃土滑坡成因分析及地質選線[J].災害學，2018，33（S1）：110-114.DENG Xiaolong，HE Naiwu，LI Lihui，et al.Cause analysis of loess landslide in Tianshui 750 kV substation and geological route selection[J].Journal of Catastrophology，2018，33（S1）：110-114.

[16]WANG S，WU W，WANG J G，et al.Residual-state creep of clastic soil in a reactivated slow-moving landslide in the Three Gorges Reservoir Region，China[J].Landslides，2018，15（12）：2413-2422.

[17]孫淼軍，唐輝明，王瀟弘，等.蠕動型滑坡滑帶土蠕變特性研究[J].巖土力學，2017，38（2）：385-391，399.SUN Miaojun，TANG Huiming，WANG Xiaohong，et al.Creep properties of sliding-zone soil from a creeping landslide[J].Rock and Soil Mechanics，2017，38（2）：385-391，399.

[18]LI C，TANG H M，HAN Dawei，et al.Exploration of the creep properties of undisturbed shear zone soil of the Huangtupo landslide[J].Bullentin of Engineering Geology and the Environment，2019，78（2）：1237-1248.

[19]李昂，陳建博，孫興華，等.原狀黃土一維蠕變試驗及蠕變模型[J].科學技術與工程，2021，21（21）：8789-8796.LI Ang，CHEN Jianbo，SUN Xinghua，et al.One dimensional creep test and creep model of undisturbed loess[J].Science Technology and Enggineering，2021，21（21）：8789-8796.

[20]陳瓊，崔德山，王菁莪，等.不同固結狀態下黃土坡滑坡滑帶土的蠕變試驗研究[J].巖土力學，2020，41（5）：1635-1642.CHEN Qiong，CUI Deshan，WANG Jinge，et al.An experimental study of creep characteristics of sliding zone soil of Huangtupo[J].Rock and Soil Mechanics，2020，41（5）：1635-1642.

[21]周靜靜，趙法鎖，祝艷波，等.低速緩動滑坡滑帶土剪切蠕變特性[J].中國地質災害與防治學報，2020，31（1）：107-112，126.ZHOU Jingjing，ZHAO Fasuo，ZHU Yanbo，et al.Shear creep properties for sliding-zone soil of the slow-moving landslides[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2020，31（1）：107-112，126.

[22]王新剛，劉凱，王友林，等.典型黃土滑坡滑帶土不同含水率下蠕變特性試驗研究[J].水文地質工程地質，2022，49（5）：137-143.WANG Xingang，LIU Kai WANG Youlin，et al.An experimental study of the creep characteristics of loess landslide sliding zone soil with different water content[J].Hydrogeology amp; Engineering Geology，2022，49（5）：137-143.

[23]龍建輝，郭文斌，李萍，等.黃土滑坡滑帶土的蠕變特性[J].巖土工程學報，2010，32（7）：1023-1028.LONG Jianhui，GUO Wenbin，LI Ping，et al.Creep property of soil in sliding zone of loess landslide[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32（7）：1023-1028.

[24]鄭佳，莊建琦，孔嘉旭，等.基于環剪試驗的黃土滑坡失穩機理研究[J].干旱區資源與環境，2022，36（3）：151-156.ZHENG Jia，ZHUANG Jianqi，KONG Jiaxu，et al.Study on instability mechanism of loess landslide based on ring shear test[J].Journal of Arid Land Resources and Environment，2022，36（3）：151-156.

[25]趙龍，甘海嘯，唐維，等.陳氏法在TATB基PBX蠕變特性研究中的適用性分析[J].含能材料，2018，26（7）：608-613.ZHAO Long，GAN Haixiao，TANG Wei，et al.Applicability analysis of Chen’s method in the research of TATB-based PBX creep behavior[J].Chinese Journal of Energetic Materials，2018，26（7）：608-613.

（責任編輯：李克永）