层间错动带破坏模式及其剪切蠕变试验研究

施秀山 SHI Xiu-shan；杨海洋 YANG Hai-yang

（①红河州地方公路管理处，蒙自 651100；②红河红发交通投资有限公司，蒙自 651100）

0 引言

层间错动带是在多期构造作用下，岩体中的软弱结构因剪切错动形成的特殊薄层，其工程地质特征比上下岩层差，具有遇水易软化，强度低变形大等特点，常是控制滑坡、岩体失稳、地面塌陷等各类工程地质问题的重要因素[1-2]。层间错动带破坏是比较常见的，例如：由于层间错动带的液化作用，并在强震作用下，2008年汶川大地震导致大光包滑坡沿着错动带发生滑动[3]；白鹤滩水电站由于发育数条不同规模的层间错动带，严重影响着区域围岩的稳定性[4-5]。

针对层间错动带剪切蠕变特性的讨论，目前已有诸多研究成果，徐鼎平等[6]通过室内剪切蠕变试验，分析了层间错动带的剪切蠕变特性，讨论了试样的不均匀性及扰动、试样尺寸、黏粒含量、初始饱和度对抗剪强度的影响；陈兴周等[7]开展了分级荷载作用下的剪切蠕变力学试验，研究了错动带的长期强度参数和长期蠕变特性，提出了考虑加速蠕变过程中力学参数损伤演化的蠕变本构方程；韩钢等[8]以白鹤滩水电站的层间错动带为研究对象开展剪切蠕变试验，从层间错动的蠕变特性、蠕变速率及长期强度等角度进行了讨论，结果表明，研究区层间错动带具有明显蠕变特征。郝小红等[9]依托与金沙江某大型水电站工程，采用室内试验和现场变形试验研究了层间错动带的变形机制，得到了水文、带内物质及含量是影响层间错动带变形的主要因素。刘强等[10]基于FLAC3D软件模拟了层间错动带在不同位置出露时的稳定性，最后得到了当层间错动带位于拱线与拱顶之间时，其对围岩的稳定性影响最大。

关于层间错动带蠕变特性的探讨，既有报道的研究成果还相对较少。因此，本文以云南寻甸某边坡中存在的层间错动带为研究对象，开展了不同固结压力下的剪切蠕变试验，并分析了层间错动带在不同剪应力作用下蠕变特性。该研究成果可为含层间错动带岩体的边坡稳定性分析及日后工程防灾减灾事业提供具有科学价值的理论依据。

1 层间错动带破坏模式

层间错动带的破坏模式与其应力条件、岩体质量及临空面的组合形式相关，具体可将其划分为拉裂破坏、掉块以及层间剪切滑移破坏3类[11]。

1.1 拉裂破坏

如图1所示，层间错动带与临空面呈极大角度相交，且其倾角较小，在施工开挖过程中，外力破坏了原生岩体的应力场平衡状态，导致临空一侧岩体在没有约束力的作用下产生应力集中现象，出现局部的拉裂破坏。

图1 拉裂破坏

1.2 掉块破坏

如图2所示，层间错动带相交于上部岩体裂缝，将上部较差岩体切割成许多较小的岩块，在自身重力作用或施工扰动过程中，会沿临空一面发生滑落，导致局部岩体结构发生破坏，失去原有的稳定平衡状态。

图2 掉块破坏

1.3 剪切滑移破坏

如图3所示，层间错动带一般位于临空面的中上部，贯穿整个岩体结构，与临空面呈较大角度相交，形成一组不利的组合系统，在上部岩体自重以及外荷载作用下，常常沿着错动带发生滑移破坏，造成整个岩体结构发生失稳。

图3 层间剪切滑移破坏

2 蠕变试验

2.1 试验土样

本次试样土样取自云南寻甸某边坡工程，按照土工试验标准[12]，可得到土样的基本物理指标如表1所示。

表1 层间错动带基本物理指标

2.2 加载方式

目前，针对岩土体室内蠕变试验加载方式一般分为分别加载和分级加载两种[13]。所谓分别加载方式就是在试验设备、试验条件完全相同的条件下，对土体开展不同应力条件下的剪切蠕变试验，最终得到不同剪应力水平下的蠕变全过程曲线。而对于分级加载方式而言，其指的是在试验过程中采用在同一试样上逐级施加荷载，待上一级荷载作用后试样变形进入稳定状态后再施加下一级荷载，最终直至土样发生破坏。根据现有研究成果及室内条件，本文采用分级加载方式对层间错动带开展室内剪切试验。根据文献[14]，试样进入稳定状态的标准为以变形量不大于0.01mm/d。

2.3 试验方案

①对试样进行常规快剪试验，得到土样在不同固结压力下的抗剪强度及其指标，如表2所示。

表2 层间错动带抗剪强度及其指标

②基于公式τi=τf/n（其中n为加荷级数，通常为5~7，τf为各竖向正应力下的抗剪强度），确定土样的各级剪应力。本文以竖向正应力为200kPa为例，则试样的水平剪应力为8kPa，16kPa，24kPa，32kPa，40kPa。

3 试验结果

3.1 蠕变曲线

本文以竖向正应力为200kPa的试验结果为例，分析层间错动带的蠕变特性，其应变-时间曲线如图4所示。

由图4可以看出，层间错动带试样呈阶梯状上升形式，并在最后一级剪应力条件下发生破坏，曲线呈现急速上升的趋势。

图4 200kPa竖向正应力下的蠕变全过程曲线

图5为经过“陈式法”[15]处理后得到的200kPa下土体的分别加载曲线，由图可得到层间错动带试样表现出典型的蠕变特性。表现为：首先，在剪应力施加瞬间，施加荷载主要是由于土体内部颗粒骨架承受，从而导致土体颗粒发生弹性变形和颗粒间孔隙位置不断调整引起的塑形变形，该阶段称为瞬时弹塑性变形阶段；然后，随着剪应力的持续作用，试样内部土体的应力状态不断调整变化，颗粒可变形尺寸及颗粒间土体的空间大小逐渐减小，达到一个相对稳定的状态，该阶段称为衰减变形阶段；其次，当土体内部应力条件达到一个基本稳定状态时，土体宏观上变现出极小的变形量，此时的土体衰减速率趋向0，该阶段称为稳态变形阶段；最后，当剪应力达到土体的峰值强度时，土体发生破坏，蠕变曲线表现出突增现象，该阶段称为土体的加速变形阶段。

图5 200kPa竖向正应力条件下的分别加载蠕变曲线

3.2 剪切蠕变速率

研究表明，蠕变速率对边坡工程的长期稳定性具有显著作用。基于蠕变速率的数学定义，在不同竖向正应力条件下层间错动带的剪切蠕变速率如公式（1）所示。

根据式（1）得到错动带试样在200kPa下的剪切蠕变速率-时间曲线，如图6所示。由图可知，当施加的水平剪切荷载较小时，错动带试样的剪切蠕变速率逐渐衰减并最终趋向于0；当剪应力逐渐增大至破坏强度时，土体出现加速破坏现象，蠕变速率出现急剧上涨，其蠕变曲线呈“U”型状。

图6 200kPa固结压力下土样剪应变率-时间曲线

4 结论

层间错动带是一种结构疏松、性状较差的特殊软弱结构面，常影响着岩体边坡的稳定性。因此，本文在叙述层间错动带破坏模式的基础上，采用室内剪切蠕变试验，并得到以下结论：①从岩体控制理论的角度出发，层间错动带的破坏模式可分为拉裂破坏、掉块以及层间剪切滑移破坏3类。②层间错动带具有明显的蠕变特性，在荷载作用下，土体的蠕变曲线呈现出阶梯式上升趋势。在衰减蠕变阶段，在低应力水平条件下，随着时间的推移，蠕变速率逐渐减小并最终趋于某一稳定值，随后进入似稳态变形阶段；在高应力水平条件下，蠕变速率激增，土体发生破坏，呈现出加速破坏特征。③在剪切应力作用下，试样呈现出阶段式蠕变特征。在低应力作用下，试样经历了瞬时、衰减及稳态变形阶段，而当剪应力水平增大至峰值强度时，土体发生破坏线性，蠕变速率出现激增现象，呈“U”型状。④该试验可为存在层间错动带的边坡稳定性分析提供参考，对分析和解决相关地质问题、减少地质灾害的发生具有重要意义。