青海某地区非饱和滑坡滑带土蠕变特性研究_何斌.pdf

第 卷 第期 ，年 月 ，：青海某地区非饱和滑坡滑带土蠕变特性研究何斌，谭维佳（青海省核工业地质局，青海 西宁 ；长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 ）摘要：对滑坡滑带土的分析研究是判断滑坡稳定性的重要基础，滑坡在其生命周期演化过程及稳定性主要受滑带土蠕变特性控制。为解决滑坡漫长生命周期内的滑带土长期强度问题，以青海省西宁市某土质滑坡为例，利用滑坡滑带土的三轴蠕变试验，研究滑带土在不同压力水平下的蠕变特性，并进一步求得滑坡滑带土的长期抗剪强度。研究表明：滑带土的长期强度与常规强度相比，其黏聚力和内摩擦角分别下降了 和 。蠕变研究成果能为滑坡生命周期内的稳定性和滑坡土体蠕变特性提供技术研究资料。关键词：非饱和滑坡；滑带土；三轴蠕变试验；蠕变特性；蠕变模型；长期强度中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言研究土质滑坡的稳定性其中关键之一就在于研究滑带土的力学特性。土质滑坡的滑动往往是由于降 雨 或 其 他 因 素 导 致 滑 坡 土 体 的 含 水 率 升 高 导致。前人大量成果证明，滑坡变形和破坏往往具明显的时间效应，滑坡在外界因素的触发下发生滑动，但是前期成因往往是滑坡体特别是滑动带土体的蠕变变形累进到一定程度。根据已有滑坡监测资料分析可知，多数滑坡均呈现处明显的蠕变特征，具有明显的位移时间序列特征。在滑坡形成演化过程中，滑带土的典型特征之一就是蠕变特性，在滑坡应力场中，滑带土的变形随着时间的变化累进性增加，当变形累进到一定程度后就会成为滑坡变形破坏的重要影响因素之一。综上所述，研究非饱和滑带土的蠕变特性对滑坡的形成演化、监测预警、工程治理等方面均具有重要意义。诸多学者对滑坡滑带土的蠕变特性展开了广泛的研究，主要研究手段就是通过室内试验和野外试验研究滑带土的蠕变特征曲线、长期强度等，以及外部因素和赋存地质条件对其蠕变特性的影响。祝艳波等 为预测碎屑土夹层的蠕变行为，开展了对非饱和土的蠕变特性及其蠕变试验模型的研究。邹良超等 在传统 模型基础上加以改进得到了改进的 模型，通过滑带土蠕变试验数据曲线拟合得到了改进的蠕变模型的参数，改进的模型能很好地描述滑带土蠕变曲线特征和力学行为。岩石的蠕变曲线 和非饱和土的蠕变试验曲线具有相似的形状和变形趋势，在前期加载过程中总体呈现上凸形状，随着加载进行，曲线逐渐趋于稳定。模型是一 种 主 要 由 模 型 和 模型 串联而成的原件模型，在蠕变研究领域应用较为广泛，能有效反映蠕变曲线的各变形阶段的特征。前人研究的滑带土往往采用钻孔取样或滑体土作为研究对象，采取扰动较少的浅井取样会取得更好的试验效果，试验结果也更为客观。虽然前人进行较多，但蠕变模型往往较为复杂，部分蠕变模型参数意义不够明确，因此创造一个结构简洁、意义明确的蠕变模型是极为必要的。文章以典型土质滑坡滑带土为研究对象，通过严收稿日期：；修回日期：基金项目：国家重点研发计划资金项目“研发治沟造地工程地质与土壤湿陷稳定技术与标准”（编号：）资助。第一作者：何斌（），男，工程师，主要从事地质灾害勘查、设计工作。：通信作者：谭维佳（），男，博士，讲师，主要从事工程地质及地质灾害防治研究工作。：引文格式：何斌，谭维佳青海某地区非饱和滑坡滑带土蠕变特性研究矿产与地质，（）：谨的取样方法获取扰动较小的试样，通过室内土工试验分析得到滑带土的基本物理性质。在常规三轴试验的基础上，采用摩尔库伦准则求解得出滑带土的峰值强度指标；然后利用土体三轴蠕变仪，参照常规三轴试验结果确定三轴蠕变试验分级加载的荷载参数，通过试验数据分析，得到分别加载曲线和等时应力应变曲线，进而确定滑带土的蠕变特性指标，并探讨滑带土埋深对其蠕变特性的影响机制。研究成果可为土质滑坡启滑机制、预测预报及其长期稳定性分析提供有意义的参考。三轴蠕变试验 试样材料和试验设备试验土样取自青海省西宁市某土质滑坡，滑带原状土样取自滑坡人工挖掘的浅井中，浅井取样深度 ，为滑坡滑带与基岩接触处（图）。取样后采用保鲜膜包裹，以减少其水分流失。运输过程中置于取样箱中，同时采用气泡纸包裹，以减少扰动。运输至试验室后，采用削土器将原装土制备成规格为 的圆柱形试样。按照 土工试验方法标准（）的要求，对其试验土样进行了物理力学性质指标测试，其测试结果见表。试验设备使用 型土体三轴流变试验机，该试验机主要由主机、轴向测控系统、围压测控系统、计算机系统等组成，最大轴向荷载 ，最大 围压，加载方式为应力控制模型。试验方案本方案考虑滑带土的长期蠕变特性，同时滑坡地带存在良好的渗透条件，采取三轴固结排水试验。根据滑带土埋深情况结合试验设备，选取围压为 、。在蠕变试验前，为确定蠕变试验图滑带土浅井取样 表滑坡滑带土基本物理力学性质指标 指标值干密度（）天然含水率 液限 塑限 塑性指数 加载方案及排水剪切强度，先进行常规三轴试验，围压与蠕变试验围压相同，固结时间为，常规三轴试验结果见图、表。剪切强度分别为 、。根据摩尔库伦强度准则，求解得到滑带土常规抗剪强度指标为 和 。试验采取分级加载的方式，每级加载荷载根据常规三轴试验结果确定，每级加载应力持续 以上。图不同围压下的常规三轴试验应力应变曲线 试验结果分析 滑带土蠕变规律本试验得到的蠕变曲线为分级加载条件下的蠕变试验曲线，优点在于节约试验材料，操作方便，但是需要将曲线转换为分别加载曲线进行数据分析。根据玻尔兹曼线性 叠加原理，固定剪切荷载造成的蠕变变形可由各级荷载增量引起的变形求和得到。采用坐标平移法，将本试验得到的分级加载条件下蠕变实验曲线转换为分别加载条件下的蠕变试验曲线（图）。矿 产 与 地 质 年表蠕变试验加载方案 试样编号围压 应力路径（）图不同围压条件下的蠕变分别加载试验曲线 由图可见，每级加载蠕变曲线具有明显的分段特性，蠕变曲线总体呈现三个明显的变形特征阶段：第一阶段是瞬时弹塑性变形阶段，该阶段的变形时间一般小于，应变在荷载施加的极短时间内发生，该段应变曲线的斜率极陡，曲线近似垂直；形成原因是在初期瞬时荷载引起土体内颗粒骨架的变形，在宏观上体现为竖向荷载引起的轴向应变突然增加；第二阶段是衰减蠕变变形阶段，该阶段曲线形态呈外凸状，曲线斜率较第一阶段有明显下降，但仍较陡，曲线最终变形速率接近于下一变形阶段的曲线切线斜率；形成原因是在持续竖向偏应力作用下，微观上土颗的相对位移逐渐减小，内部应力场逐渐趋于稳定状态，宏观上表现为应变速率逐渐减小。该阶段与第一阶段的分界点较为明显，蠕变速率在峰值前为第一阶段，然后蠕变速率急剧降低，此时为第二阶段的衰减蠕变变形开始，直至蠕变速率基本不再降低，此时该阶段变形结束；第三阶段是等速蠕变变形阶段，土体内的弹塑性变形达到一个相对平衡的阶段，应力状态逐渐区域稳定，土体宏观变形表现出稳定的变形速率，第二阶段的蠕变速率基本不再降低时，蠕变进入该阶段，此时的应变速率较低，但是基本恒定，应变量最终值无限趋近于某一个极限值。滑坡滑带土的长期强度滑带土的长期强度是评价滑坡长期稳定性的重要指标。相比常规抗剪强度，长期强度更能反映滑带土在受力条件下的力学特性。通过绘制三轴固结排水试验的应力应变等时时间簇可以求得试样的长期强度。本文选取 、的时间节点绘制图所示的应力应变等时时间簇，拐点处即为试样进入破坏阶段的强度，该强度即为试样的长期强度。本次试验求得长期强度分别为 、，与常规三轴试验相比，强度分别降低 、，长期强度平均下降 。采用摩尔库仑强度准则求解滑带土的长期抗剪强度指标，滑带土长期抗剪强度指标为 和 ，与常抗剪强度指标 和 相比下降幅度分别为 和 。在加载初期，等时蠕变曲线的总体呈现明显的非线性的形态特征，随着加载时间增加，曲线的线性特点逐渐减少，逐渐出现拐点，这一变形特征是由于短时间内土体的时间劣化效应较弱，随后土体劣化性增强造成的。非线性黏弹塑性蠕变模型 模型（图）能有效描述蠕变特征的衰减蠕变和等速蠕变阶段，模型 作为一种黏弹性体模型，它是由一个 体和一个 串联组成，其所需要确定参数较少，具有较好的简洁性和通用性等优点。第 卷第期何斌等：青海某地区非饱和滑坡滑带土蠕变特性研究图不同偏应力下等时曲线 图 模型图 该模型表达式为（）（）（）式中：（）为轴向应变，和为弹性系数，和为黏滞系数，为偏应力，为加载时间。考虑到滑带土蠕变试验得到的加速变形阶段曲线呈非线性的不规律特征，对 模型进行修正改进，因此引入一个非线性黏塑性体来弥补 模型在加速蠕变阶段的不足，非线性黏塑性体的蠕变方程为（）（）式中：为黏塑性体对应的应变；为法向应力；为加载时间；为进入加速蠕变的时间；为蠕变指数；为黏塑性体中的黏滞系数。引入上述的非线性黏塑性体，当时，蠕变模型为传统的 模型，此时材料未屈服，变形逐渐趋近一个上限值；当时，材料屈服，变形逐渐增加直至破坏，蠕变模型为改进后的非线性 模型（图）。图改进的 模型 蠕变模型采用下式的分段函数表示：（）（），；（）（）（），。矿 产 与 地 质 年运用 进行最小二乘法 进行曲线拟合。改进后的非线性 模型与试验曲线的拟合效果较好，拟合效果见图，拟合得到的蠕变方程参数见表。由图可见，本文改进的 模型具有较高的拟合度度，模型相关系数均值为 ，能有效描述滑带土的衰减、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段。滑带土的蠕变曲线尤其是加速蠕变阶段，改进的 模型具有较好的拟合效果。图拟合曲线与试验曲线对比 表蠕变模型参数 试样编号偏应力 （）（）（）相关系数 结论）通过滑带土的三轴蠕变试验，表明滑坡滑带土具有典型的蠕变特征。同时试验表明高荷载条件下，土体的蠕变是呈加剧的趋势。）滑带土瞬时变形、蠕变速率和总蠕变量这三者同时受围压和剪应力水平两者的影响，而衰减蠕变阶段持续时间与围压却无明显的关系，而与偏应力的值成正相关，蠕变量和蠕变速率与偏应力总体呈正相关的特征。）土体的长期强度随着围压的增加而增加，总体呈现正相关趋势。长期强度平均下降 ，蠕变现象显著。）在传统 蠕变模型的基础上，引入一个非线性黏塑性体能有效表征蠕变曲线各阶段的特征，能有效拟合试验曲线，有能效反映滑带土的力学行为，具有较好的通用性和适用性。第 卷第期何斌等：青海某地区非饱和滑坡滑带土蠕变特性研究参考文献：，杨宁 非饱和土的力学性能与工程应用岩土工程学报，（）：李巧学，黄从俊，高澍，等乐坝火车站后山边坡降雨作用下渗流数值分析矿产与地质，（）：，（）：，（）：杨为民，徐瑞春，吴树仁，等鄂西清江隔河岩水库茅坪滑坡蠕滑变形及其稳定性地质通报，（）：严绍军，项伟，唐辉明，等大岩淌滑坡滑带土蠕变性质研究岩土力学，（）：汪斌，朱杰兵，唐辉明 黄土坡滑坡滑带土的蠕变特性研究长江科学院院报，（）：张笛，滕伟福，安琪黄土坡临江号滑坡体滑带土残余强度试验研究 安全与环境工程，（）：汤文，姚志宾，李邵军，等 水化学作用对滑坡滑带土的物理力学特性影响试验研究岩土力学，（）：刘清秉，王顺，夏冬生，等残余强度状态下原状滑带土蠕变特性试验研究 岩土力学，（）：周晓飞，孙金山，刘贵应，等 基于幂函数的边坡岩体泥质夹层长期强度直剪蠕变试验研究安全与环境工程，（）：祝艳波，余宏明巴东组碎屑土夹层的非饱和蠕变经验模型中国公路学报，（）：，（）：吕爱钟，丁志坤，焦春茂，等 岩石非定常蠕变模型辨识 岩石力学与工程学报，（）：曹树刚，边金，李鹏岩石蠕变本构关系及改进的西原正夫模型 岩石力学与工程学报，（）：徐鹏，杨圣奇，陈国飞改进的岩石 流变模型及其试验验证 煤炭学报，（）：帅词俊，段吉安，王炯关于黏弹性材料的广义 模型 力学学报，（）：邓亚虹，李丽，慕焕东，等西安地区地裂缝带原状黄土流变特性试验研究岩土力学，（）：杨挺青，罗文波，徐平，等 黏弹性理论与应用 北京：科学出版社，单帅，谢婉丽，朱荣森，等加卸荷条件下延安新区压实黄土蠕变特性研究干旱区资源与环境，（），（）：，（）：，：，：，（.，；.，）：，：，矿 产 与 地 质 年