滑坡岩土体流变机理与本构模型

(重庆蜀通岩土工程有限公司，重庆 401147)

1 概述

滑坡岩土体流变模型及力学参数对边坡稳定性评价、预警预报等具有至关重要的影响，因此，首先如何正确辨识流变本构模型和准确获取流变参数显得尤为关键。根据已有优化算法，较为系统地进行岩土体蠕变力学参数的反演分析，再结合工程现场的监测信息，最终获得合理有效的岩土体蠕变模型参数，是滑坡稳定性评价及预警预报的前提。

岩土流变关系到滑坡地质灾害及防治工程的长期安全，研究岩土材料的流变行为及特性，寻求滑坡蠕变分析模型，对滑坡进行稳定性分析和滑坡预报具有重要的学术和工程意义。

2 研究现状

1)滑体岩土体流变机理与本构模型。随着国内外学者对滑坡灾害的深入研究，逐渐认识到大部分滑坡发生破坏前滑体也都存在明显的蠕变变形。粗粒土的流变研究开始于堆石坝粗粒土流变特性的研究。1985年，A.K.Parkin(1991)尝试采用压缩仪研究粗粒料的流变特性，认为沉降速率随时间成对数关系，这是目前能检索到的最早研究资料，研究成果与实际应力状态存在差异，该成果的适用性也有限。

在流变机理研究方面，姜峰林(2005)对黄土质滑坡的流变特性进行了相关试验研究和数值模拟研究，取得了一定的成果。在研究对象上，上述作者只针对了滑坡的滑带土的流变性质进行相关研究，没有涉及到对滑坡体粗粒土流变性质的研究。而滑坡体的流变性质对滑坡稳定性的影响也不同于滑带土对其的影响。此外，国内研究人员利用大型固结仪和大型流变三轴仪开展堆石粗粒土的流变特性研究。沈风生(1990)利用一个含有三元件的粘弹性蠕变模型研究了面板坝中粗粒土的流变性质，并推导了相应的流变计算公式。但没有考虑到，剪切流变在很多情况下是有限的，因为无限变形就意味着破坏，而实际上许多加速流变的破坏过程，往往与土的结构改变和力学性质的变化有关，并不是由单纯的时间因素造成的。韩世莲(1992)开展了粗粒土的三轴流变试验，分析了粗粒土的流变特性，通过回归方程得到粗粒土粘弹性模型各项参数。沈珠江等(1994)通过试验提出一种基于MER-CHANT流变模型的含有三个参数的流变模型，并根据堆石碎石土监测数据进行反分析，提出硬岩、中硬岩、软岩及砂卵石相应流变模型的参数选取，以此来解决室内流变试验的试验时间不足和参数数量较少的问题。Bowman E.T.(2003)研究表明流变开始时连结较弱的颗粒间发生滑移，从而使大量颗粒在荷载作用下不断调整。Chen Xiaobin(2007)通过低应力水平下粗粒土的三轴流变试验，利用Morgan-Mercer-Florin核函数研究了粗粒土流变特性的非线性，并利用两个函数计算出粗粒土最后的体积流变率和剪切应变值。Chen Xiaobin(2011)通过自主研发的大型三轴流变仪对粗粒土进行流变试验，研究发现应力状态是影响粗粒土流变特性的主要因素，在低应力水平下粗粒土表现为弹性，中等应力水平时表现为线粘弹性，在高应力水平时表现为非线性粘塑性。

在流变本构模型方面，Sawicki等(2009)结合力学试验和破坏概率概念建立改进的本构模型，对粗粒土发生破坏前的变形进行预测分析。通过统计在应力空间里的破坏点概率分布来做出变形预测，但是理论计算的结果和试验结果不完全匹配。王勇等(2000)基于双屈服面塑性模型，在材料硬化过程中纳入时间因素，得到了一种用于面板坝碎石土流变特性分析的流变模型，并用于模拟Cethana坝的变形。郭兴文等(2001)采用区分高低围压的沈珠江三参数模型，通过三维有限元软件，研究了堆石流变性对水布垭面板堆石坝性状影响。梁军等(2002)研究发现碎石土的流变模型中参数应当以变形监测数据的反分析获取，并深入地研究流变性质的影响因素，结合理性分析和感性认识来辨识流变模型的参数，认为计算分析、影响因素分析和经验判断在确定流变参数时同等重要。陈晓斌等(2007)通过自制的大型三轴流变仪器，分析了不同应力状态、含水量、时间因素对其流变性质的影响和其流变机理。同时也根据试验情况，建立了考虑上述影响的6元件改进Burgers流变模型。傅华等(2009)利用风干状态下的试样在大型三轴压缩仪和大型单轴压缩仪上进行力学试验，通过研究试验后样品的颗粒级配的变化，提出颗粒的破碎关系到粗粒土的强度问题和流变问题。但是只是定性分析了这一关系，没有得出相关的力学模型。Zhang Lei(2011)利用堆石坝沉降监测数据，反演沈氏流变模型的参数，并利用这些参数计算求得了坝内材料的应力和应变。

2)滑坡滑床基岩的流变特性和流变模型。岩石的流变特性和流变模型是岩石流变理论的研究重点。在岩石的流变本构模型研究工作中，常根据经验和理论得出不同类型岩石的流变本构模型。张向东等(2004)基于老化理论，且假设等时曲线均相似，变形函数则采用幂次函数，提出泥岩的非线性流变模型。Liu Jiang(2006)对研究了岩盐流变特性与温度和应力水平的关系，建立的本构模型表明，稳定蠕变阶段应变率与偏应力和温度呈非线性关系。Zhang Ning(2009)通过高温高压条件下岩石流变试验，提出静水压力作用下岩石发生与剪应力作用流变现象类似的流变行为，并通过试验数据拟合得出了花岗岩的流变本构模型。理论模型主要包括元件模型，损伤模型和基于内时的模型。孙钧等(1991)假设岩石发生蠕变时粘塑性变形的等时曲线相似，分析了粘滞系数在加载应力和加载时间时的变化规律，并基于广义宾汉姆模型，修正了线性牛顿粘滞体，提出了能反映岩石蠕变时三个典型阶段的流变本构模型，周德培等(2001)基于岩石蠕变阶段中的加速蠕变阶段，建立了一种基于牛顿流体粘滞的阻尼元件，并将其与反映岩石等速蠕变、减速蠕变特性的模型结合，建立了一种新的流变力学模型。Zhou H.W.(2011)将西原町模型中的牛顿阻尼器更换为阿贝尔阻尼器，用实验结果拟合模型中函数的参数，提出了一个新的流变元件模型。Zhang Qingzhao(2011)基于节理岩体剪切流变试验，指出节理岩体流变过程中稳定流变阶段并不明显，并建立了修正的Burger模型来反映节理岩体的蠕变性质。随着损伤力学和断裂力学在岩石力学中的广泛应用，基于岩体损伤断裂理论的流变模型也取得了长足进展。Erichsen，C.(2006)综合考虑了蠕变的瞬时、稳定和加速性质，以及蠕变的剪胀和破坏后力学行为，建立三维弹性本构方程，并用有限元软件建立数值本构模型，模拟结果与实验数据一致。Günther将岩盐应变硬化作为内时变量，建立一个能综合描述岩盐蠕变力学行为的本构模型，并通过室内试验不断对模型进行优化，最终的本构方程能够较好地近似岩盐蠕变过程中的瞬间阶段，稳定阶段，加速阶段的蠕变变形和剪胀现象。

目前关于岩石流变机理和模型的研究，本构关系仅能反映岩土体物质组成和结构构造引起的流变特性差异，也有少量学者研究了不同应力路径、温度变化、孔隙水压力变化条件下岩体的流变机理和本构模型。对于在库水位波动下，库水位变动带内动水压力对滑坡岩体流变特性影响的研究国内外还未开展。

边坡岩土体流变模型识别及力学参数获取对边坡稳定性评价、预测预警具有至关重要的影响。岩土体蠕变本构模型的研究尽管已经取得了一些成果，但仍然处于研究的初期阶段，特别是参数时效性的判定及其与时间关系式的确定方面还有大量的工作要做，目前，在非线性流变模型的研究已经取得了一些成果，但在模型中参数时效性的考虑还很有限，而且能应用到实际工程中的成果还不多见。如何在已有岩石粘弹性或粘塑性模型辨识的基础上，对优化求解方法进行改进，在保证辨识准确性和辨识效率的基础上简化辨识过程，从而为岩石蠕变模型的一般性辨识寻找一种新方法将是未来研究的一个重要方向。

3 结语

尽管国内外在滑坡防治工程效果评价研究方面取得了较大的进展，但目前对在这方面的研究还存在很多不足。

库区滑坡—防治结构体系的时效特征的研究还未考虑水位波动对滑坡岩土体及防治结构流变特性的影响。国外学者对在降雨入渗条件下滑坡土体蠕变模型与含水率的关系略有研究，但并未涉及库水位波动条件。

目前国内外研究主要是集中于滑带的流变特性研究和滑坡岩土体时效特征，并未对滑坡—防治结构体系的时效特性展开研究。

滑坡岩土体流变特性、长期强度对滑坡稳定性影响的研究，主要集中于滑坡岩土体物质组成、降雨入渗、地震荷载等因素影响下流变特性对滑坡稳定性的影响;并且当前的研究主要关注缺少防治结构植入条件下岩土体流变性质对滑坡的稳定性影响。在水库运行条件下，滑坡岩土体的流变特性及其对滑坡稳定性的影响，必须考虑动水压力的作用。在滑坡已有防治结构的前提下，岩土体流变特性、长期强度对滑坡—防治结构体系的复合体的影响国内也尚未展开相应研究。

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