大型黄土古滑坡蠕变特性模拟_李昂.pdf

第 卷 第 期 年 月西安科技大学学报 .李昂，周永根，叶万军，等 大型黄土古滑坡蠕变特性模拟 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；陕西省自然科学基础研究计划重点项目（）通信作者：李昂，男，辽宁鞍山人，博士，副教授，：大型黄土古滑坡蠕变特性模拟李 昂，周永根，叶万军，孙兴华，马 强，薛智轩，吕璐娜，方 刚（西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安；陕西省交通规划设计研究院，陕西 西安；中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安）摘 要：为研究黄土古滑坡蠕变效应下长期稳定性问题，依托支党河特大桥桥区的黄土古滑坡，以原状黄土剪切蠕变试验为基础，采用数值模拟方法，分析削方卸载前后古滑坡体蠕变至，及 时的位移场及塑性区分布特征，对削方卸载后的古滑坡坡体进行现场监测，并与数值模拟结果进行对比。结果表明：随剪应力增加，原状黄土蠕变速率先减小后增大，先后经历衰减蠕变、等速蠕变及加速蠕变 个阶段，剪应力长期作用下，黏聚力及内摩擦角分别下降了，蠕变效应明显；古滑坡坡体在 间出现了加速蠕变过程，位移量最大达到.，蠕变至 塑性区基本贯通，发生失稳破坏；在坡体大倾角位置削方卸载后，塑性区面积显著减小，蠕变 后，塑性区基本稳定且并未贯通，最大位移量仅为 ，蠕变至 坡体也未发生失稳破坏。古滑坡表面及深部位移现场监测数据与数值模拟计算结果较为吻合，验证了蠕变试验及数值模拟结果的可靠性。关键词：黄土古滑坡；数值模拟；蠕变效应；长期稳定性；现场监测中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：，：；引 言滑坡灾害是最具破坏性的地质灾害之一，往往会造成经济损失、人员伤亡等严重后果。中国发生的各类地质灾害中，滑坡灾害占比 ，滑坡灾害防治属公认的难题，研究滑坡稳定性意义重大。针对形成时期不同，滑坡分为古滑坡、老滑坡、新滑坡，新滑坡形成时期较为明确，容易识别并能引起重视，而古滑坡由于形成时期较为久远且目前整体稳定，具有较强的隐蔽性及扰动敏感性，古滑坡是相对暂时的整体稳定，自然或人为等因素影响下存在失稳破坏的可能性。黄土高原属于地质灾害高发区，黄土古滑坡稳定性研究一直是灾害防治工作的重点，汪美华等以陇西黄土高原那勒寺古滑坡为研究对象，对天然状态、极端降雨及古滑坡稳定性进行定量分析，提出相应的处治方法；陈亚光结合强度折减法及有限元数值模拟对黄土古滑坡遭遇强震时失稳破坏特征进行分析，得出黄土斜坡在中强地震作用下，将在第 阶坡体出现整体滑动；邓小龙等采用数值模拟分析得出古滑坡在天然、暴雨及地震状态下均处于稳定，暴雨与地震共同作用将失稳破坏，认为未来古滑坡体存在失稳破坏风险。以往关于古滑坡稳定性研究均取得有意义的成果，但对蠕变效应的影响关注较少，对于黄土古滑坡而言，其长期稳定性与黄土蠕变特性密切相关，陈琼等将剪切蠕变试验数据与本构模型进行拟合研究，得出 模型能够较好地反映不同固结状态下的蠕变特性；周静静等以低速缓动黄土滑坡为背景，分析滑带土在不同正应力荷载下各剪应力阶段位移变化规律以及应变速率、长期强度等特性，得出滑坡埋深越深，滑速越慢。众多学者开展黄土滑坡原状土蠕变试验研究并提出改进的蠕变本构模型，对滑坡诱发因素及形成机理方面研究较多，蠕变效应下滑坡长期稳定性的研究尚不够深入，开展黄土古滑坡坡体的蠕变规律及长期稳定性研究非常必要。以支党河特大桥桥区的大型黄土古滑坡为研究对象，开展剪切蠕变试验，并将结果与本构模型进行拟合，基于 软件分析古滑坡体在考虑蠕变效应下的长期稳定性，同时结合监测数据进行对比，验证研究方法的科学性。支党河特大桥黄土古滑坡概况陕西省旬邑县支党河特大桥是国家高速公路 的重要组成部分，桥区存在一大型黄土古滑坡（图），古滑坡滑动面位于堆积的粉质黏土中，钻孔揭露出滑带颜色与上下地层区别明显，古滑坡形成的主要原因是斜坡原地貌较陡峭、坡体上覆土体结构疏松、坡脚受河流冲刷等，坡体已滑动至斜坡中下部且滑坡堆积体部分已被冲刷流失，短期内整体处于基本稳定状态。古滑坡长约 ，宽约 ，坡体厚约 ，体积约 ，上部地势较陡峭，属黄土梁峁地貌，形态呈簸箕形，周界清晰，后缘较陡且离石黄土出露，两侧边界发育小型冲沟，中后部坡体较陡，中前部地形较缓，西北侧边坡前缘被冲洪积堆积地层填埋，东北侧边坡前缘受河流顶冲侵蚀。滑坡区地层主要为第四系坡积粉质黏土和堆积粉质黏土、上中更新统黄土夹古土壤，白垩系下统华池 环河组杂色泥岩、砂质泥岩、砂岩等 西 安科技大学学报 年第 卷第 期李昂，等：大型黄土古滑坡蠕变特性模拟（图）。图 古滑坡地形地貌 图 古滑坡地质剖面 黄土蠕变特征土样取自 古滑坡上部大倾角位置的 黄土，天然含水率为 ，圆柱形试样尺寸为 ，根据现场土体实际受载情况，分别在，正应力下对天然含水率试样不排水蠕变试验，采用分级加载方法，固结应力和时间根据单轴蠕变试验所得数据而定，固结稳定后施加剪应力，待变形稳定后再施加下一级剪应力，直至试样加速蠕变破坏，试样剪切变形稳定的标准为 变形量小于 。结果采用陈氏数据处理法进行处理。应变时间特性将每级应力增量引起的变形与上一级应力作用下的变形进行叠加，可得到各级应力作用下的剪切蠕变曲线（图）。当剪应力较小时，试样表现出减速蠕变特性，随着剪应力增大，蠕变由衰减蠕变进入等速蠕变状态，剪应力越大，试样衰减蠕变的持续时间越长，进入稳态蠕变阶段的时间略有延后，而等速蠕变的速率也随之增大。等时应力应变规律提取同一时刻各级应力状态下蠕变曲线上的应变值，得到不同应力状态的应力应变等时曲线（图）。蠕变前期各级应力状态下的等时应力应变呈线性规律，试样变形主要为弹性变形。随着时间的发展，等时应力应变曲线斜率不断增大，抗剪强度逐渐下降，蠕变效应明显，土体非线性变形所占比例上升，试样开始表现出粘塑性变形。蠕变前期试样等时应力应变曲线均出现重合的现象，后期逐渐发散，表明试样的蠕变速率先减小后增大。图 应变时间关系 图 等时应力应变关系 长期强度根据蠕变试验结果，得到试验土样在各级应力作用下的长期抗剪强度变化情况（表，图），可知在剪应力的长期作用下，土样的黏聚力下降了，内摩擦角下降，土样长期强度衰减较为明显。图 长期强度拟合 黄土古滑坡长期稳定性数值模拟 蠕变本构模型 模型是由 体和 体串联得到的元件模型（图），对于瞬时弹性变形、衰减蠕变变形和稳定蠕变变形的描述具有优势。表 强度参数的衰减情况 瞬时黏聚力 长期黏聚力 黏聚力衰减比例 瞬时内摩擦角（）长期内摩擦角（）内摩擦角衰减比例 图 模型结构 根据所取土样受载等实际情况，选用 固结应力下试验结果与本构模型进行拟合，得到本构模型参数值（表）。复合粘弹塑性模型（）是在 模型基础上嵌入 模型，以 模型为屈服准则，能够较好的呈现出土体的弹性、塑性和粘性特性。采用有限差分法软件 中内 西 安科技大学学报 年第 卷第 期李昂，等：大型黄土古滑坡蠕变特性模拟置复合粘弹塑性模型（）进行蠕变数值模拟分析，对蠕变模型参数（表）、岩土体物理力学参数（表）统一取值。表 蠕变模型参数值 （）（）拟合度 表 蠕变模型参数 （）（）三维数值模型根据 古 滑 坡 地 质 调 查 资 料，利 用软件中的 建立三维地质模型（图），其中 剖面位于古滑坡主滑方向，剖面中下部位于古滑坡体上。对模型的左右 个边界施加 向的位移边界条件，前后 个面施加 方向的边界条件，底部施加 方向的边界条件，顶部自由边界。表 岩土体物理力学参数 本构模型岩土体类型密度（）黏聚力 内摩擦角（）体积模量 剪切模量 马兰黄土 离石黄土 粉质黏土 模型滑带土 强风化泥岩 中风化泥岩 弱风化泥岩 图 古滑坡地质剖面模型 数值模拟计算结果分析 蠕变效应下古滑坡塑性区分布特征古滑坡蠕变 时坡顶及坡顶斜面位置已发生了剪切及拉伸破坏，随着时间的累积，各个位置的塑性破坏区均有扩散趋势，到第 顶部土层全部处于拉伸破坏，蠕变到 时，塑性区基本贯通，坡体中部位置出现大面积破坏，为拉伸和剪切共同作用（图）。蠕变效应下古滑坡位移场 剖面模型蠕变 时位移量约为 ，主要集中在坡顶，这说明位移主要为坡肩的滑动，蠕变 位移量约为 ，位移量达到 ，第 ，坡体的位移量约为 ，表明坡体在 至 出现了加速蠕变过程（图（）。剖面模型蠕变 时位移量为 ，时位移量为 ，第 时位移为，古滑坡坡体在第 至第 发生了加速蠕变的过程（图（）。古滑坡削方卸载后数值模拟计算结果 蠕变效应下古滑坡塑性区分布特征古滑坡 剖面蠕变 时，坡体顶部、中下部出现局部塑性破坏区，主要为剪切破坏；蠕变至，坡体塑性区发展基本稳定（图（）。古滑坡 剖面模型治理完成后在地形起伏较大处 存在塑性区，蠕变 时坡体未出现塑性区，到第 时坡体下部斜面上出现新的塑性区，并随着蠕变时间的累积而扩大，大约 之后，塑性区没有明显继续扩大甚至贯通的现象（图（）。图 古滑坡蠕变塑性区分布 图 古滑坡蠕变位移 图 削方卸载后古滑坡蠕变塑性区分布 蠕变效应下古滑坡位移场削方卸载后古滑坡 剖面模型蠕变 时位移量为 ，位移量为 ，位移量为 ，蠕变位移量为 ，蠕变位 西 安科技大学学报 年第 卷第 期李昂，等：大型黄土古滑坡蠕变特性模拟移最大处从坡顶的削方卸载平台上方逐渐向下方转移，开挖后的位移量相对于开挖前有较大幅度的减小（图（）。削方卸载后 剖面模型的蠕变位移量也有一定程度减小，蠕变 时位移量仅为 ，蠕变 位移量为 ，蠕变 时位移为 ，蠕变至 的位移仅为 。治理后 剖面模型坡体的位移主要集中于上部，下部位移总体稳定，虽然治理后的 剖面模型坡体位移总体上变化并不大，但其下部属于古滑坡主滑方向处的蠕变位移量大幅度减小，故开挖后古滑坡未发生失稳破坏（图（）。削方卸载后古滑坡 个剖面模型的模拟表明，削方卸载为 大型黄土古滑坡长期稳定起到较好的作用。图 削方卸载后古滑坡蠕变位移 数值模拟对比 古滑坡处治削方卸载采用多层横向全宽挖法，由上而下分层进行，其中 墩至 墩边坡开挖坡率为，墩至 墩坡率 ，坡高均为 ，平台宽均为。墩至墩下靠左侧台地位置，采用回填反压土方的形式消化部分卸载的土方，反压区填筑采用横向分段、水平分层填筑的方法，回填土坡率 ，坡高 ，平台宽 。在古滑坡前缘临支党河处设置 片石混凝土挡墙抗滑挡墙支挡剩余下滑力，同时在临河岸坡设置浸水挡墙用于河道疏浚及水流冲刷。各级坡面坡脚处均采用实体护面墙防护，各平台设置平台截水沟，疏排边坡汇水及地表降水（图）。结果对比采用 大地测量法对古滑坡地表平面位移及垂直位移进行监测，设置 个表面监测站；采用 型固定式钻孔内部测斜仪对古滑坡坡体内部结构扰动变形进行实时、连续监测，设置 个深部位移监测点，埋深依次为，和。连续对治理完成后的 大型黄土古滑坡坡体开展长达 个月的表面及深部位移监测，将蠕变位移速率现场实测数据与数值模拟结果进行对比分析。图 古滑坡治理效果 古滑坡坡体的表面蠕变位移速率的现场实测数据较为离散，但总体上以数值模拟的蠕变位移速率为中心上下波动，且累计位移量较小，未超出界限值（图（）；古滑坡的深部位移监测点位移速率总体上呈现稳定的状态，没有连续加速的情况发生，且各监测点位移规律基本相同（图（），表明坡体的位移基本处于匀速状态，古滑坡较为稳定。图 监测数据与数值模拟结果对比 结 论）原状黄土试样在各级应力作用下，黏聚力及内摩擦角均出现不同程度下降，长期强度衰减较为明显，对位于古滑坡体上寿命期较长的重大基础设施，应考虑坡体的蠕变效应。）古滑坡发生蠕变失稳，说明对黄土古滑坡开展考虑蠕变效应的长期稳定性研究非常必要。）从长期来看古滑坡整体较为稳定，削方卸载可有效防治黄土古滑坡发生蠕变失稳破坏。）研究方法可用于黄土地层古滑坡长期稳定性分析，可为以后黄土古滑坡蠕变规律研究提供一定基础数据。参考文献（）：，（）：王念秦，张宁，段钊 泾阳南塬黄土滑坡冲击阶地易侵蚀层过程模拟 西安科技大学学报，（）：，（）：叶万军，张宇鹏 长期降雨作用下黄土边坡失稳模型试验 中国科技论文，（）：，（）：，（）：杜岩，陆永都，谢谟文，等 考虑初始条件变异的蠕滑型滑坡稳定性评价研究 岩石力学与工