陕西泾河南塬滑带土蠕变特性实验研究

陕西泾河南塬滑带土蠕变特性实验研究

0滑带土模板研究在许多情况下，自然梯度和工程梯度的破坏和失稳不是一个简单的稳定状态。从稳定到失稳是发展和变化的一个过程：随着时间的推移，岩屑的应力和变形不断变化。调整过程通常需要一个漫长的时期，这是滑带土的滑动过程。因此，在研究边坡稳定状态和边坡失稳时间时，应研究岩石材料的剪切特性。研究滑带土蠕变用于滑坡时间预报方面,其重点是研究剪切变形速率与时间的关系,来讨论滑坡时间预报的可行性。自20世纪60年代日本学者Saito作了开创性工作以来,在滑坡时间预报方面已取得了不少新的进展,获得了很多预报成功的实例。王建锋对Saito模型和Voight模型的物理内核进行了详细剖析,论证了这两类预测模型的生命力所在。中国学者对滑带土的蠕变特性也作了大量实验研究和理论探索[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15],为滑坡体长期稳定性分析及滑移时间效应的研究提供了理论依据。事实上,边坡岩土材料处在一定的自然环境中,在研究其蠕变特性中,是不能不考虑可改变其本质特性的影响因子的,其中最基本的影响因子—水,它是几乎所有自然边坡失稳的直接诱因。因此,边坡岩土需把含水率引入到强度特性的研究当中来。本文将着重研究黄土滑坡滑带土在不同含水率条件下的长期强度特性,试验包括三轴蠕变和直剪蠕变,来探寻长期强度与滑坡失稳时间预测的可能性,为黄土地区的滑坡灾害预测进行理论探索和试验积累。1滑带土的三个轴的位移实验1.1基性模型2.2压缩试验试验主要是探求滑带土不同含水率在正常围压(对应自然应力状态)下应变率随时间的变化规律。试验加载方式采用单试件分级加载法。该法是利用一个土试样,由低到高逐次施加应力,试件在某一级荷载下变形稳定后,不更换试样直接加载下一级更大的应力继续试验,直到试样破坏为止。该法试验得到的试验结果经处理后可获得标准蠕变曲线。结合泾阳南塬黄土滑坡主要诱发因素为农田灌溉用水和大气降水,试验主要考虑水在正常应力条件下的滑带土蠕变规律,为不排水蠕变试验;再根据滑带发育位置确定的围压取200kPa和300kPa两种,试验加载先根据原状土样天然含水率条件下的常规强度指标预估土的破坏应力值,然后按拟定的8~10级计算出加荷增量。试验以低于滑坡“启动含水率”(滑坡启动强度对应的滑带土含水率)3%~5%为起始含水率,按4种不同含水率对试样采用“水膜迁移法”进行含水率预先配置,试样配置含水率后放置2~3d再进行试验,以保证水份在土样中充分浸入均匀,试验结束后再重新测定其含水率。限于篇幅,兹以其中的东风滑坡为例,对滑带黄土和古土壤试验成果进行说明,其主要物理指标及试验方案所确定的含水率如表1,2所示。1.2应用滑带土的机理对滑带两组古土壤和一组黄土的蠕变试验成果进行整理,绘制成不同围压和含水率条件下的应变–时间(ε–t)曲线,其中300kPa下的滑带古土壤2蠕变曲线见图1。从蠕变曲线图可以看出,泾阳南塬黄土滑坡滑带土具有如下蠕变特性:(1)整体来说,滑带土发生蠕变破坏时对应的应变量ε基本上在10%以下,随着含水率的增加,蠕变破坏相应的应变量也随之降低。(2)对同一围压下的滑带土,随着含水率的增加,土体达到破坏性蠕变阶段的速度加快,土的屈服强度也随之逐渐减小,蠕变破坏时对应的应变量也很小,这充分说明水是致使滑带土长期强度降低,从而导致滑坡发生的重要原因。(3)对同一含水率的滑带土,随着垂直压力的增加(即随着滑带深度的加大),土体达到破坏性蠕变阶段的应变量也增大,滑带土的蠕变强度也相应增大。这也说明了自然黄土边坡在一定状态下长期稳定的原因。(4)在蠕变破坏前,新加压力瞬间土体具瞬时应变特征:即瞬时变形与应力水平呈正比。随着加荷量的增大将出现等速蠕变阶段、加速蠕变阶段和蠕变破坏阶段;蠕变形变三阶段中,从加速蠕变到蠕变破坏历时短暂,个别情况甚至直接从等速蠕变跃到蠕变破坏;滑带土的这一蠕变特性多发生在塑性含水率附近。(5)滑带黄土与古土壤相比较而言,低含水率下黄土较古土壤有较高的瞬时弹性特性,高含水率下则相反,且蠕变破坏时对应的应变量黄土的较古土壤的要小,其蠕变强度也低,这与直接剪切试验得到的强度结果相一致。(6)对土体蠕变破坏后的宏观观察发现,滑带黄土多压缩微胀,鼓胀不明显,而古土壤压缩鼓胀明显(见图2),但两者同表现为塑性破坏特征。1.3等时过程中应力–应变变化规律应力应变的历时化过程能帮助我们更好地了解滑带土的蠕变特性,同时,从滑带土的蠕变本构关系研究出发,可以建立适合滑带土蠕变特征的本构方程,为滑坡的时间预报从力学机理上提供了基础。图3显示了一组不同含水率下的等时应力–应变曲线。从滑带土的等时应力–应变曲线可以看出:(1)瞬间加荷(t=0min)下,等时曲线在低应力呈线性,虽含水率增加线性斜率降低;历时(t>0min)的应力–应变等时曲线族几乎为一束曲线簇,具有“归一化”现象,这说明该区滑带土具有良好的一致的蠕变变形特征,这也为该区滑坡的时间预报研究提供了可能。(2)等时曲线在较低的应力下近视为一直线,表现为线性黏弹性的特性,在高应力下显示为双曲线特征,表现为土的非线性黏弹性的特性。(3)不同含水率不同围压下滑带土的等时曲线都随着时间的增长,应力应变等时曲线逐渐向应变轴偏移,说明应变随着时间的发展而增加。2滑带地面的直接切割和变形实验2.1实验仪器和模型的建立剪切蠕变试验是在一垂直载荷作用下施加一不变的水平剪力,土体在水平剪力作用下随时间而变形不断增长,直至破坏。通过剪切蠕变试验可测定土的长期抗剪强度和建立蠕变本构模型,这些参数和模型可用于滑坡稳定性分析和失稳预测预报。针对现有的实验仪器基本能保证竖向力的恒定,但对水平剪力需要人为的不断调整,这势必会影响试验结果的缺陷,设计首先考虑增大剪切盒的面积,将传统的圆形改为方形,这样有利于按实际剪切面积计算剪应力。剪切蠕变仪的垂直压力加载系统和水平剪力加载系统均采用滑轮组机构,以滑轮组作为放大力的施力体系。仪器能保证两个作用力的方向和大小,试样面积为10cm×10cm,施力范围为0~6kN,能基本满足黄土滑坡一般深度范围内滑带土的直剪蠕变实验要求。图4为改进后的仪器。2.2滑带土的围岩党员巷道围岩氧变特性试验土样与三轴蠕变试样取自同一地点,具有相同的基本物理力学指标,试样尺寸为10cm×10cm×10cm,含水率分别按16.2%,20.5%,22.3%配制。试验剪切盒上、下用黄油密封,在不增加剪力的情况下,保持水份不逸失。根据成果绘制直剪蠕变曲线,其中应变时间曲线与三轴蠕变具相似性(图略),应力–应变时间曲线如图5所示,可以得出滑带土具有如下蠕变特性:(1)对于不同含水率条件的直剪蠕变试验,土体达到蠕变破坏时对应的应变多在4%以下。(2)随着含水率的增加,土体破坏时的应变相应增大,即需要一定的应变时土体才开始加速蠕变,但其破坏应变量不超过4%,这点和三轴蠕变不同,三轴蠕变其应变量是随含水率的增加而减小的。(3)随着含水率的增加,土体破坏时的强度降低。(4)直剪蠕变在低水平应力条件下为稳定的等速蠕变,且蠕变速率非常小;在接近土体屈服极限时,土体加速蠕变时间很短后迅速发生剪切破坏,这与三轴蠕变结果相一致。3不同模型材料的模型滑带土的蠕变特性研究,除了探寻其长期强度研究滑坡的稳定性外,更多学者认识到应根据滑坡运动机理和物理过程来研究其蠕变模型来探求边(滑)坡失稳时间预报的内在关系。事实上,只有建立在充分掌握了滑带土的蠕变特性,模型参数物理意义明确、概念清晰的预报模型才能具有理论意义和实用价值。图6显示了黄土滑坡不同蠕变曲线与相应的预报模型之间的对应关系。模型中滑坡失稳预测时间参数tf具有明确的数理意义:当tf→∞表示滑坡将不会发生;而当t→tf时有位移s→∞,ds/dt→∞,d2s/dt2→∞同时成立,则滑坡发生。tf应是位移时间曲线(s2t曲线)的一个奇异点,或者说t=tf是s-t曲线的一条垂直渐近线。由图可知,同样符合蠕变三阶段的经验方程(指数模型),在滑坡失稳时间预测方面具有很大的差异性,A类曲线表示当t→tf(滑坡失稳预测时间)时有ds/dt→∞,d2s/dt2→∞同时成立,但蠕变破坏阶段的时间非常短,土体以一种近似脆性破坏为主,滑坡表现为崩塌破坏;具有B类蠕变特征的滑坡,土体加速蠕变阶段的时间略长,蠕变破坏多塑性破坏,常形成高速滑坡;C类模型的主要特征是土体应力水平基本上等于或小于土体的长期强度,在土体整个蠕变阶段有ds/dt→c,d2s/dt2=0,滑坡以缓慢滑移为主。当然,在外在因素具备的条件下,可能诱发形成高速滑坡。4围岩涣变破坏机理滑坡的失稳发生受控于滑带土的蠕变特性,本文通过对泾阳泾河南塬高速远程黄土滑坡滑带土(黄土和古土壤)的三轴不排水蠕变试验和直剪蠕变试验表明,三轴和直剪蠕变具有相同的规律,并具有以下特点:(1)黄土滑带土在低应变时就发生蠕变破坏,三轴蠕变破坏时轴向应变量ε在10%以下,剪切蠕变破坏时的剪切应变在4%以下,且随着含水率的增加,蠕变破坏相应的应变量也随之降低。(2)随着含水率的增加,土体达到破坏性蠕变阶段的速度加快,土的屈服强度也随之逐渐减小,这充分说明水是致使滑带土长期