三峡库区黄土坡滑坡滑带土卸荷状态下的直剪蠕变特性研究

乔 卓，崔德山,陈 琼，魏亚军

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

蠕变是土体的流变特性之一，而滑带土的蠕变特性对滑坡的演化和长期稳定性有着重要的影响，众多学者基于滑带土的剪切蠕变特性来探讨滑坡演化发育的机理。随着我国基础建设的快速发展，由于土体流变性导致的地质灾害也逐渐增多，如滑坡、边坡失稳等，因此在工程建设后，保障其在使用过程中的安全性愈发重要。

近些年来，国内外学者对滑坡滑带土的蠕变特性和长期强度特性进行了大量的试验研究，尤其在滑带土的蠕变模型等方面取得了众多成果。如龙建辉等研究了不同含水率下黄土滑坡滑带土的蠕变特性，结果发现滑带土的屈服强度与含水率呈负相关关系，并讨论了滑带土的蠕变特性与边坡失稳预报模型间的联系；Qin等、Luo等研究了库水位变化条件下岩石的蠕变特性，并探讨了饱水-失水循环作用下岩石的细观损伤机理，对岩石损伤量进行了定量表述；蒋秀姿等对低速滑坡滑带土进行了峰前和残余状态下的直剪蠕变试验研究，结果发现导致不同状态下滑带土蠕变特性差异的根本原因是土体内部结构的差异；李晶晶等研究了南阳膨胀土在卸荷状态下的非线性蠕变特性，结果发现坡面的地层更容易发生蠕变破坏；陈琼等研究了不同应力下三峡库区黄土坡滑坡滑带土的应力松弛特征，结果发现滑带土的应力松弛曲线出现了应力软化的特征。滑坡的演化受到许多因素的共同影响，其中降雨、库水位涨落等外因的影响较大。目前，关于滑坡滑带土的直剪蠕变试验多集中在滑带土蠕变破坏研究方面，并未对滑带土的衰减蠕变阶段(即蠕变第一阶段)进行重点研究。已有研究表明，应力历史直接影响到土体内部颗粒的分布，导致其剪切过程中出现剪胀(缩)的现象。同时，不同固结状态下土体的力学特征有极大的差异。如陈琼等在单一加载、加载—卸载、加载—卸载—再加载路径下开展了黄土坡滑坡滑带土的蠕变特性研究，并分析对比了不同固结路径下滑带土的蠕变特性与孔隙度的关系；田洪铭等对ABAQUS中的软岩幂函数经验蠕变模型进行了修正，构建了花岗岩非线性蠕变损伤模型，并对红砂岩的蠕变特性试验结果进行了反演；胡训健等通过离散元方法构建了基于晶体粒径分布的非均质性蠕变颗粒模型，从微观角度揭示了晶体粒径的分布对花岗岩岩体蠕变特性的影响。

结合三峡库区黄土坡滑坡的实际情况，三峡库区的库水位常年在145～175 m之间调整，落差近30 m，即防洪限制水位以下的滑坡在原来稳态水压的基础上将承受 0～300 kPa幅度的周期性动态渗透压力，特别是在库水位上升过程中，库水位线以下的滑坡滑带土受到的有效应力减小，表现出卸荷状态。因此，开展卸荷状态下黄土坡滑坡滑带土的慢剪和直剪蠕变试验，通过分析滑带土的蠕变曲线来研究滑带土的蠕变特性，可为该滑坡演化和稳定性分析提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验土样

试验土样取自长江三峡库区黄土坡滑坡临江1号滑坡体3号支洞揭露的滑带土(见图1)，在对滑带土试样进行蠕变试验前，对滑带土的密度、含水量、矿物成分、颗粒级配等基本的物理性质参数进行了测试，其测试结果见表1。

图1 黄土坡滑坡临江1号滑坡体3号支洞位置平面图

表1 黄土坡滑坡滑带土的基本物理性质参数

在实验室对黄土坡滑坡滑带土试样烘干,过2 mm筛后对土样进行筛分试验，对粒径小于0.075 mm的土样颗粒进行比重计试验，根据粒径小于2 mm的土样颗粒分布情况，绘制黄土坡滑坡滑带土的颗粒级配曲线，见图2。

图2 黄土坡滑坡滑带土的颗粒级配曲线半对数坐标图

根据黄土坡滑坡滑带土的颗粒含量以及液、塑限,将其定名为黏土。将黄土坡滑坡滑带土通过X射线衍射试验后，分析其主要的矿物成分是方解石、伊利石、蒙脱石和石英，其占样品含量的90%，此外还含有少量长石和绿泥石等，见表2。

表2 黄土坡滑坡滑带土的主要矿物成分及其百分含量

1.2 试验仪器

本次黄土坡滑坡滑带土剪蠕变试验所用的仪器是中国地质大学(武汉)土质土力学实验室的DZR-8直剪蠕变仪，它由普通直剪仪改进而成，主要包括加压系统、剪切盒和量测系统，见图3。垂直加载由砝码控制，水平加载通过油压驱动活塞控制；剪切力、水平位移和竖向位移由计算机采集，时间间隔为10 s，精度为0.001 mm。试验目的是获得滑带土在不同固结状态下的蠕变特性。

图3 改进的DZR-8直剪蠕变仪

1.3 试验方法

本次试验将黄土坡滑坡滑带土原状样烘干、碾碎、过2 mm筛后，按照含水率配制滑带土试样，分层压入制样器配置重塑样。试样为直径61.8 mm、高20 mm的实心圆柱样，为了尽可能地避免试样中有多余的空气，将环刀样放入真空饱和缸中进行抽气饱和24 h。根据滑带土所处的位置不同，滑带土的埋深为5～50 m，为了研究不同埋深处滑带土受卸荷作用的影响，选取一组固结应力分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa和400 kPa。将滑带土试样放在剪切盒中进行幅度为300 kPa的加载—卸载固结；然后分别对滑带试样进行固结慢剪试验和直剪蠕变试验，其试验方案见表3。具体试验步骤如下：

表3 黄土坡滑坡滑带土固结慢剪和直剪蠕变试验方案

(1) 将饱和后的滑带土试样放在剪切盒中固结24 h，固结应力分别为350 kPa、400 kPa、500 kPa、700 kPa；然后将固结应力卸载300 kPa后重新固结，待沉降稳定后对滑带土试样开始慢剪试验，剪切速率为0.02 mm/min，得到滑带土的抗剪强度

τ

。(2) 将饱和后的滑带土试样加载—卸载稳定后，在剪切盒上和四周注上水，对滑带土试样进行直剪蠕变试验。采用分级加载的方式施加剪切应力

τ

=

τ

/n

,其中

n

取5～7(固结路径见表3),待滑带土试样蠕变24 h且判定蠕变位移稳定(d

ε

/d

t

≤0.000 5 h)后,可施加下一级剪切应力，直到施加至所需的剪切应力，滑带土蠕变时长总计7 d。试验完成后,卸掉加载装置,并对试验仪器进行清理,得到直剪蠕变试验后的滑带土试样，见图4。

图4 直剪蠕变试验后的滑带土试样

2 结果与分析

2.1 滑带土剪切位移与时间曲线分析

我国学者陈宗基总结的陈氏加载法的适用性较广，在岩土流变学中的应用也越来越广泛。本文在研究黄土坡滑坡滑带土的直剪蠕变特性时，运用陈氏加载法对试验数据进行处理，即将通过分级加载方式得到的滑带土蠕变试验结果转换成分级加载方式的蠕变曲线形式，从而得到不同固结路径下黄土坡滑坡滑带土的水平位移-时间曲线，见图5。其中，图5(c)中，在90 kPa的固结应力加载一段时间后，滑带土的剪切位移突然增大至破坏。

由图5可以看出：

(1) 在较低的剪切应力作用下(如固结应力从400 kPa卸荷至50 kPa，剪切应力为4～16 kPa)，滑带土的蠕变曲线均包括瞬时蠕变和衰减蠕变，主要表现为瞬时蠕变，衰减过程中，滑带土的应变速率一直减小至接近零；在剪切应力偏大时(剪切应力为20～28 kPa)，滑带土的蠕变曲线包括瞬时蠕变、衰减蠕变和稳态蠕变。

(2) 当固结应力不变时，滑带土蠕变的瞬时位移量与剪切应力呈正相关关系，且随着剪切应力的增大，滑带土蠕变的瞬时位移量逐渐增大，逐渐出现等速蠕变阶段；同时，滑带土的变形达到稳定时所需的时间也越来越长。如当固结应力从400 kPa卸荷至100 kPa，当剪切应力为14 kPa、21 kPa、28 kPa、35 kPa、42 kPa、49 kPa时，滑带土蠕变的瞬时位移量分别为0.005 mm、0.01 mm、0.012 mm、0.023 mm、0.04 mm和0.09 mm[见图5(b)]；滑带土的变形达到稳定时所需的时间分别为60 min、300 min、600 min、800 min、1 200 min和1 500 min。

图5 不同固结路径下黄土坡滑坡滑带土的水平位移-时间曲线

2.2 滑带土蠕变速率曲线分析

不同固结路径下黄土坡滑坡滑带土的剪切应变-应力比关系曲线，见图6。

图6 不同固结路径下黄土坡滑坡滑带土的剪切应变-应力比关系曲线

由图6可见：卸载相同的固结应力(300 kPa)后，随着固结应力的增大(即滑坡滑带土深度的增加)，滑带土的剪切应变达到某一值所需施加的剪切应力等级减小；当剪切应变达到0.6%时，固结应力为50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa的滑带土所需施加的剪切应力

τ

分别为1.2

τ

、1

.

2

τ

、

τ

、0

.

8

τ

。此外，滑带土的蠕变速率变化受固结应力历史的影响。由图6可见：固结应力为400 kPa的滑带土在剪切应力为0.6

τ

时蠕变速率瞬间增大；固结应力为200 kPa的滑带土在剪切应力为0.8

τ

时蠕变速率瞬间增大；固结应力为100 kPa的滑带土在剪切应力为1.2

τ

时蠕变速率瞬间增大。这一现象也可以从滑带土竖向位移的变化反映出来。不同固结路径下黄土坡滑坡滑带土的竖向位移-时间曲线，见图7。

图7 不同固结路径下黄土坡滑坡滑带土的竖向位移-时间曲线

由图7可见，当固结应力为50 kPa、100 kPa时，滑带土在蠕变过程中整体表现为剪缩现象，这是由于土体固结应力较小，土体较松散、孔隙率较大，所以滑带土在蠕变过程中优先调整孔隙，使较大的孔隙均匀化，由颗粒翻滚引起的剪胀成为次要因素，宏观上表现为剪切位移变化小、蠕变速率较慢；当固结应力为200 kPa、400 kPa时，由于土体固结应力较大，土体压缩较密实、孔隙率较小，所以滑带土在蠕变过程中主要受剪胀因素的影响，宏观上表现为剪切位移变化大、蠕变速率较快。

2.3 滑带土剪切应力-应变等时曲线分析

根据黄土坡滑坡滑带土的蠕变试验数据，绘制其相应的剪切应力-应变等时曲线，得到卸荷至不同固结应力下黄土坡滑坡滑带土的剪切应力-应变等时曲线，见图8。

由图8可以看出：

图8 卸荷至不同固结应力下黄土坡滑坡滑带土的剪切应力-应变等时曲线

(1) 在较低的剪切应力(如固结应力从350 kPa卸荷至50 kPa时，剪切应力为4～16 kPa)作用下，滑带土的剪切应力-应变等时曲线大致呈线性变化，且剪切应变变化较小，滑带土的蠕变主要表现为弹性应变；随着剪切应力的增大(剪切应力为20～28 kPa)，滑带土的剪切应力-应变等时曲线逐渐向应变轴偏移，说明滑带土的蠕变特性主要为黏塑性应变，而且蠕变时间越长，其等时曲线偏向应变轴的程度越大，滑带土的非线性蠕变特性表现得越显著。

(2) 卸载相同的固结应力后，随着固结应力的增加，土体的孔隙率减小，土体越来越密实，且在同一剪切应力作用下土体发生的蠕变位移随之减小，更多地表现为线性蠕变，说明滑带土的蠕变特性与土体孔隙率有关。

(3) 在不同固结应力历史作用下，滑带土的剪切应力-应变等时曲线大致表现为一束曲线簇，呈现归一化的趋势，说明三峡库区滑坡滑带土的蠕变特性大致相同，为更精确地构建该地区滑带土的蠕变经验模型提供了依据。

2.4 滑带土指数型经验蠕变模型

通过查阅文献，滑带土的经验蠕变模型拟合主要采用指数函数、对数函数和幂函数形式。通过对黄土坡滑坡滑带土蠕变的试验结果进行分析后发现，指数型经验蠕变模型能更好地拟合该滑坡滑带土的蠕变曲线。通过采用最小二乘法分析该地区滑带土的指数型经验蠕变模型，可得到：

(1)

式中:

x

(

t

)表示

t

时刻滑带土的剪切位移(mm);

x

表示滑带土指数瞬时弹性剪切位移(mm)；

a

表示时间的影响因素。

黄土坡滑坡滑带土指数型经验蠕变模型的拟合参数，见表4。

表4 黄土坡滑坡滑带土指数型经验蠕变模型的拟合参数

由表4可知，采用指数型经验蠕变模型对黄土坡滑坡滑带土的蠕变曲线进行拟合，结果表明相关系数

R

大多介于0.91～0.99之间，说明模型的拟合精度较高。

为了验证该模型，将指数型经验蠕变模型的拟合曲线与卸荷至不同固结应力下黄土坡滑坡滑带土的蠕变曲线进行了对比，其结果见图9。

由图9可见，指数型经验蠕变模型的拟合曲线与卸荷至不同固结应力下黄土坡滑坡滑带土的蠕变曲线重合度较高，表明该模型能够精确地描述黄土坡滑坡滑带土的直剪蠕变特征。

图9 卸荷至不同固结应力下黄土坡滑坡滑带土蠕变曲线与指数型经验蠕变模型拟合曲线的对比图

3 结 论

根据长江三峡库区库水位变化对滑坡受力的影响，特别是考虑了库水位上升时，水下滑带土的卸荷作用，本文将黄土坡滑坡滑带土中2 mm以下的颗粒进行制样，开展了黄土坡滑坡滑带土在卸荷状态下的慢剪和直剪蠕变试验研究，并结合相关文献得到以下结论：

(1) 黄土坡滑坡滑带土的蠕变特性较为明显，低剪切应力作用时，滑带土的蠕变曲线包括瞬时蠕变和衰减蠕变，主要表现为弹性蠕变；随着剪切应力的增大，滑带土的蠕变曲线呈现出衰减蠕变和稳态蠕变两个阶段，主要表现为黏塑性蠕变。

(2) 在固结应力不变时，随着剪切应力的增大，黄土坡滑坡滑带土蠕变的瞬时位移量越来越大，同时滑带土的变形达到稳定时所需的时间也越来越长，表明滑带土的蠕变现象加剧，其蠕变特性与蠕变时间、剪切应力相关。

(3) 黄土坡滑坡滑带土原状样由于空隙和裂纹而产生较大的蠕变位移，其剪切应变为3.5%，在竖向位移上表现为剪缩，而其重塑样的剪切应变大多在1%以内；两种试样都反映出蠕变速率随剪切应力的增大而增加。

(4) 在卸载300 kPa的固结应力后，黄土坡滑坡滑带土的蠕变速率随着剪切应力的增大而增加，在剪切应变为0.4%左右时滑带土的蠕变速率有了明显的增大，且随着固结应力的增加，滑带土在剪切应变达到0.6%时所需施加的剪切应力

τ

相应地减小。

(5) 黄土坡滑坡滑带土的剪切应力-应变等时曲线具有归一化的特性，采用指数型经验蠕变模型可以精确地拟合滑带土的蠕变曲线，可为三峡库区滑坡的稳定性分析提供依据。