魏家沟滑坡滑带土非饱和蠕变特性试验研究

黄志全, 李小慧, 孙 怡, 李 磊

(华北水利水电大学 资源与环境学院,河南 郑州 450045)



魏家沟滑坡滑带土非饱和蠕变特性试验研究

黄志全, 李小慧, 孙 怡, 李 磊

(华北水利水电大学 资源与环境学院,河南 郑州 450045)

滑带是滑坡的一个重要结构要素,滑带土则是滑坡滑动过程中形成的特殊岩土体,其蠕变特性是滑坡动态演化过程的直接反映.降雨是滑坡失稳的重要诱因,在降雨入渗的条件下会导致滑带土常年处于非饱和状态,研究降雨条件下的滑坡滑带土非饱和蠕变特性具有很重要的意义.以栾川魏家沟滑坡滑带土为研究对象,开展了一系列非饱和土蠕变试验.采用陈氏加载法,得到了相同净围压、不同基质吸力、不同应力水平下的蠕变试验曲线.采用Boltzmann叠加原理对数据进行处理,分析滑带土非饱和蠕变特性,发现同一偏应力水平下,蠕变变形及变形速率均随着偏应力的增大而增大,且随着基质吸力的减小而增大;建立了一种包含基质吸力的Singh-Mitchell蠕变模型,即剪应力-应变关系采用指数函数表示,应变-时间关系采用幂函数表示.

滑带土;非饱和三轴蠕变试验;基质吸力;Singh-Mitchell蠕变模型

国内外大量数据统计与研究表明,绝大多数滑坡的发生都与降雨有直接关系,降雨是边坡失稳的重要诱导因素[1-3].这是由于降雨入渗直接导致边坡岩土体强度降低,这时的土体处于饱和-非饱和动态转化中,为此研究降雨作用下的非饱和土的蠕变特性具有重要意义.

关于土体蠕变特性的研究,前人在室内试验的基础上,通过理论与试验相结合建立了大量的蠕变模型.王琛等[4-6]进行了三峡泄滩滑坡体滑带土的三轴排水蠕变试验研究,分别采用Singh-Mitchell 与Mesri 模型描述三峡泄滩滑坡滑带土的蠕变特性,并提出了改进的Singh-Mitchell 蠕变方程与改进的Mesri 模型.孔令伟等[7]利用GDS应力路径三轴试验系统,开展不同围压下湛江强结构性黏土的三轴固结排水剪切蠕变试验,分析蠕变性状的结构性效应,建立了相应的蠕变模型.

这些研究大多是针对饱和土的蠕变特性,关于非饱和土的蠕变特性研究较少.Oldecop等[8]通过气相法控制吸力,研究了堆石坝填料一维压缩蠕变特性,发现压缩系数与土样总吸力存在相关关系.赖小玲等[9-10]针对三峡库区某滑坡滑带土进行了非饱和三轴蠕变试验,建立了各级吸力水平下滑带土的Mesri 蠕变模型.

笔者基于室内试验,利用非饱和三轴蠕变仪,采用陈氏加载法开展一系列相同净围压(100 kPa),不同基质吸力、不同应力水平下的非饱和土三轴排水蠕变试验.在试验基础上借鉴饱和蠕变经验模型Singh-Mitchell的建模思想,建立了一种包含基质吸力的非饱和Singh-Mitchell模型.

1 滑带土非饱和三轴蠕变试验

魏家沟滑坡位于河南省栾川县潭头镇石门村魏家沟自然村范围内,滑坡区属于河谷岸坡地貌,为顺层滑坡.魏家沟滑坡区是一个复杂的滑坡体,曾于1964年和2004年先后两次不同部分发生滑动.影响滑坡区整体稳定性的主要因素就是降雨,在降雨入渗的影响下,地下水位抬升,滑带土强度参数值下降幅度很大,稳定性大大降低,降雨使得滑带土长期处于饱和与非饱和的动态过程中.此次试验土样取自于栾川魏家沟滑坡滑带土顺层基岩滑坡滑带.由《土工试验规范》(SD 128—84)[11]确定土样为粉质黏土,其基本物理力学性质指标:含水率ω=24.5%,密度ρ=1.84 g/cm3,孔隙比e=0.72,饱和度Sr=80.5%,塑性指数IP=16.7,黏聚力c=30.4 kPa,内摩擦角φ=18°.

由于滑带土取样较为困难,不易存放和运输,本次试验采取重塑样进行试验.所取土样风干后过2 mm筛,以天然含水率配制土样,然后装入保鲜袋并放在保湿缸内静置24 h,以便水分均匀.试样尺寸Φ61.8 mm×120.0 mm,最后抽真空饱和24 h.

试验装置采用江苏省溧阳市生产的2FSR-6型非饱和土三轴蠕变仪,该仪器包含围压控制系统、气压控制系统、轴向力加载系统、轴向变形量测系统等,围压和气压通过空气压缩机施加(0～2 MPa),轴向压力通过砝码施加,仪器各部分能够独立工作.由于滑带土长期处于受剪的状态,三轴排水剪切试验更能真实地反映其状态,故试验采取固结排水剪.试验在(20±1) ℃下进行,采用分级加载的方式,试验前需进行非饱和三轴试验来确定试样抗剪强度,以便为非饱和蠕变试验提供加载依据.

1.1 非饱和三轴剪切试验

该试验采用英国GDS公司研制生产的GDS非饱和三轴固结剪切仪,按照试验方案对滑带土进行了非饱和三轴试验,确定了不同围压、不同吸力条件下的抗剪强度.试验过程中孔隙水压力始终保持为0,因而孔隙气压力与基质吸力在数值上相等.试验结果及非饱和蠕变试验加载方案见表1.

表1 非饱和三轴剪切试验结果及非饱和蠕变加载方案

1.2 非饱和土蠕变试验

1)饱和陶土板.不装试样,关闭压力室阀门,装好压力室外罩,将其充满水,通过围压控制器向压力室内施加试验过程中可能达到的最大围压,关闭排水阀门.在该压力下持续关闭约1 h,然后打开阀门,冲洗陶土板下积聚的气泡,再次关闭阀门,重复上述步骤,直到排水阀有水连续排出,可认为陶土板达到饱和.

2)吸力平衡阶段.装样结束后,同时施加围压σ3与气压ua,并保持5 kPa的差值,用以避免试样过分压缩.当试样2 h内排水小于0.01 mm3时,即认为达到了吸力平衡.

3)固结阶段.施加围压至设定值,此阶段保持气压不变,直至试样固结稳定,达到固结稳定的标准同吸力平衡阶段,将固结完成后测得的数据作为蠕变试验的初始值.

4)加载阶段.采用分级加载的方法施加偏应力q,本次试验分3～4级加载,总荷载即为相同净围压、相同基质吸力下非饱和三轴试验得到的试样破坏强度,即每次荷载增量为破坏荷载的1/4～1/3,加载方式见表1.施加下一级偏应力时应保证上一级偏应力下试样稳定,即24 h内竖向变形小于0.01 mm,如此反复,直至试样破坏,得到了滑带土非饱和三轴蠕变试验曲线(以σ3=300 kPa为例).由于采用分级加载法,故根据Boltzmann线性叠加原理推导出分级加载下的应变-时间的关系曲线，如图1所示.

图1 非饱和土三轴蠕变试验曲线

2 试验结果分析

2.1 应力-应变时间关系

由土的流变学理论可知,蠕变等时曲线和蠕变曲线具有相似性,可以将应力-应变-时间关系分别用独立的应力-应变和应变-时间关系来表示,则有

ε=f1(σ)f2(t).

(1)

式中:f1(σ)与f2(t)分别为应力和时间的函数.Singh-Mitchell[12]在总结了单级常应力加载、排水与不排水三轴压缩试验数据的基础上,认为剪应力-应变关系采用指数函数,应变-时间采用幂次函数关系能够很好地反映土的蠕变特性,写成应变率-应力水平-时间关系式,可表示为

ε=Arexp(αDr)(t/tr)m.

(2)式中:t为试样加载时间;ε为任一时刻t的轴向应变;tr为单位参考时间;Ar为单位参考时间tr下偏应力水平为0时的应变速率;α为lnε与剪应力关系图中的线性段斜率;m为lnε-lnt关系图中直线段的斜率;Dr为偏应力水平,定义为Dr=(σ1-σ3)/(σ1-σ3)f.

式(2)即为Singh-Mitchell方程.当λ≠1时,且不考虑初始应变,可推导为

ε=Bexp(βDr)(t/tr)λ.

(3)

式中:B=Artr/(1-m);β=α;λ=1-m.

定义βDR为新应力水平下的模型参数,则有

则Singh-Mitchell模型可表示为

(4)

2.2 模型参数的确定

取lnε-lnt关系曲线中的直线部分作为分析对象,直线段的斜率为λ,如图2所示.

图2 不同偏应力下的lnε-lnt关系图

由于前60 min线性关系不明显，故而采用tr=60 min作为参考时间,根据拟合结果得到不同偏应力水平下的λ值及其平均值见表2,其中R2为拟合直线的相关系数.

表2 λ及其平均值

Singh-Mitchell假定模型参数不依赖于时间与应力水平，则令t=tr,式(4)可写为:

ε=Bexp(βDRDR)，

(5)

lnε=lnB+βDRDR.

(6)

由式(5)与式(6)可知,等时曲线lnε-DR为直线.由不同偏应力水平的ε-t曲线可得到任一时刻的lnε-DR关系,其斜率为βDR,截距为lnB.lnε-DR曲线如图3所示,模型参数见表3.

图3 滑带土的lnε-DR关系曲线

σ3/kPaβDRβλ1003．0940．58470．084702501．8070．99590．072193002．9940．66370．04875

2.3 Singh-Mitchell模型

将上述所取得的模型参数代入式(3),可得到魏家沟滑坡滑带土围压σ3=300 kPa,基质吸力ua=200 kPa时的Singh-Mitchell模型，即

ε=0.663 7exp(1.447Dr)(t/tr)0.048 75.

3 结 语

1)魏家沟滑坡滑带土即使在较小的应力水平下也具有明显的流变性,且不同基质吸力、不同偏应力条件下的蠕变曲线具有明显相似性,因而可以采用相同的应力-应变-时间曲线来模拟不同条件下的蠕变特性.

2)推导出了魏家沟滑坡滑带土在非饱和三轴应力状态下的Singh-Mitchell模型,其中剪应力-应变关系采用指数函数表示,应变-时间关系采用幂函数表示,模型中所有参数均在不同基质吸力下推导得到.

3)该Singh-Mitchell模型可以较好地描述非饱和土的蠕变特性,即土体初始阶段的快速衰减蠕变以及后期的稳定蠕变,曲线与试验值基本吻合.但在偏应力水平Dr较大时会出现差异,随着蠕变时间的增长，其变形量较试验曲线有所增大,具体原因还有待进一步研究.

4)滑带土的非饱和蠕变非常复杂,本文仅在一种净围压条件下进行了试验研究.然而,为了更好地了解非饱和土的蠕变特性，还需进行更多种净围压和不同偏应力条件下的研究.

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[2]林孝松,郭跃.滑坡与降雨的耦合关系研究[J].灾害学,2001,16(2):87-92.

[3]殷坤龙,汪洋,唐仲华.降雨对滑坡的作用机理及动态模拟研究[J].地质科技情报,2002,21(1):75-78.

[4]王琛,胡德金,刘浩吾,等.三峡泄滩滑坡体滑动带土的蠕变试验研究[J].岩土力学,2003,24(6):1007-1010.

[5]王琛,刘浩吾,许强.三峡泄滩滑坡滑动带土的改进Mesri蠕变模型[J].西南交通大学学报,2004,39(1):15-19.

[6]王琛,张永丽,刘浩吾.三峡泄滩滑坡滑动带土的改进Singh-Mitchell蠕变方程[J].岩土力学,2005,26(3): 415-418.

[7]孔令伟,张先伟,郭爱国,等.湛江强结构性黏土的三轴排水蠕变特征[J].岩石力学与工程学报,2011,30(2)：365-372.

[8]Oldecop L A,Alonso E E.Theoretical investigation of the time-dependent behaviour of rockfill[J].Geotechnique,2007,57(3):289-301.

[9]Zou Liangchao,Wang Shimei,Lai Xiaoling.Creep model for unsaturated soils in sliding zone of qianjiangping landslide[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering,2013,5(2):162-167.

[10]赖小玲,叶为民,王世梅.滑坡滑带土非饱和蠕变特性试验研究[J].岩土工程学报,2012,31(2):286-293.

[11]南京水利科学研究院,长江水利水电科学研究院,西北水利科学研究所,等.SD 128—84土工试验规程(第一分册)[S].北京:水利电力出版社,1987.

[12]Singh A,Mitchell J K.General stress-strain-time function for soils[J].Journal of Soil Mechanics & Foundations Div,1968,94(1):21-46.

(责任编辑：乔翠平)

Experimental Research on Unsaturated Creep Characteristics of Slip Soils in Weijiagou Landslide

HUANG Zhiquan， LI Xiaohui， SUN Yi， LI Lei

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Sliding zone is the most important structural factor of a landslide. Slip soils are peculiar geotechnical soils formed in the sliding process of landslides, and their creep characteristics directly reflect the dynamic developing process of landslides. Rainfall is a main cause of instability for landslides, the slip soils are perennial in unsaturated state under the conditions of rainfall infiltration, thus researching unsaturated creep characteristics of slip soils of landslide under the condition of rainfall has very important significance. Taking slip soils in Weijiagou landslide in Luanchuan as a research object, a series of creep experiments of unsaturated soils were performed. Using Chen′s loading method, the creep experimental curves were obtained under same net confining pressures, different matric suctions and different stress levels. The datum were dealed with by Bolzmann superposition principle, the unsaturated creep characteristics of slip soils were analyzed, and some results were obtained. The results indicate that under the same deviatoric stress level, the creep deformation and the deformation velocity increase with the increase of the deviatoric stresses, and decrease with the increase of matric suction. Then Singh-Mitchell creep model containing a matric suction was established, that is, the relation between shear stresses and strains adopted exponential functions, and the relation between strains and time adopted power functions.

slip soils; unsaturated triaxial creep experiment; matric suction; Singh-Mitchell creep model

2014-12-10

国家自然科学基金资助项目(41140030);河南省科技创新人才计划.

黄志全(1970—),男,河南潢川人,教授,博导,博士,主要从事岩土工程方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.010

TU441

A

1002-5634(2015)01-0047-04