滑带土蠕变过程及微观结构演化分析

周静静，赵法锁，袁湘秦，祝艳波，宋 飞

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.陕西工程勘察研究院有限公司，陕西 西安 710068)

土体微观结构与其宏观力学性质密切相关，滑坡滑带土的蠕变特性直接控制了滑坡的运动特征。近年来已经有很多学者对滑带土的蠕变特性及土体微观结构开展了大量的研究工作。汪斌等[1]基于室内流变试验研究了黄土坡滑坡滑带土的蠕变特性及长期强度，并建立了蠕变模型；蒋秀姿等[2-3]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[4]选取了11个不同类型的滑坡，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；孙淼军等[5]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；Chun Li等[6]研究了三峡库区滑坡原状及重塑剪切带土样的蠕变特性以及斜坡岩体在长期重力作用下的蠕变特征；杨爱武等[7-9]对吹填软土开展蠕变试验，研究了蠕变过程中微观结构的变化特征；李军霞等[10]研究了软土在不同排水条件下的蠕变特性及微观孔隙的变化规律，揭示了软土蠕变变形的微观机制；谢婉丽等[11]开展了不同含水量下黄土宏观力学特性与微观结构的试验，研究了水对黄土的应力应变响应规律和试验前后剪裂面上微观结构的变化特征；Xing Xie等[12]研究了西安地区黄土状土在三轴蠕变试验过程中微观结构演化特征；侯超群等[13]基于IPP图像处理软件对膨胀土的微观结构进行了定量化的研究，分析了不同浸水时间下膨胀土中各类颗粒和孔隙占比的演变趋势；齐笛[14]、吴博等[15]研究了延安地区黄土基岩接触面滑坡滑带土的力学特性与微观结构间的关系。以上学者对岩土体的蠕变特性或者微观结构的研究已经有很多成果，但很少考虑滑坡滑带土受“时间”对其变形规律的影响，特别是滑坡在蠕滑过程中，因时间效应滑带土微观结构孔隙的长期变形规律及演化特征研究成果还较少，目前尚未有深刻认识，以往对于土体蠕变微观结构的研究多是对比破坏前后的微观结构得到的[10]，并没有考虑时间效应对蠕变过程的影响。

因此，研究滑坡滑带土的蠕变特性以及其受时间效应影响在蠕变过程中微观结构的变化，对进一步认识滑坡的形成演化机理有重要意义。本文以延安市二庄科北区滑坡滑带土为研究对象，开展400 kPa正应力荷载下的直剪蠕变试验，并对蠕变过程中不同阶段分别取样进行电镜扫描，定量化研究微观孔隙在蠕变过程中的演化特征。

1 材料及试验方案

1.1 实验材料

本次试验中的土样取自延安市宝塔区二庄科北区滑坡的滑带土。该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。该滑带土的基本物理性质指标如表1所示。

表1 滑带土基本物理性质指标

1.2 试验方案

滑带土样取回后，采用内径为61.8 mm、高为20 mm的标准环刀制取试样，并用真空饱和缸进行抽气饱和。饱和滑带土经固结快剪试验测得的力学参数结果如表2所示。

表2 饱和土样抗剪强度及其指标

直剪蠕变试验采用ZLB-1型三联直剪蠕变仪，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。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。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。根据试验情况并借鉴前人经验[13]，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。本次主要在400 kPa正应力荷载下进行多组蠕变平行试验，在试验的不同蠕变阶段停止试验。试验方案如表3所示。

表3 直剪蠕变试验中的剪应力加载方案

试验结束位置如图1所示，图中曲线为直剪蠕变试验的全过程曲线，曲线上的三角形处为平行样试验结束点，即电镜扫面试验的取样点。

图1 蠕变试验结束点示意图

在每个试样试验结束后，从剪切盒内完整取出试样风干，然后在试样剪出的边缘位置处用小刀和锯条将其制成长宽均约为1 cm的柱状，在柱状试样周围根据剪出面的位置确定剪切面，用小刀在剪切面位置刻出凹槽，沿着凹槽掰开后露出新鲜的剪切面并进行喷金，制作电镜扫描试样。本次试验采用FEI-Q454的环境扫描电子显微镜。SEM图片的定量分析采用图像处理软件Image Pro Plus进行。

2 蠕变结果分析

整理试验得到的全过程蠕变数据，根据玻尔兹曼线性叠加原理对数据进行处理得到滑带土在400 kPa正应力荷载下的剪切位移-时间曲线(图2)。剪切蠕变试验的等时应力-应变曲线如图3所示。

图2 400 kPa正应力下饱和滑带土样剪切位移-时间关系曲线

图3 400 kPa正应力下饱和土样等时应力-应变曲线

由图2可见，整个试验过程中，可以明显看到土样在每级剪应力加载下的蠕变特性，每一级加载均呈现出衰减蠕变和稳态蠕变阶段，在最后一级剪应力加载后迅速出现破坏。

由图3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。

图4为饱和土样剪应变率-时间曲线。由图4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。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加剧作用。

3 微观结构结果分析

本文选取放大倍数为4 000倍、标尺大小为50 μm的SEM图片进行研究分析。蠕变试样的SEM照片如图5所示。应用IPP6.0软件对滑带土的微结构SEM图像进行分析，提取微观参数。选取描述孔隙大小和形状的5个结构参数(孔隙直径、孔隙数目、丰度、圆形度和孔隙形状复杂度)和2个描述孔隙分布特征的参数(定向频率和定向概率熵)来定量化研究试样的微观结构。

图5 不同蠕变阶段试样的SEM照片

由电镜扫描的SEM照片中可以看出，原状土样为非均质体，以骨架、絮凝状结构为主，土颗粒间多以点接触为主，颗粒松散、不稳定，颗粒间孔隙发育。这些孔隙的存在为土样在蠕变过程中微观结构的调整提供了空间。随着蠕变过程的发展，在土样蠕变破坏前，微观结构内部调整变得相对紧凑，微结构形式从弱胶结向镶嵌式微结构过渡。随着剪应力的增大，土样最终发生蠕变破坏。

3.1 孔隙大小及数目分析

本文依据雷祥义[16]利用压汞法获取的黄土孔隙分类标准(孔径大于32 μm为大孔隙；孔径为32～8 μm为中孔隙；孔径为8～2 μm为小孔隙；孔径小于2 μm的为微孔隙)对直剪蠕变试验土样SEM图片中的孔隙进行分类并统计数量。孔隙大小及数目变化如图6所示。由图6可见，在蠕变不同阶段的微观结构中，微孔隙均最多，占到孔隙数目的 80% 以上，且随着孔径的增大，孔隙数目下降，中、大孔隙极少。通过对直剪蠕变试验不同阶段的SEM图像分析可见，蠕变过程中孔隙大小及数目均在不断变化。在剪应力较小时的衰减蠕变阶段，土样中土颗粒发生移动调整位置，土颗粒之间的靠拢、滑移、镶嵌使得孔隙大小及孔隙数在不断减小。当孔隙不再减小时，土样内部结构变化停止，该过程中土样的应变率逐渐减小为零，变形量也逐渐保持不变。随着剪应力的增大，上述蠕变过程再次出现直至再次到稳态蠕变阶段，逐渐开始脱离原来的位置重新定位，导致土样内部应力的重新分布。直到试样破坏前，不同类型的孔隙数目均在逐渐减少。随着蠕变过程的发展，多次变形破坏了原有的平衡，剪应力进一步增大，在短时间内很难重新建立新的平衡，试样发生迅速破坏，孔隙数目相比破坏前急剧增加。

图6 孔隙数目柱状图

3.2 孔隙的丰度及圆形度分析

为了研究孔隙形态的变化，文中选用了丰度和圆形度参数对其进行分析。丰度反映孔隙的狭长程度，丰度值的范围在0～1之间，且丰度值越小，孔隙越接近长条形。圆形度反映孔隙接近圆形的程度，即圆形度值越接近于1，孔隙越接近圆形。孔隙的丰度分布柱状图如图7所示。孔隙平均圆形度结果如表4所示。

图7 孔隙丰度分布柱状图

由图7可见，丰度值的分布柱状图均呈现出正态分布规律，主要分布在0.2～0.8之间。随着土样蠕变过程的发展，丰度值在0.5之前在区间内的占比呈现出增大的趋势，在0.5之后在区间内的占比呈现出减小的趋势。说明在蠕变过程中，孔隙的丰度值占比在向区间值较小的一侧转移，即形状趋向于长条形的孔隙增多，趋向于圆形的孔隙数减少。该规律在土样破坏时被打乱。

根据平均圆形度的数据(表4)分析可见，滑带土在直剪蠕变过程中孔隙的平均圆形度值均大于1，且变化规律为先增大后减小。即土样孔隙在蠕变过程中，圆形度越来越差，破坏后圆形度值有所下降，但下降幅度不大。该规律与丰度的分析结果基本一致。

表4 孔隙平均圆形度、平均形状复杂度及定向概率熵统计

3.3 孔隙形状复杂度分析

孔隙形状复杂度是一个衡量土样在蠕变过程中孔隙形状规则程度的重要参数。形状复杂度越大，说明孔隙的周长越大，则形状的复杂程度越高。在土样的蠕变试验中，土颗粒受到力的长时间连续作用发生相互挤压和靠拢，使得孔隙形状大小发生变化，平均形状复杂度呈减小的趋势(表4)。也就是说，土样孔隙在蠕变过程中，形状更趋向于简单化，轮廓也更光滑。

3.4 孔隙的定向性分析

本文在研究孔隙的定向性时选用定向频率和定向概率熵两个参数进行分析。定向频率可以描述孔隙在某个方向上的分布强度，蠕变土样的孔隙定向频率分布见图8(其中横坐标“定向角度”为微观孔隙长轴方向与SEM照片水平向右方向的夹角，由Image Pro Plus软件对SEM照片进行分析统计得到)。定向概率熵可以反映土样中孔隙的定向程度，定向概率熵的值越大，则对应的孔隙越混乱，反之则越有序。蠕变土样的孔隙定向概率熵结果见表4。

图8 孔隙定向频率分布

由图8可以得到土样在不同蠕变阶段的孔隙定向频率的变化。从定向频率的分布情况来看，孔隙排列在蠕变破坏前阶段的定向性最为明显。这是由于土样在经历衰减蠕变和稳态蠕变过程时，土颗粒在剪应力的作用下发生了重新排列，从而使土样中孔隙的定向性在破坏前达到最优。在土样蠕变破坏的瞬间，土样内部结构发生破坏，土颗粒之前的排列重新被打乱，定向性下降。

由表4中可以看出，孔隙的定向概率熵值变化不大，在蠕变破坏前，定向概率熵值有轻微的下降，破坏后，定向概率熵值增大。相对来说，土样中孔隙的有序性在蠕变破坏前最好，破坏后孔隙的定向程度也随着土结构的破坏有一定的下降，孔隙相比破坏前变得混乱。

4 结论

(1)滑带土样具有明显蠕变特性，在每一级加载的剪应力水平下的蠕变变形包括衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段；在衰减蠕变阶段，剪应变率随时间逐渐减小并最终趋于某一稳定值，进入稳态蠕变阶段；当剪应力水平增大到一定值时，滑带土样进入加速蠕变破坏阶段，迅速发生破坏。

(2)滑带土样在蠕变过程中发生以下变化：原状土样颗粒松散、不稳定，颗粒间以点接触为主，颗粒间孔隙发育。在衰减蠕变阶段，土颗粒发生调整，孔隙大小及孔隙数不断减小；在稳态蠕变过程中土颗粒重新定位排列，孔隙定向性增强，在蠕变破坏前定向排列最为显著；蠕变破坏后，土结构定向性减弱，孔隙数急剧增加。

(3)在土样蠕变破坏前，随着蠕变过程的发展，孔隙圆形度越来越差，形状趋向于长条形的孔隙数增多，趋向于圆形的孔隙数减少；孔隙的平均形状复杂度呈减小趋势，轮廓也更光滑。