低速缓动滑坡滑带土剪切蠕变特性

周静静，赵法锁，祝艳波，吴 博，陈 沛，宋 飞，杨一帆

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学高新学院，陕西 西安 710109)

0 引言

自然界中的滑坡，按启动加速度的大小可划分为剧动式与缓动式；按滑移速度的大小可划分为低速、中速和高速滑坡[1]。在黄土高原地区，低速缓动滑坡一般多是黄土基岩接触面滑坡，该类滑坡滑速慢、活动强度低，因人员撤离时间充裕一般不易造成人员伤亡，但由于滑坡规模大且危害时间长，滑坡体上建筑物开裂甚至倾倒灾害难免，坡体上一些工程活动不得不被迫停止，经济损失大[2]。低速缓动滑坡从滑带土的初始变形到滑动面的贯通需要持续很长时间，在该过程中滑带土在剪应力作用下变形随时间调整的特性—蠕变特性，控制了滑坡的运动特征。因此研究滑带土的剪切蠕变特性，是分析滑坡变形破坏及演化机制的基础。

针对新生滑坡和复活型滑坡，蒋秀姿等[3-4]研究了滑带土在峰前和残余状态下的蠕变行为,揭示了滑带土内部结构对蠕变行为的控制作用；龙建辉等[5]选取了11个不同类型的滑坡，对其滑带土取样进行室内试验，研究了边坡失稳时间预测与滑带土的蠕变特性之间的联系；杨爱武等[6]对吹填软土的原状及重塑样在固结不排水条件下进行了三轴蠕变试验以及微观结构测试，揭示了不同蠕变状态条件下原状吹填土及重塑样微观结构的变化规律；王来贵等[7]研究了岩石的蠕变特性，并对岩石工程的时间效应进行了理论分析，揭示了岩石第三阶段蠕变失稳的机理和规律；孙淼军等[8]通过大尺寸三轴蠕变试验，对蠕动型滑坡滑带土在不同围压和应力水平下的蠕变规律进行了研究；LI C[9]、范意民等[10]研究了三峡库区滑坡原状及重塑剪切带的蠕变特性以及斜坡岩体在长期重力作用下的蠕变特征。但对低速缓动滑坡滑带土饱水状态下的蠕变特性及剪切应变速率的研究，成果还较少。因此，开展低速缓动滑坡滑带土蠕变过程变形及剪应变率变化等特性的深入研究，对于认识低速缓动滑坡的形成、演化等具有重要的理论意义。

本文以延安市宝塔区二庄科北区滑坡为研究对象，基于滑带土饱和样不同正应力荷载下的直剪蠕变试验结果，分析了滑带土在不同正应力荷载下各剪应力阶段位移变化规律以及应变速率、长期强度等特性。

1 滑坡实例

1.1 滑坡实例概况

二庄科北区滑坡位于陕西省延安市宝塔区二庄科支沟北侧，滑坡体前缘由于人工开挖形成四级平台。高程1 039～1 089 m，相对高差50 m。该滑坡位于黄土斜坡上，东西两边有冲沟为界线，平面呈簸箕状。滑坡宽约282 m，长约119 m，厚度在25 m左右，体积约7.0×105m3，平均滑向约220°，为一中型黄土基岩接触类滑坡。滑动面在滑坡后部切穿第四系黄土，中前部沿红黏土与基岩不整合接触面发育，小角度倾向滑坡前缘。滑带土为红黏土底部，接触基岩层由于透水性差致其处于饱和状态，滑坡体目前处于蠕动变形阶段。滑坡全貌图见图1。

该滑坡启动征兆极不明显，于2018年11月被发现有滑动迹象，滑坡后缘出现明显裂缝，与原有坡面发生错动，前缘剪出口明显。由现场监测数据得知5个月中滑坡滑动变形1.52 m，滑动速率约为0.01 m/d。根据WP/WLI在1994年提出的关于滑坡速度的分类标准[11]以及胡广韬对低速缓动滑坡的定义[1]可知，该滑坡为一典型低速缓动滑坡。

1.2 取样及物理性质参数测定

本次试验中的土体取自滑坡前缘剪出口，即红黏土与基岩接触面(图1)。表1为滑带土基本物理参数测试结果。

表1 滑带土基本物理性质指标Table 1 Basic physical property indexes of sliding-zone soil

2 试验设备、试样与试验方案

2.1 试验设备

试验仪器采用的是ZLB-1型的三联直剪蠕变仪，该仪器具有应力和应变两种控制模式，且可对试样同时施加水平剪切荷载和竖向压缩荷载。内置位移传感器测量精度为0.001 mm。测控系统由数字伺服控制器、传感器和计算机组成，能够实时采集和显示测试数据。在试验过程中，可以准确记录应力、应变数据。

2.2 试样

试样采用内径为61.8 mm，高为20 mm的标准环刀制取，真空饱和缸抽气饱和。试样共设计4组，每组2个平行样。当两个试样实验结果相差过大时，取第3个试样进行第三次试验。

2.3 试验方案

2.3.1饱和滑带土力学参数测试

表2为饱和滑带土力学参数测试结果。

表2 饱和土样抗剪强度及其指标Table 2 Shear strength and index of saturated samples

2.3.2直剪蠕变试验

直剪蠕变试验采用多级加载法进行，整个蠕变过程根据直剪试验中取得的最大剪应力分5级加载，加载方案见表3。当上一级蠕变变形量达到稳定(一般认为10 000 s内，变形量小于0.01 mm可视为稳定)后再施加下一级荷载，当土样出现快速破坏后，试验结束。本文根据试验情况并借鉴前人经验[12]，设定每级剪应力加载时间为720 min。为避免环境干扰，实验过程中保持室内恒温恒湿。

表3 直剪蠕变试验中的剪应力加载方案Table 3 Shear stress loading scheme in shear creep test

3 试验结果与分析

3.1 蠕变

图2为100 kPa正应力作用下的滑带土蠕变曲线，图3为对蠕变数据处理得到的不同正应力下饱和滑带土样剪切位移—时间关系曲线。

图2 100 kPa正应力下的直剪蠕变试验全过程曲线Fig.2 Whole process curve of shear creep test at normal stress of 100 kPa

图3 不同正应力下饱和滑带土样剪切位移—时间关系曲线图Fig.3 Curves of shear displacement-time of saturated sliding-zone soil samples under different normal stress

图3中可见，土样在每级剪应力加载下的蠕变变形过程，均呈现出瞬时变形、衰减蠕变、稳态蠕变3个阶段。

瞬时变形阶段，在每一级剪应力施加的瞬时，试样均会出现一定量的变形，且变形量与施加的剪应力大小呈正相关(图4)。瞬时变形的产生是由于在施加荷载瞬间，土体孔隙中的部分水被挤压排出，出现较多孔隙，同时土颗粒承受荷载在短时间内增加，使颗粒发生弹性变形且颗粒间的相对位置调整使孔隙很快被土颗粒填充所造成的，且剪应力越大，瞬时变形也就越大。

衰减变形阶段即初始蠕变阶段，蠕变速率逐渐减小，且在剪应力相对比较小的时候，蠕变变形不是很明显，但随着剪应力越来越大，蠕变变形显著增大，且蠕变持续时间也越来越长，即变形稳定需要越来越长的时间(图5和图6)。这是由土颗粒在外力作用下发生旋转和移动引起土体变形，土颗粒之间在不断地调整过程中，以至最终平衡外力达到稳定。该过程随着外力的增大需要更久的时间去调整，说明衰减蠕变阶段的变形量及时间均与施加的剪应力水平相关。当速率减小到一定值时出现稳态蠕变阶段，变形较小，持续时间长。在每个试验的最后一级加载过程中，由于剪应力增大到一定值，滑带土样发生了破坏，持续时间很短，使相应的蠕变曲线斜率瞬间增大。

图4 不同加载阶段中瞬时变形量变化图Fig.4 Variation of instantaneous deformation in different loading stages

图5 不同加载阶段中衰减变形量变化图Fig.5 Variation of attenuation deformation in different loading stages

图6 不同加载阶段中衰减变形时间变化图Fig.6 Variation of attenuation deformation time in different loading stages

3.2 等时应力-应变曲线

图7为不同正应力下饱和滑带土样的剪切蠕变试验的等时应力—应变曲线。

图7 不同正应力下饱和土样等时应力—应变曲线图Fig.7 Isochronous stress-strain curves of saturated samples with different normal stress

由图7可知，滑带土试样在直剪蠕变过程中剪应力—应变曲线呈现出非线性特征，剪应变随剪应力的增大而增大，且该趋势随着剪应力增大更加显著，曲线具有明显可见的拐点，拐点后曲线的斜率显著增大，意味着滑带土样在蠕变过程中由于时间的劣化效应发生了塑性破坏。

3.3 滑带土长期强度

表4是根据等时应力—应变曲线、利用曲线中拐点对应的剪应力值，确定滑带土样在不同正应力下蠕变试验的长期强度。图8是剪切强度的包络线图。

表4 饱和滑带土样长期强度Table 4 Long-term strength of the saturated sliding-zone soil sample

图8 滑带土剪切强度包络线图Fig.8 Envelope of shear strength of sliding zone soil

图8中可见，滑带土样的长期强度和峰值强度相比有大幅度的下降，说明滑带土在长期荷载作用下，土颗粒会调整位置，从而使颗粒间的咬合作用慢慢弱化致其强度会有明显降低；图8中同样可见，随着正应力增大，长期强度呈增大趋势。同时，可以发现正应力越大，强度损失也越大。这是由于饱和土样在相同剪应力条件下，正应力越大，衰减变形阶段的时长越短，排水条件越差，则土样的强度损失越大。

在低速缓动滑坡滑动过程中，排水条件从变形破坏时基岩接触面的不透水到滑坡滑动面贯通、前缘剪出口排水的转变致使滑坡的强度损失减小。

3.4 剪应变率

图9是各级正应力条件下饱和土样剪应变率—时间曲线图。

图9 各级正应力下饱和土样剪应变率—时间曲线图Fig.9 Time series of shear strain rates of saturated samples at different normal stress

图9中可见，随着施加剪应力荷载时间的延续，土样的剪应变率均逐渐减小并最终趋于某一稳定值，表明土样的衰减蠕变阶段结束，进入稳态蠕变阶段。在不同垂直荷载作用件下的衰减蠕变阶段，可以看到，剪应变率随着剪应力增大而增大，说明在衰减变形阶段的剪应力对蠕变速率有促进作用。

图10是滑带土样蠕变破坏前的最后一级剪应力加载阶段在不同正应力水平下的剪应变率随时间的变化曲线。

图10 不同正应力下饱和土样剪应变率—时间曲线图Fig.10 Time series of shear strain rates of saturated samples with different normal stress

由图10中可见，正应力越大，饱和样在蠕变试验过程中的剪应变率反而越低，表明低速缓动滑坡的滑带土在埋深越深的情况下，即滑坡体越厚，滑带土的蠕动速率(滑坡的滑速)越慢。

4 结论

(1)低速缓动滑坡滑带土样在每一级加载的剪应力水平下的蠕变变形包括瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段；随剪应力水平增大，衰减蠕变和瞬时变形阶段的变形量均增大，衰减蠕变持续时间更长；当蠕变剪切速率降低到一定值时，滑带土样由衰减蠕变进入稳态蠕变；当剪应力水平增大到一定值时，滑带土样发生破坏。

(2)当剪应力值大于拐点强度时，剪应变增大速率明显提高；饱和滑带土样在长期荷载作用后发生强度损失，且强度损失程度随正应力增大而增大，即长期强度和峰值强度相比大幅度下降。

(3)在衰减变形阶段，一定剪应力荷载条件下，随时间的推移，剪应变率逐步减小并最终趋于某一稳定值，进入稳态蠕变阶段；剪应变率随着剪应力水平的增大而增大；在蠕变破坏前阶段，正应力水平越大，剪应变率越小，即滑坡的蠕滑速率越低。