红砂岩剪切蠕变特性试验研究与边坡失稳机理分析

赵洪宝 王中伟 李华华

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)

多数边坡体内的潜在滑移带附近的岩体可以认为处于剪切蠕变状态［1-3］。潜在滑移带上覆岩体的自重则是该区域岩体发生剪切蠕变的载荷，而边坡体内潜在滑移带是否能够向实际滑移面演化则取决于该剪切蠕变载荷大小、作用时间和外界条件的变化［4］;如外界条件基本保持恒定，潜在滑移面的运动则取决于剪切蠕变载荷的大小与作用时间2 个因素。因此，分析和研究边坡体内潜在滑移面的演化规律，就可以简化为不同载荷作用下岩体的剪切蠕变力学模型，此时岩体是否会发生剪切蠕变破坏就可以成为判断边坡体是否会发生失稳的依据，而岩体剪切蠕变失稳点可认为是潜在滑移面发生实际滑动的启动点，岩体发生剪切蠕变破坏所需载荷条件、作用时间条件也就是边坡体发生失稳的条件，岩体在剪切蠕变作用下的破坏机理则可认为是边坡体发生渐进式失稳的力学机理。因此，研究岩体在不同载荷作用下的剪切蠕变力学特性与失稳破坏演化规律，对于掌握边坡体内潜在滑移面的时空演化规律和判断边坡是否会发生失稳滑移将具有重要意义。

在边坡失稳滑移机理与安全防护方面，国内外学者进行了广泛而系统的研究，研究成果也非常丰富。黄润秋等［5］进行了岩石高滑坡发育的动力过程及其稳定性控制方面的研究，建立了卸荷条件下岩石高滑坡发育的动力过程及三阶段演化模式，提出了其时间和空间演化的基本序列以及不同演化阶段岩石滑坡变形破坏的发育特征及稳定意义。戴自航等［6］进行了滑坡失稳机理的力学解释，指出了摩尔－库伦剪切屈服准则在滑坡稳定分析中存在的不足，并采用摩尔－库伦屈服准则和张拉－剪切复合屈服准则对滑坡内部最危险滑动面的形成机理进行了解释。郑颖人等［7］进行了地震滑坡破坏机制及其破裂面的分析探讨，地震滑坡的破坏由滑坡潜在破裂区上部拉破坏与下部剪切破坏共同组成，并给出了地震滑坡破坏面位置的确定方法。余飞等［8］进行了顺层岩质滑坡渐进破坏及失稳机理的数值模拟研究，利用数值模拟方法得到了滑坡滑移临滑状态下的位移场、应力应变场、结构面上的解除状态、层间滑移距离以及接触摩擦力的分布规律，其破坏为最初的层间错动、发展为顺层蠕滑、最后在坡底剪出而破坏。程强等［9］进行了典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究，认为红层软岩软弱夹层具有明显的蠕变特性，在滑坡剪切强度参数选取中应考虑软弱夹层蠕变的影响，并建议软弱夹层长期剪切强度可取短期剪切强度的75%。张清照等［10］进行了结构面的剪切蠕变特性研究，根据实验结果提出了结构面剪切蠕变经验公式，并讨论了Burgers 模型对于描述结构面剪切蠕变特性的参数特征等等［11］。因此，本研究将以不同载荷作用下边坡体潜在滑移带内岩体的剪切蠕变力学模型来研究边坡的失稳滑移机理，对不同载荷作用下红砂岩剪切蠕变力学特性与失稳破坏演化规律进行系统的研究，并试图解释一些边坡发生时的现象及其机理。

1 研究方案

1.1 试验原理与设备

为更好地模拟边坡体潜在滑移带内岩体的受力状态，试验时采用的剪切蠕变试验原理为限制性剪切蠕变模型，试验原理如图1 所示。

本研究进行的试验研究中采用的主要仪器设备为自行研制开发的“一种软弱煤岩材料剪切蠕变实验装置(已获实用新型专利)”，该设备可提供的最大剪应力为60 MPa，精度为±0.1 MPa;该设备可以完成软弱煤岩材料的剪切试验研究、蠕变试验研究和剪切蠕变试验研究;设备配备有可放大1 000 倍显微镜，并可通过编制的数据采集处理软件“煤岩细观力学特性测控软件(已获软件著作权)”观测岩体内裂纹的动态演化规律，如图2 所示。

图2 煤岩细观力学特性测控软件界面Fig.2 Monitor software of coal or rock micromechanics properties

1.2 试验方案

根据ISRM 的规定，选取具有代表性的红砂岩为研究对象，并加工成为标准方形试样进行试验研究。实验前，首先对试样进行超声波检测和孔隙率测试，目的是通过检测剔除超声波波速和孔隙率异常试样，以保证试验研究所得结果具有较强的可比性。

在各级剪切蠕变载荷确定前，首先进行同一条件下红砂岩的限制性剪切力学特性试验，获得如图3 所示典型的剪切应力－应变特性曲线，然后再参照岩石全应力－应变特性曲线预测蠕变破坏规律的原理，确定4 个具有代表性的剪切蠕变试验载荷水平，然后开展试验研究。确定的剪切蠕变试验载荷水平分别为17.23、22.97、28.71、34.46 MPa，分别为所用红砂岩试样剪切强度的43%、57%、72%、86%，如图3 所示。

图3 典型的红砂岩剪切特性试验曲线Fig.3 Typical shear test characteristic curve of red sandstone

2 试验研究与分析

根据设计的实验方案开展试验研究，并将连续36 h 内岩样不再产生剪切蠕变应变视为该载荷作用下红砂岩剪切蠕变试验的结束点，然后提高载荷到下一水平并继续利用该试样进行试验研究。根据对各试验结果的整理、分析，得到了典型的不同大小的载荷作用下红砂岩试样剪切蠕变力学特性试验曲线，如图4 所示。

分析所得试验曲线可知:

(1)在各级蠕变载荷施加后，红砂岩试样均会有初始应变产生，但随着各级蠕变载荷的逐渐施加，产生的初始应变呈先减小后增大趋势(4 级试验产生的初始应变依次为:(40 ～45)×10－4、(3 ～5)×10－4、(5 ～10)×10－4、(5 ～10)×10－4，且以第二级载荷施加时产生的初始变形值最小，呈明显非线性特点。这是因为在逐渐提升载荷大小过程中，试样要经历一个限制性剪切试验过程，此过程中将产生明显的剪切变形;且所受的载荷大小不同时，试样内部结构发生的变化也不同，试样将经历压密、新微结构产生这一复杂过程;但由于剪切蠕变试验的不断进行，试样所处的状态不断调整，如再受到相同的额外载荷作用时，其产生的剪切变形也将发生变化，故呈先减小后增大趋势;而第二载荷水平作用下产生的初始剪切蠕变值较小，则是由第二载荷水平值的选取决定，而从限制性剪切试验特性曲线可知，第二级载荷大小正处于试样压密阶段结束位置。

(2)在各级蠕变载荷施加后，产生初始应变的速率随着各级载荷施加呈现出先减小后增加的规律，但以第二级载荷施加时产生的初始变形速率最小，如图5 所示。这是因为对于相同条件下的同一岩样，在受到相同增量载荷作用时产生的变形速率大小将取决于试样内孔隙、裂隙数量和这些微结构的尺度，而随着剪切蠕变试验的不断进行，试样的孔隙率和其内微结构的尺度也将经历一个先大后小再大的过程，而各级载荷水平的选取又处于试样不同的状态点，故导致初始应变的产生呈现如此规律。

图4 典型的不同大小载荷作用下红砂岩剪切蠕变特性试验曲线Fig.4 Typical shear creep test characteristic curve of red sandstone under different load

图5 不同阶段的红砂岩剪切蠕变曲线Fig.5 Shear creep test characteristic curve of red sandstone in different creep step

(3)在各级蠕变载荷施加后，试样产生明显的剪切蠕变变形所持续的时间和产生的剪切蠕变变形量均呈增加趋势。第一级载荷施加后基本在5 min 内完成明显剪切蠕变、产生的剪切蠕变变形量约为10×10－4;第二级载荷施加后基本在10 min 内完成明显剪切蠕变、产生的剪切蠕变变形量约为(10 ～15)×10－4;第三级载荷施加后基本在20 ～30 min 内完成明显剪切蠕变、产生的剪切蠕变变形量约为(20 ～30)×10－4;第四级载荷施加后试样一直有明显剪切蠕变产生，直至试样破坏瞬间。这是因为在剪切蠕变载荷较小时，其对试样内部结构产生的影响也较小，即使作用时间较长，载荷也仅能影响试样内部一些尺度较大的孔隙裂隙结构并导致其缓慢变形而产生剪切蠕变变形;而随着剪切蠕变试验的持续进行和载荷水平的不断提高，试样内部将产生新的孔隙、裂隙结构，这将增加剪切蠕变载荷对试样内部结构演化的影响，并在此载荷水平作用期间内产生更大的剪切蠕变变形，直至最后发生失稳破坏。

(4)开展系统的试验研究后发现，红砂岩试样在各级剪切蠕变载荷作用下，进入稳定蠕变阶段的蠕变应变和累计蠕变应变分别由50 ×10－4增加到110 ×10－4、由60 ×10－4增加到180 ×10－4，2 个特殊点处剪切蠕变表现出的规律呈二次曲线特征，如图6 所示。这说明红砂岩试样在经历了不同大小剪切蠕变载荷的长期作用后，其内部发生的变化相对缓和，试样发生明显的破坏失稳前其内部结构尚没有出现较大的突发式调整。

(5)进行系统试验研究后发现，存在2 个特殊的临界剪切蠕变载荷值τ1、τ2，把红砂岩剪切蠕变分为3 个类型:肯定不破坏、不一定破坏和肯定破坏，且文中涉及的试验中τ1、τ2应满足以下条件:22.97 MPa＜τ1≤28.71 MPa、τ2＞28.71 MPa。当试样受到的剪切蠕变载荷小于τ1时，即使作用时间很长试样也不会发生失稳破坏;而试样受到的剪切蠕变载荷大于τ2时，岩石试样一定能够在剪切蠕变载荷作用下发生失稳破坏;当剪切蠕变载荷值介于二者之间时，试样将可能在剪切蠕变载荷的长期作用下发生失稳破坏，发生破坏所需要的时间将取决于载荷大小、外界条件和试样所受的应力过程。

图6 各阶段特殊点剪切蠕变应变值Fig.6 Value of shear creep of special points in different creep step

(6)在各级剪切蠕变载荷作用下，红砂岩试样内部及表面均会产生新的微结构，明显的裂纹多产生于试样剪切应力作用线附近，裂纹尺度的发育程度将由剪切蠕变载荷的大小决定。这可能是因为虽然所采用的红砂岩试样的孔隙率为5%左右，但试样在剪切蠕变载荷作用下可发生的弹性剪切变形较小，在不大的载荷作用下，特别是剪切蠕变载荷作用下，弹性剪切变形在第一阶段剪切蠕变过程中就已经充分完成，并发生了部分塑性变形，导致有细微的裂纹出现。试样在剪切蠕变载荷作用下，通过1 000 倍显微镜观测时试样内微裂纹发展情况如图7 所示。

(7)在剪切蠕变载荷作用下，红砂岩试样的破坏类型表现为渐进式与突发式的结合。在剪切蠕变载荷作用前期，红砂岩试样内部不断变化，表现为试样的变形和试样表面微裂纹的出现;随着载荷的增大和作用时间的延长，新的微裂纹开始发育、发展，带动裂纹周边也出现明显的次生裂纹并进一步贯通，最终形成主破裂面，导致试样发生突发式失稳破坏并发出较大的断裂声响。红砂岩破坏类型如图8 所示。

(8)在剪切蠕变载荷作用下，红砂岩试样发生剪切破坏时的破裂面并非平直剪切面，而多数呈有弯曲波浪形曲面形式，如图8 所示。这一曲面形式恰与边坡发生滑移失稳时的滑移面形式基本一致。

图7 剪切蠕变试样裂纹演化过程(1 000 倍)Fig.7 Evolution of Crack in process of shear creep red sandstone(1 ×103)

图8 红砂岩剪切蠕变破坏形式Fig.8 Shear creep fracture models of red sandstone

3 对边坡失稳现象的解释

系统的试验研究所得主要结论是否可以用来解释边坡体失稳破坏前主要现象和失稳破坏的诱因与机理，将决定红砂岩剪切蠕变力学模型是否可以恰当的表征边坡失稳这一科学问题。故尝试着用试验研究所得结论解释一些边坡发生失稳时的现象，并归纳诱发边坡失稳的机理。

(1)一些边坡发生的失稳主要受控于时间因素。剪切蠕变作用下的红砂岩，其产生的剪切蠕变变形主要由初始剪切应变和剪切蠕变应变组成，恒定应力条件对外界的影响是由作用时间导致的，试样是否会发生破坏，将取决于试样在各级剪切蠕变载荷作用下发生的内部结构变化的积累量;随着受到的剪切蠕变载荷与τ1、τ2大小关系的不同，作用时间对试样破坏的控制作用也不同。这正可以解释部分边坡发生失稳受控于时间因素这一点，即外界条件基本恒定条件下，时间因素将成为导致边坡发生失稳的主控因素。

(2)边坡体产生一定变形后仍可稳定运行。尽管在不同大小的载荷下红砂岩试样均产生了明显的剪切蠕变变形，但只要此载荷水平小于某一值，尽管作用时间延长试样仍能保持稳定并不断发生剪切蠕变变形，只要满足外界条件不变且受到的剪切蠕变载荷小于τ2。这可以很好地解释有些边坡体滑移变形达到一定程度后，只要外界条件不发生变化，其仍能保持安全稳定运行这一现象。

(3)稳定边坡体的运动过程基本分为2 个阶段，快速变形阶段和趋于稳定阶段，仅在边坡失稳发生瞬间存在急剧滑移阶段。在剪切蠕变载荷水平作用下，红砂岩试样均经历了快速剪切蠕变和稳定剪切蠕变2 个阶段;而当载荷水平大于τ2时，红砂岩试样可能继续变形直至发生失稳破坏。这可以用来解释人工边坡形成后先是快速变形、而后趋于稳定的现象;若所受载荷水平大于τ2或者外界条件发生了变化，边坡则将发生失稳。

(4)外界条件变化后稳定的边坡体将继续发生运动，甚至失稳。尽管在不同载荷作用下，红砂岩试样产生了明显的剪切蠕变变形，但只要此载荷值小于τ1，剪切蠕变变形达到一定值后就不会继续发展;如再提高剪切蠕变载荷水平，又将重复产生上述过程，直至载荷值大于τ2。这可以很好地解释边坡(特别是人工开挖形成的边坡)发生一定数量变形后又趋于稳定的现象，而外界条件如在此时发生变化，则边坡体可能继续产生变形，而其是否发生失稳则取决于外界条件变化的程度。

(5)边坡发生滑移时滑移带附近具有丰富结构，且这些结构是在一个缓慢过程中积累形成的。红砂岩受到剪切蠕变载荷作用时，试样在剪切应力作用线附近将产生明显的微结构发育区域，包括主裂纹和次生微裂纹，且随着试验的进行最终形成宏观主裂纹，从而导致试样失稳破坏，如图7 所示。这正可以解释边坡滑移时滑移带内形成的丰富结构和主滑移面的形成原因。

(6)边坡失稳滑移多为剪切滑移，滑移面的剪切痕迹明显，滑移面多为非平直剪切面。试验研究中，红砂岩试样受到剪切蠕变载荷作用，逐渐产生剪切蠕变变形，当此变形积累到一定数量后，试样内部将形成一个以次生细微裂纹为主的剪切带，如图7(b)所示。该剪切带在上覆剪切蠕变载荷的继续作用下将不断发展，直至形成试样的主控剪切破裂面，并导致试样的剪切失稳破坏，如图7、图8 所示。这一过程与边坡内形成滑移面的过程非常相似，且形式均为非平直剪切面。

(7)边坡稳定性的演化过程。在较小的剪切蠕变载荷作用下，尽管作用时间较长，红砂岩试样仅产生较大剪切蠕变变形，但不发生失稳破坏，即满足剪切蠕变载荷值小于τ1;而继续增加剪切蠕变载荷时，试样将重复上述变形过程，直至受到的剪切蠕变载荷大于τ2时，试样发生剪切蠕变失稳破坏。不断增加的剪切蠕变载荷，可近似等效为边坡外界条件的变化，而这一改变则可能就是边坡发生失稳滑移的最直接诱因，而边坡潜在滑移带内岩石发生的剪切蠕变过程则是其孕育、发展的过程。

4 结 论

(1)不同载荷作用下红砂岩试样发生剪切蠕变时，剪切蠕变变形均包括初始剪切蠕变阶段、稳定剪切蠕变阶段，而加速剪切蠕变阶段是否存在决定于剪切蠕变载荷与特殊值τ2的关系;试样产生的累计剪切蠕变变形量随剪切蠕变载荷的增加呈增加趋势。

(2)不同载荷作用下的红砂岩试样剪切蠕变过程中，存在2 个特殊的临界剪切蠕变载荷值τ1、τ2，将红砂岩剪切蠕变类型分为3 种，即肯定不破坏、不一定破坏和肯定破坏。

(3)不同载荷作用下的红砂岩试样剪切蠕变过程中，随载荷的增加进入稳定剪切蠕变阶段和最大剪切蠕变变形2 个特殊点处产生的剪切蠕变变形呈逐渐增加趋势。

(4)不同载荷作用下红砂岩试样剪切蠕变过程中，红砂岩试样的破坏带形成过程表现为渐进式，破坏过程表现为渐进式与突发式结合，破裂面附近区域为裂纹结构丰富区，破裂面并非平直剪切面。

(5)岩石的剪切蠕变力学模型可以用来解释边坡发生失稳时的多种现象，边坡潜在滑移带内岩石发生的剪切蠕变则是边坡发生失稳的内在诱因。

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