滑带土蠕变特性试验研究

廖珩云, 王　卫, 高　扬

(成都理工大学 环境与土木工程学院， 四川 成都　610059)



滑带土蠕变特性试验研究

廖珩云, 王卫, 高扬

(成都理工大学 环境与土木工程学院， 四川 成都610059)

摘要：以美姑河拉马古滑坡局部复活滑坡为工程实例，在现场调查、物理力学试验的基础上，采用分级加载方法对该滑坡滑带土的蠕变特性进行了试验研究.利用Boltzmann线性叠加原理将得到的试验曲线转化成分别加载的形式，并在此基础上获得了滑带土等时曲线.通过对试验确定的蠕变曲线和等时曲线进行分析处理，建立了拉马古滑坡复活滑坡滑带土幂次关系的经验模型，同时，结合滑带土的长期破坏准则，得到了该滑坡滑带土幂次关系的长期强度方程，并用FLAC对边坡的变形进行分析，预测边坡变形的发展趋势.

关键词：滑带土；蠕变试验；长期强度；变形分析

0引言

流变学主要研究应力—应变状态随时间变化的规律.土体流变的具体表现形式主要有随时间变化的变形过程，即蠕变，以及在变形不变的条件下，随时间的延长应力逐渐减小的过程.土体的室内流变力学试验的应用要比现场的流变力学试验应用范围要广，其可以根据工程的实际情况来确定试验过程中所需要控制的试验条件[1].在进行土体流变研究的室内试验过程中，根据研究目的的不同分为蠕变试验和松弛试验，其中蠕变试验又有分别加载与分级加载2种方式[2].分别加载需要相同的试验条件与仪器，并且需要相同的试样，然后对每个试样分别施加不同的应力值，获得在不同剪切应力水平条件下的蠕变曲线[3-4].分级加载的作用对象是同一块土样，在这一块土样上逐级施加剪切应力，直到某一级剪切应力达到稳定或者规定的时间之后，再施加下级剪切应力，直到土样破坏[5-6].通过分级加载方式得到的流变曲线与分别加载方式得到的流变曲线有所不同.目前，受试验条件与仪器的限制，在实验室只能进行分级加载试验，所以需要将分级加载的试验数据变换成分别加载的形式[7].

1试验与模型

1.1试验结果及分析

1.1.1蠕变试验结果.

本研究以美姑河拉马古滑坡局部复活滑坡为工程实例，在现场调查、物理力学试验的基础上，采用分级加载的方法对该滑坡滑带土的蠕变特性进行了试验研究.试验样品经过半年的蠕变试验后显示，竖向应力为250、350、450、550 kPa的各个试样均达到了破坏.图1～4为本研究蠕变试验的滑带土蠕变的剪应力—剪应变等时曲线.

图1σ=250 kPa时剪应力—剪应变关系曲线

图2σ=350 kPa时剪应力—剪应变关系曲线

1.1.2蠕变试验分析.

1)竖向应力一定的情况下，滑带土的蠕变变形量会随着剪应力水平的增大而增加. 同样的剪切应力水平下，应变会随着竖向应力的增大而减小.

图3σ=450 kPa时剪应力—剪应变关系曲线

图4σ=550 kPa时剪应力—剪应变关系曲线

2)通过试验可知，美姑河拉马古滑坡局部复活滑坡滑带土在应力水平低的时候表现出衰减特性，而在高应力水平的时候表现出加速特性，总体表现为明显的非线性流动特征.

3)滑带土的直接剪切蠕变表现为明显的3个阶段，即衰减阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段.若滑带土出现了加速蠕变的现象，再继续增大剪切应力，则滑带土便会迅速破坏.

4)滑带土的等时曲线随着时间的增加而向应变轴靠近；剪应力增加，等时曲线同样会向应变轴靠近.即，滑带土的蠕变特性随着时间和应力的增加而变得越来越明显.

1.2模型的确定

直剪蠕变经验模型是利用统计的方法对试验数据进行整理，从而求出滑带土直剪蠕变的本构模型的一种方法[9-10].其幂次关系形式为，

(1)

式中，A为剪切模量，Pa；m为硬化系数.

τ—ε等时关系曲线的相似条件可以表示为剪切应力τ与时间函数Ψ(t)的乘积的形式，即，

φ(ε)=τΨ(t)

(2)

而ε—t蠕变关系曲线则可以表示为剪切应力的函数f(τ)与时间的函数φ(t)的乘积的形式，即，

ε=f(τ)φ(t)

(3)

在此，本研究引入一个时间函数K(t)，

(4)

则式(2)中的时间函数Ψ(t)可表示为，

(5)

(6)

若研究恒定的剪切应力下剪切变形随时间的变化规律，可以采取式(2)描述的相似条件下等时曲线的形式或者采取式(3)描述的相似条件下蠕变曲线形式.

然而实际工程中，等时曲线与蠕变曲线在大多数情况下都不是真正的相似，而仅仅是在某些特定的情况下才会重合.为了解决这个问题，从而更加准确地反映蠕变规律，得到统一形式的滑带土直剪蠕变经验模型，则必须根据蠕变曲线得到函数φ(t)或Ψ(t).

为建立符合式(1)幂次关系的蠕变方程，将式(1)和式(3)～(6)代入式(2)，得到，

(7)

(8)

式中，δ为无因次量，0≤α≤1，0<β≤1(α≠β)，0

(9)

目前，常用的试验曲线处理方法为曲线拉直法，即通过一定的方法改变坐标从而使曲线变为直线，进而将非线性关系的曲线变为线性关系，从而达到简便处理试验曲线的目的.

为此，可以设非线性曲线函数为，

y=f(x)

(10)

为了将曲线拉直，可以设2个新变量函数X、Y，使其满足下列条件，

Y=BX+D

(11)

式中，X=φ1(x,y)，Y=φ2(x,y).

若考虑误差分布的规律，则可以通过下式求出B、D这2个参数.

(12)

(13)

两式联立可得，

(14)

(15)

对于结果的可信程度，可以用相关性系数来描述，即，

(16)

当r>0.8时，相关性较好，结果可信；r<0.8时，相关性较差，结果不可信.

至此，得到了式(16)需要的全部参数，同时也是式(15)需要的全部参数.根据式(15)，得到各级竖向应力下的蠕变方程：

1)σ=250kPa时，

(17)

2)σ=350kPa时，

(18)

3)σ=450kPa时，

(19)

4)σ=550kPa时，

(20)

式中，剪切应力τ单位为kPa，时间t单位为h.

1.3长期方程的建立及长期强度极限值的确定

设,X=ln(tp+1),Y=ln(τ)，B=α,D=-αlnT′，可以得到，

lnτ=αln(tp+1)-αlnT′

(21)

由式(21)可知，只要能够确定各级剪切应力下的剪切破坏时间tp，便可以得到参数α和T′.

通常，剪切破坏时间tp可由下式得到，

(22)

根据试验结果，土样一般在应变为10%左右破坏，所以设式(22)中的，

ε=10%

(23)

据此，可以利用式(22)来确定各级剪切应力τ的破坏时间.由破坏时间确定的各级剪切应力水平下的蠕变破坏时间，可得到对应的X=ln(tp+1),Y=ln(τ)值，进而绘出以Y-X为坐标系的ln(τ)-ln(tp+1)关系曲线图，其斜率为B=α，截距为D=-αlnT′.由此，得到建立滑带土的长期强度方程需要的各项参数，如表1所示.

表1　长期强度参数统计表

由此得到：

1)当σ=250kPa，滑带土的长期强度方程为，

(24)

2)当σ=350kPa，滑带土的长期强度方程为，

(25)

3)当σ=450kPa，滑带土的长期强度方程为，

(26)

4)当σ=550kPa，滑带土的长期强度方程为，

(27)

运用上述方程，可以得到任意破坏时间的滑带土的破坏强度.

有研究证实，τ∞的选择可以在某个时刻之后的强度降低值在工程有效期100年内不超过3%.那么，这个时刻之后抗剪强度的降低对工程的影响将会很小[7].因此，利用此结论可得到滑带土长期强度极限以及所需的时间，

各级剪切应力下达到长期强度的时间大约在50a左右，所以在本次工程应用中，可以确定t=50a时的抗剪强度作为滑带土的长期强度极限，如表2所示.

表2　长期强度极限值的综合确定结果

2边坡蠕变变形分析

本研究采用四川美姑河水电开发有限公司营地及220 kV联合开关站滑坡治理工程1-1’纵剖面为原始模型，模型总长799.32m，分为3层：从上往下第一层为滑体，中间为滑带(取1 m深)，最下层为滑床，具体如图5所示.

图5边坡蠕变变形分析模型示意图

根据蠕变试验结论和一般的物理力学试验获取参数值，计算参数取值如表3所示.

表3　计算参数取值

FLAC数值模拟分别对边坡的最大主应力、最小主应力、剪切应变和位移进行了模拟，如图6～9所示.

模拟结果表明：边坡的最大主应力在坡表一定深度内表现为拉应力，最大值为9.5269*e4N/m2.随着深度的继续增加，表现为压应力，其最大值为5.1775*e5N/m2.边坡的最小主应力在坡表一定深度内表现为拉应力，最大值为2.4164*e4N/m2.随着深度的继续增加，表现为压应力，其最大值为2.7093*e6N/m2.剪切应变增量在边坡坡表处最大，其值为2.5419*e4.位移在坡表处达到最大值，且随着深度的增加位移减小.

图6饱水边坡最大主应力

图7饱水边坡最小主应力

图8饱水边坡剪切应变增量

图9饱水边坡位移

3结语

本研究采用分级加载的试验方法，对美姑河拉马古滑坡局部复活滑坡的滑带土进行了不同竖向应力下的直剪蠕变试验，并采用Boltzmann线性叠加原理，对试验数据进行处理，得到了分别加载形式的滑带土剪应变—时间蠕变曲线.在蠕变曲线的基础上，本研究得到了拉马古滑坡局部复活滑坡滑带土的剪应力—剪应变等时曲线.在蠕变模型的基础上，结合土体的长期破坏准则，本研究建立了能够较好地描述局部复活滑坡滑带土特点的幂次关系长期强度方程.考虑地下水位变化与建筑(构筑)物加载以及滑带土的蠕变等因素，对复活滑坡进行了稳定性动态分析.

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Experimental Study on Creep Characteristics of Slip Soil

LIAOHengyun,WANGWei,GAOYang

(College of Environment and Civil Engineering ,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Abstract:Based on field investigation and physical mechanics experiment and taking the partial reactivated landslide of Lama ancient landslide by the Meigu River as a project case,this paper does experiment on the creep properties of slip soil of the landslide by multi-stage loading.The trial curve obtained by using Boltzmann principle of linear superposition is changed into staged loading.Based on this,the isochronous curve of the slip soil is obtained.Then,by analyzing and processing the creep curve and the isochronous curve decided by the experiment,this paper establishes the empirical model of power relationship of the reactivated landslide of Lama ancient landslide.Meanwhile,combined with the long-term failure criterion,the long-term strength equation of the power relationship of the slip soil of the landslide is obtained. Finally,the paper forecasts the trend of the slope’s deformation through analysis of the slope deformation by FLAC.

Key words:slip band soil;creep test;long term strength;deformation analysis

中图分类号：TU411；P642.22

文献标志码：A

作者简介：廖珩云(1991 — )， 男， 硕士研究生， 从事岩土体稳定性与边坡结构研究.

收稿日期：2016-01-12.

文章编号：1004-5422(2016)01-0090-05