陜西涇河南塬滑帶土蠕變特性實(shí)驗(yàn)研究

陜西涇河南塬滑帶土蠕變特性實(shí)驗(yàn)研究

0滑帶土模板研究在許多情況下，自然梯度和工程梯度的破壞和失穩(wěn)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的穩(wěn)定狀態(tài)。從穩(wěn)定到失穩(wěn)是發(fā)展和變化的一個(gè)過程：隨著時(shí)間的推移，巖屑的應(yīng)力和變形不斷變化。調(diào)整過程通常需要一個(gè)漫長(zhǎng)的時(shí)期，這是滑帶土的滑動(dòng)過程。因此，在研究邊坡穩(wěn)定狀態(tài)和邊坡失穩(wěn)時(shí)間時(shí)，應(yīng)研究巖石材料的剪切特性。研究滑帶土蠕變用于滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)方面,其重點(diǎn)是研究剪切變形速率與時(shí)間的關(guān)系,來討論滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)的可行性。自20世紀(jì)60年代日本學(xué)者Saito作了開創(chuàng)性工作以來,在滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)方面已取得了不少新的進(jìn)展,獲得了很多預(yù)報(bào)成功的實(shí)例。王建鋒對(duì)Saito模型和Voight模型的物理內(nèi)核進(jìn)行了詳細(xì)剖析,論證了這兩類預(yù)測(cè)模型的生命力所在。中國(guó)學(xué)者對(duì)滑帶土的蠕變特性也作了大量實(shí)驗(yàn)研究和理論探索[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15],為滑坡體長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析及滑移時(shí)間效應(yīng)的研究提供了理論依據(jù)。事實(shí)上,邊坡巖土材料處在一定的自然環(huán)境中,在研究其蠕變特性中,是不能不考慮可改變其本質(zhì)特性的影響因子的,其中最基本的影響因子—水,它是幾乎所有自然邊坡失穩(wěn)的直接誘因。因此,邊坡巖土需把含水率引入到強(qiáng)度特性的研究當(dāng)中來。本文將著重研究黃土滑坡滑帶土在不同含水率條件下的長(zhǎng)期強(qiáng)度特性,試驗(yàn)包括三軸蠕變和直剪蠕變,來探尋長(zhǎng)期強(qiáng)度與滑坡失穩(wěn)時(shí)間預(yù)測(cè)的可能性,為黃土地區(qū)的滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)進(jìn)行理論探索和試驗(yàn)積累。1滑帶土的三個(gè)軸的位移實(shí)驗(yàn)1.1基性模型2.2壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)主要是探求滑帶土不同含水率在正常圍壓(對(duì)應(yīng)自然應(yīng)力狀態(tài))下應(yīng)變率隨時(shí)間的變化規(guī)律。試驗(yàn)加載方式采用單試件分級(jí)加載法。該法是利用一個(gè)土試樣,由低到高逐次施加應(yīng)力,試件在某一級(jí)荷載下變形穩(wěn)定后,不更換試樣直接加載下一級(jí)更大的應(yīng)力繼續(xù)試驗(yàn),直到試樣破壞為止。該法試驗(yàn)得到的試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)處理后可獲得標(biāo)準(zhǔn)蠕變曲線。結(jié)合涇陽(yáng)南塬黃土滑坡主要誘發(fā)因素為農(nóng)田灌溉用水和大氣降水,試驗(yàn)主要考慮水在正常應(yīng)力條件下的滑帶土蠕變規(guī)律,為不排水蠕變?cè)囼?yàn);再根據(jù)滑帶發(fā)育位置確定的圍壓取200kPa和300kPa兩種,試驗(yàn)加載先根據(jù)原狀土樣天然含水率條件下的常規(guī)強(qiáng)度指標(biāo)預(yù)估土的破壞應(yīng)力值,然后按擬定的8~10級(jí)計(jì)算出加荷增量。試驗(yàn)以低于滑坡“啟動(dòng)含水率”(滑坡啟動(dòng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滑帶土含水率)3%~5%為起始含水率,按4種不同含水率對(duì)試樣采用“水膜遷移法”進(jìn)行含水率預(yù)先配置,試樣配置含水率后放置2~3d再進(jìn)行試驗(yàn),以保證水份在土樣中充分浸入均勻,試驗(yàn)結(jié)束后再重新測(cè)定其含水率。限于篇幅,茲以其中的東風(fēng)滑坡為例,對(duì)滑帶黃土和古土壤試驗(yàn)成果進(jìn)行說明,其主要物理指標(biāo)及試驗(yàn)方案所確定的含水率如表1,2所示。1.2應(yīng)用滑帶土的機(jī)理對(duì)滑帶兩組古土壤和一組黃土的蠕變?cè)囼?yàn)成果進(jìn)行整理,繪制成不同圍壓和含水率條件下的應(yīng)變–時(shí)間(ε–t)曲線,其中300kPa下的滑帶古土壤2蠕變曲線見圖1。從蠕變曲線圖可以看出,涇陽(yáng)南塬黃土滑坡滑帶土具有如下蠕變特性:(1)整體來說,滑帶土發(fā)生蠕變破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量ε基本上在10%以下,隨著含水率的增加,蠕變破壞相應(yīng)的應(yīng)變量也隨之降低。(2)對(duì)同一圍壓下的滑帶土,隨著含水率的增加,土體達(dá)到破壞性蠕變階段的速度加快,土的屈服強(qiáng)度也隨之逐漸減小,蠕變破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量也很小,這充分說明水是致使滑帶土長(zhǎng)期強(qiáng)度降低,從而導(dǎo)致滑坡發(fā)生的重要原因。(3)對(duì)同一含水率的滑帶土,隨著垂直壓力的增加(即隨著滑帶深度的加大),土體達(dá)到破壞性蠕變階段的應(yīng)變量也增大,滑帶土的蠕變強(qiáng)度也相應(yīng)增大。這也說明了自然黃土邊坡在一定狀態(tài)下長(zhǎng)期穩(wěn)定的原因。(4)在蠕變破壞前,新加壓力瞬間土體具瞬時(shí)應(yīng)變特征:即瞬時(shí)變形與應(yīng)力水平呈正比。隨著加荷量的增大將出現(xiàn)等速蠕變階段、加速蠕變階段和蠕變破壞階段;蠕變形變?nèi)A段中,從加速蠕變到蠕變破壞歷時(shí)短暫,個(gè)別情況甚至直接從等速蠕變躍到蠕變破壞;滑帶土的這一蠕變特性多發(fā)生在塑性含水率附近。(5)滑帶黃土與古土壤相比較而言,低含水率下黃土較古土壤有較高的瞬時(shí)彈性特性,高含水率下則相反,且蠕變破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量黃土的較古土壤的要小,其蠕變強(qiáng)度也低,這與直接剪切試驗(yàn)得到的強(qiáng)度結(jié)果相一致。(6)對(duì)土體蠕變破壞后的宏觀觀察發(fā)現(xiàn),滑帶黃土多壓縮微脹,鼓脹不明顯,而古土壤壓縮鼓脹明顯(見圖2),但兩者同表現(xiàn)為塑性破壞特征。1.3等時(shí)過程中應(yīng)力–應(yīng)變變化規(guī)律應(yīng)力應(yīng)變的歷時(shí)化過程能幫助我們更好地了解滑帶土的蠕變特性,同時(shí),從滑帶土的蠕變本構(gòu)關(guān)系研究出發(fā),可以建立適合滑帶土蠕變特征的本構(gòu)方程,為滑坡的時(shí)間預(yù)報(bào)從力學(xué)機(jī)理上提供了基礎(chǔ)。圖3顯示了一組不同含水率下的等時(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線。從滑帶土的等時(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線可以看出:(1)瞬間加荷(t=0min)下,等時(shí)曲線在低應(yīng)力呈線性,雖含水率增加線性斜率降低;歷時(shí)(t>0min)的應(yīng)力–應(yīng)變等時(shí)曲線族幾乎為一束曲線簇,具有“歸一化”現(xiàn)象,這說明該區(qū)滑帶土具有良好的一致的蠕變變形特征,這也為該區(qū)滑坡的時(shí)間預(yù)報(bào)研究提供了可能。(2)等時(shí)曲線在較低的應(yīng)力下近視為一直線,表現(xiàn)為線性黏彈性的特性,在高應(yīng)力下顯示為雙曲線特征,表現(xiàn)為土的非線性黏彈性的特性。(3)不同含水率不同圍壓下滑帶土的等時(shí)曲線都隨著時(shí)間的增長(zhǎng),應(yīng)力應(yīng)變等時(shí)曲線逐漸向應(yīng)變軸偏移,說明應(yīng)變隨著時(shí)間的發(fā)展而增加。2滑帶地面的直接切割和變形實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)儀器和模型的建立剪切蠕變?cè)囼?yàn)是在一垂直載荷作用下施加一不變的水平剪力,土體在水平剪力作用下隨時(shí)間而變形不斷增長(zhǎng),直至破壞。通過剪切蠕變?cè)囼?yàn)可測(cè)定土的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度和建立蠕變本構(gòu)模型,這些參數(shù)和模型可用于滑坡穩(wěn)定性分析和失穩(wěn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。針對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器基本能保證豎向力的恒定,但對(duì)水平剪力需要人為的不斷調(diào)整,這勢(shì)必會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的缺陷,設(shè)計(jì)首先考慮增大剪切盒的面積,將傳統(tǒng)的圓形改為方形,這樣有利于按實(shí)際剪切面積計(jì)算剪應(yīng)力。剪切蠕變儀的垂直壓力加載系統(tǒng)和水平剪力加載系統(tǒng)均采用滑輪組機(jī)構(gòu),以滑輪組作為放大力的施力體系。儀器能保證兩個(gè)作用力的方向和大小,試樣面積為10cm×10cm,施力范圍為0~6kN,能基本滿足黃土滑坡一般深度范圍內(nèi)滑帶土的直剪蠕變實(shí)驗(yàn)要求。圖4為改進(jìn)后的儀器。2.2滑帶土的圍巖黨員巷道圍巖氧變特性試驗(yàn)土樣與三軸蠕變?cè)嚇尤∽酝坏攸c(diǎn),具有相同的基本物理力學(xué)指標(biāo),試樣尺寸為10cm×10cm×10cm,含水率分別按16.2%,20.5%,22.3%配制。試驗(yàn)剪切盒上、下用黃油密封,在不增加剪力的情況下,保持水份不逸失。根據(jù)成果繪制直剪蠕變曲線,其中應(yīng)變時(shí)間曲線與三軸蠕變具相似性(圖略),應(yīng)力–應(yīng)變時(shí)間曲線如圖5所示,可以得出滑帶土具有如下蠕變特性:(1)對(duì)于不同含水率條件的直剪蠕變?cè)囼?yàn),土體達(dá)到蠕變破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變多在4%以下。(2)隨著含水率的增加,土體破壞時(shí)的應(yīng)變相應(yīng)增大,即需要一定的應(yīng)變時(shí)土體才開始加速蠕變,但其破壞應(yīng)變量不超過4%,這點(diǎn)和三軸蠕變不同,三軸蠕變其應(yīng)變量是隨含水率的增加而減小的。(3)隨著含水率的增加,土體破壞時(shí)的強(qiáng)度降低。(4)直剪蠕變?cè)诘退綉?yīng)力條件下為穩(wěn)定的等速蠕變,且蠕變速率非常小;在接近土體屈服極限時(shí),土體加速蠕變時(shí)間很短后迅速發(fā)生剪切破壞,這與三軸蠕變結(jié)果相一致。3不同模型材料的模型滑帶土的蠕變特性研究,除了探尋其長(zhǎng)期強(qiáng)度研究滑坡的穩(wěn)定性外,更多學(xué)者認(rèn)識(shí)到應(yīng)根據(jù)滑坡運(yùn)動(dòng)機(jī)理和物理過程來研究其蠕變模型來探求邊(滑)坡失穩(wěn)時(shí)間預(yù)報(bào)的內(nèi)在關(guān)系。事實(shí)上,只有建立在充分掌握了滑帶土的蠕變特性,模型參數(shù)物理意義明確、概念清晰的預(yù)報(bào)模型才能具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。圖6顯示了黃土滑坡不同蠕變曲線與相應(yīng)的預(yù)報(bào)模型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。模型中滑坡失穩(wěn)預(yù)測(cè)時(shí)間參數(shù)tf具有明確的數(shù)理意義:當(dāng)tf→∞表示滑坡將不會(huì)發(fā)生;而當(dāng)t→tf時(shí)有位移s→∞,ds/dt→∞,d2s/dt2→∞同時(shí)成立,則滑坡發(fā)生。tf應(yīng)是位移時(shí)間曲線(s2t曲線)的一個(gè)奇異點(diǎn),或者說t=tf是s-t曲線的一條垂直漸近線。由圖可知,同樣符合蠕變?nèi)A段的經(jīng)驗(yàn)方程(指數(shù)模型),在滑坡失穩(wěn)時(shí)間預(yù)測(cè)方面具有很大的差異性,A類曲線表示當(dāng)t→tf(滑坡失穩(wěn)預(yù)測(cè)時(shí)間)時(shí)有ds/dt→∞,d2s/dt2→∞同時(shí)成立,但蠕變破壞階段的時(shí)間非常短,土體以一種近似脆性破壞為主,滑坡表現(xiàn)為崩塌破壞;具有B類蠕變特征的滑坡,土體加速蠕變階段的時(shí)間略長(zhǎng),蠕變破壞多塑性破壞,常形成高速滑坡;C類模型的主要特征是土體應(yīng)力水平基本上等于或小于土體的長(zhǎng)期強(qiáng)度,在土體整個(gè)蠕變階段有ds/dt→c,d2s/dt2=0,滑坡以緩慢滑移為主。當(dāng)然,在外在因素具備的條件下,可能誘發(fā)形成高速滑坡。4圍巖渙變破壞機(jī)理滑坡的失穩(wěn)發(fā)生受控于滑帶土的蠕變特性,本文通過對(duì)涇陽(yáng)涇河南塬高速遠(yuǎn)程黃土滑坡滑帶土(黃土和古土壤)的三軸不排水蠕變?cè)囼?yàn)和直剪蠕變?cè)囼?yàn)表明,三軸和直剪蠕變具有相同的規(guī)律,并具有以下特點(diǎn):(1)黃土滑帶土在低應(yīng)變時(shí)就發(fā)生蠕變破壞,三軸蠕變破壞時(shí)軸向應(yīng)變量ε在10%以下,剪切蠕變破壞時(shí)的剪切應(yīng)變?cè)?%以下,且隨著含水率的增加,蠕變破壞相應(yīng)的應(yīng)變量也隨之降低。(2)隨著含水率的增加,土體達(dá)到破壞性蠕變階段的速度加快,土的屈服強(qiáng)度也隨之逐漸減小,這充分說明水是致使滑帶土長(zhǎng)期