吸力可控条件下的北方红黏土蠕变特性*

孙萍萍 张茂省 谷天峰 刘蒙蒙 党心悦 赵云峰

(①西北大学地质系，大陆动力学国家重点实验室，西安 710069，中国) (②中国地质调查局西安地质调查中心，自然资源部黄土地质灾害重点实验室，西安 710054，中国)

0 引 言

红黏土在我国的南、北方都有分布，但从形成时代、成因、物质组成、工程特性等方面都存在差异(赵云峰，2017)。本文研究的北方红黏土，是在黄土高原地区广泛沉积于古近纪、新近纪的一套红色土状沉积物，因其通常含较多的三趾马化石，又被称之为三趾马红土(Ding et al.，1999)。北方红黏土不连续下伏于黄土之下，沉积厚度不等，从数米到上百米均可见，岩性以黏土为主，夹杂砂或砂砾岩。

与第四纪沉积物相比，北方红黏土具有土质致密、坚硬且隔水性好、塑性强、压缩性较低的特点，当含水量较低时，其力学强度较高，呈半成岩的特点，具有一定的泥岩力学特性，含水量升高后强度降低，且具有一定的膨胀性(杨庆等，2003)，是典型的易滑地层之一(张茂省等，2011；Li et al.，2015；Shi et al.，2018)。黄土-红黏土型滑坡在北方的黄土高原地区分布广泛，规模以巨型、特大型到中型为主。仅以陕西蓝田的白鹿原为例，在长20km的黄土塬边，就发育了大中型黄土-红黏土滑坡93处(彭建兵等，1992)。

关于黄土高原地区红黏土致滑机理的研究前人已开展了大量工作(雷祥义等，1991)。但这些研究多将红黏土视为弱透水层，探讨在其附近形成相对饱水带而产生滑动的过程(穆文平等，2016)。关于红黏土工程特性的研究，则多集中于不同沉积环境、气候及人类活动扰动条件下的物理力学性质的变化(张永双等，2002；陈学军等，2018；陈鸿宾等，2019)，也有少量研究关注其非饱和抗剪强度和微观结构(周远忠等，2012；傅鑫晖等，2013；郭敬林等，2016)。然而，大量实例表明，红黏土对斜坡稳定性具有较强的控制作用，且红黏土遇水后的强度降低、变形增大并不是立即发生，往往需要一个时间过程(曲永新等，1999；Deng et al.，2016；Leng et al.，2018；Luo et al.，2019)。因此开展红黏土的蠕变特性研究，对于区分滑坡的蠕动变形与整体滑动阶段具有重要作用，是黄土高原地区黄土-红黏土型滑坡预报的关键(宋克强等，1994)

图 1 红黏土出露及采样位置示意图Fig. 1 Schematic for locations of red clay exposure and sampling

图 2 采样位置工程地质剖面图Fig. 2 Geological cross-section of the sampling site1. 上更新统黄土；2. 中更新统黄土；3. 下更新统黄土；4. 钙质结核；5. 泥岩；6. 砂砾岩

关于黏性土蠕变特性的研究，早期多采用模型或理论预测(Drucker et al.，1957; Keedwell，1984)，随着测试技术的发展，逐渐转变为以试验测试为主，我国红黏土蠕变特性的研究对象多集中于南方的红黏土(Liu et al.，2016；周翠英等，2020)。徐运龙(2018)、张瑶丹等(2019)、陈昌富等(2019)分别针对云南、贵阳和湖南的红黏土蠕变特性开展了试验研究。Li et al.(2018)针对湖南红黏土开展了低应力水平下的非饱和红黏土蠕变特性试验，并对其耦合模型进行了探讨。然而，北方红黏土由于其上覆厚层黄土而较少地被关注。位于我国北方的陕西蓝田县，其区内红黏土分布广泛具典型性，1966年的“陕西蓝田新生界现场会议”就在此召开，且黄土-红黏土滑坡在黄土塬边密集发育。本文以陕西蓝田境内的红黏土为研究对象，将红黏土的饱水状态引入其长期强度特性的研究当中，在室内开展了吸力可控条件下的红黏土三轴蠕变试验，基于测试结果分析了不同净围压、吸力等条件下的非饱和红黏土蠕变特征，以期为滑坡的机理研究与预测提供一套符合实际又富有新意的试验数据。

1 样品采集与测试

1.1 试验土样

研究区位于陕西蓝田，地处黄土高原的最南端，区内红黏土广泛出露于白鹿原塬边和黄土丘陵地带。其中，位于灞河左侧的白鹿原，其黄土塬边地带滑坡密集发育且呈带状分布，滑坡新老重叠，相互连接，滑坡连续分布长度占到了塬边斜坡总长度的90%以上(图 1)。这些滑坡都分布于红黏土出露的斜坡，剪出口多位于红黏土与灞河组砂岩的接触面(王洋等，2007)。以白鹿原塬边红黏土出露典型的满家坡斜坡为例，开展了红黏土的原状样品采集，

表 1 试验土样的物理性质指标Table1 Physical properties of tested soil

湿密度ρ/g·cm-3含水率w/%干密度ρd/g·cm-3孔隙比e比重G液限WL/%塑限WP/%饱和渗透系数Ksat/cm·s-11.97316.471.6940.612.7146.1719.952.07E-6

样品采集深度为5m(图 2)。室内开展了平行试验，对其基本物理性质进行测试，测试结果取均值后列于表 1。

1.2 蠕变试验

1.2.1 试验仪器

1.2.2 试验方案

本次开展的非饱和三轴蠕变试验，主要是研究净围压σ3-ua和吸力ua-uw对红黏土蠕变特性的影响，其中的关键步骤包括吸力控制、固结和施加偏应力等。

(1)吸力控制。依托自然资源部黄土地质灾害重点实验室的TRIM(Transient Release and Imbibition Method，以下简称TRIM)试验测试仪(孙萍萍等，2019)，测定并获取了研究区典型红黏土在脱湿和增湿条件下的土-水特征曲线和渗透系数函数曲线(图 3)。研究区红黏土含水率在11.4%～22.3%之间，对应吸力值为0～170kPa，因此试验过程中的吸力分别控制为0，100kPa和200kPa。首先通过风干或注水将试样含水率调整为接近预设吸力(吸湿曲线)，然后安装样品，再调整孔隙气压力(0，100kPa和200kPa)并维持孔隙水压力为0，以达到平衡吸力的目的。吸力平衡过程中，需要每天测量吸力(关闭排水阀，测量孔压)，以判断是否平衡，此过程需要2～4周。

图 3 红黏土的土-水特征曲线Fig. 3 Soil-water characteristic curve for red clay

(2)固结。当样品的吸力保持恒定后，对其进行等向固结。施加的固结压力为净围压加上孔隙气压。考虑到研究区红黏土上覆黄土层的厚度，试验的净围压取值分别为100kPa、200kPa和300kPa。

(3)施加偏应力。一般而言，室内蠕变试验的加载方式有多试样分别加载和单试样分级加载两种。其中，多试样分别加载作为一种理想的试验方法，因很难获取多组性质均一的样品，而较少被采用。单试样分级加载中，上一级荷载会对下一级荷载的变形产生一定影响，但该方法可以节省试验所需样品，同时也可减少因样品性质不均一而造成的试验数据离散性，因而在蠕变试验中被广泛使用(赖小玲等，2012；胡新丽等，2014；Xie et al.，2018)。本次试验采用的也是单试样分级加载方法，在试验开始前，通过原状红黏土的三轴试验，获得红黏土的抗剪强度，再根据抗剪强度，将荷载增量设置为50kPa，加载方式见表 2。

当一级荷载作用下样品变形达到稳定或时间达到预定标准后，开始施加第二级荷载，荷载逐级施加至样品破坏(孙钧，1999)。据前人研究和测试经验，本次以被测样品1d内的变形量小于0.01mm作为蠕变稳定的标准，逐级施加荷载的过程中，在每一级偏应力水平作用下的样品蠕变时间约为1～2周。

表 2 非饱和土红黏土蠕变试验加载方案Table2 Loading scheme for the creeping test of unsaturated red clay

试样编号吸力uw-ua/kPa净围压σ3-ua/kPa加载等级/kPaa1010050, 100, 150, 200, 250, 300, 350a220050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400a330050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500b110010050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400b220050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450b330050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550c120010050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450c220050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500c330050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600

图 4 不同吸力下分级加载的蠕变曲线Fig. 4 Creeping curves under different matric suctionsa. S=0；b. S=100kPa；c. S=200kPa

图 5 不同荷载和净围压下应变-时间关系曲线Fig. 5 Changes of strain with time under different loading stress and confining pressuresa. σ3=100kPa；b. σ3=200kPa；c. σ3=300kPa

2 蠕变特征分析

2.1 蠕变曲线

图4为吸力S分别控制在0、100kPa和200kPa时，分级加载条件下应变随时间变化的曲线，在此基础上，应用Boltzmann线性叠加原理将分级加载所得到的曲线进行转换，得到净围压σ3分别为100kPa、200kPa和300kPa时应变随时间变化曲线(图 5)，可以看出，不同吸力和净围压下红黏土的应力-应变曲线变化趋势相近。当施加的偏应力低于破坏荷载时，被测样品先发生瞬时变形，之后变形呈指数衰减趋势，并最终趋于稳定，说明测试的红黏土存在蠕变的特性。当应力水平较低时，变形趋于稳定的时间很短；随着偏应力增大，变形稳定时间增长，变形量增加。当偏应力接近破坏荷载时，被测样品先发生蠕变变形，当变形累积到一定程度时，变形速度加快，土体破坏；当偏应力达到或超过破坏荷载时，试样在加载过程中迅速破坏。其原因在于开始施加荷载时，样品颗粒间的孔隙相对较大，较小的外力即可使颗粒之间产生相对错动，土体内部结构重组并在短时间内达到平衡。随着施加的偏应力逐渐增大，样品变得越来越密实，颗粒间相对运动的阻力越来越大，土体内部结构重组需要很长的时间才能达到平衡。当施加的偏应力足够大时，颗粒间无法产生较小的相对运动而达到土体结构的平衡，此时样品破坏。相同净围压及偏应力情况下，低吸力试样蠕变变形即蠕变速度均大于高吸力下的试样，表明吸力对红黏土蠕变特性有显著的影响。吸力相同时，围压越大，则需要更大的压力才能使被测样品屈服破坏，说明被测土体的蠕变强度也越大。

将应变-时间曲线取对数，得到对数坐标下的蠕变曲线(图 6)，可以看出，当施加的偏应力低于破坏荷载作用时，蠕变曲线基本彼此平行，呈现较强的线性规律，说明红黏土的蠕变曲线呈对数关系；当施加的偏应力接近或大于破坏荷载作用时，对数蠕变快速上扬，出现拐点。

图 6 对数坐标蠕变曲线(ua-uw=100kPa)Fig. 6 Creeping curves under logarithmic coordinates(ua-uw equals 100kPa)a. σ3=100kPa；b. σ3=200kPa；c. σ3=300kPa

图 7 红黏土试样破坏后的照片Fig. 7 Photographs for red clay after failure

图7为红黏土加载破坏后的照片，可见，随着荷载的不断增大，试样都有一个缓慢鼓胀的过程，且所有试样均可见剪切面。

2.2 净围压对红黏土蠕变的影响

图8为不同净围压下的应变随时间变化曲线，可以看出3种围压作用下，应变随时间的变化曲线其趋势总体一致，样品的形变量与围压成反比。当围压较低时，样品的形变需要较长时间才能达到稳定。这主要是因为，围压较低的情况下，被测样品的侧向受到较小的限制，土体颗粒容易在较小的外力作用下发生侧向移动，样品的破坏以垂向压缩为主，并伴有明显的鼓胀变形，变形量数值上较大围压下的值要大。

2.3 吸力对红黏土蠕变的影响

图9为对于给定围压时不同吸力下的红黏土蠕变曲线，可以看出当围压为定值时，在3种不同的吸力下，蠕变曲线的变化趋势总体一致。当围压和荷载等级为定值时，变形量随吸力的增加而减小，稳定时间随吸力减小而增大。在高吸力下，由于土体含水率低，力学强度高，颗粒间摩擦阻力相对较大，因此样品的形变量小且应变在较快的时间即可达到稳定；在低吸力情况下，土体含水率低而力学强度高，颗粒间因为较高的含水量而使得其间的摩擦阻力减小，使得土体在外力作用下更易发生变形，因此被测样品的形变量较大且应变需要在耗时较长的情况下才能达到稳定。

据图 5和图 6的蠕变曲线可得出被测样品的应力-应变等时曲线(图 10)，可以看出随着应变的增加，应力呈非线性增长，且增长特征符合幂函数或对数函数的变化趋势。无论吸力为0，100kPa或是200kPa的情况下，随试验时间的增长，对于任一固定的应变值，曲线斜率逐渐变小，即在相同应力下，其作用时间越长应变越大。应变为定值时，围压变化与所施加的垂向应力成正比；垂向应力为定值时，应变与围压成反比；当吸力相同而围压较大时，则需要较大的垂向应力才能使样品产生破坏，即土体的屈服强度较大；随着吸力增加屈服强度增大。其变形特征与Li et al.(2017)研究的南方红黏土变形特征相似，但其试验采用的是增大围压和吸力的方式实现蠕变，与本文的应力路径不同。

图 8 不同净围压下应变-时间曲线(ua-uw=100kPa)Fig. 8 Changes of strain with time under different confining pressures(ua-uw equals 100kPa)a. σ1-σ3=50kPa；b. σ1-σ3=100kPa；c. σ1-σ3=150kPa；d. σ1-σ3=200kPa；e. σ1-σ3=250kPa；f. σ1-σ3=300kPa

图 9 相同围压下不同吸力的蠕变曲线Fig. 9 Creeping curves under different matric suctions with the same confining pressurea. σ3=100kPa；b. σ3=200kPa；c. σ3=300kPa

图 10 不同吸力下黄土的应力-应变等时曲线Fig. 10 Changes of stress with strain under different matric suctionsa.ua-uw=0；b. ua-uw=100kPa；c. ua-uw=200kPa

图 11 莫尔-库仑包面Fig. 11 Envelope of Mohr-Coulomba. 等时曲线法；b. 拐点法

3 红黏土长期强度分析

岩土体的长期强度是对坡体的长期稳定性进行评价和预测的关键参数(孙淼军等，2017)，而等时曲线法和拐点法是用于确定岩土体长期强度参数的常用方法。由图 10可知，随着应力的增大，曲线呈现出更为明显的非线性，当应力达到一定值时曲线曲率明显变小，该点即被看作是强度屈服点。依据此方法，可得到不同净围压、不同吸力下的长期强度。依据这些强度绘制莫尔圆，进而可拟合得到莫尔-库仑包面，回归得到非饱和红黏土的抗剪强度参数。由图 11a可知，其黏聚力、内摩擦角和吸力内摩擦角分别为30.2kPa，23.6°和20.5°。应力-应变曲线的拐点也常作为判断岩土体长期强度的关键(沈明荣等，2012)，即拐点法，据此方法同样可以得到莫尔-库仑包面(图 11b)，可知由此得到的红黏土黏聚力、内摩擦角和吸力内摩擦角分别为22.1kPa，21.4°和19.3°。可见，拐点法得到的红黏土长期强度值要略低于等时曲线法得到的强度值。饱和红黏土(吸力为0)长期强度比吸力200kPa的红黏土长期强度降低了约50%。

4 结 论

(1)红黏土蠕变特性明显，不同围压下的应力-应变曲线具有相近的变化趋势，且均服从幂函数或对数函数的变化。偏应力低于破坏荷载时，土体产生瞬时形变后呈衰减趋势并最终趋于稳定，稳定时间随偏应力的增大而增长；偏应力接近破坏荷载时，土体产生蠕变变形，变形累加后加速变形至土体破坏；偏应力大于破坏荷载时，土体迅速破坏。

(2)净围压和偏应力一定时，土体变形量随吸力的增加而减小；吸力一定时，土体变形量与净围压成反比。轴向应变相同时，围压越大所需施加的轴向应力也越大；轴向应力相同时，围压越大发生的轴向应变越小。吸力相同时，围压越大，样品屈服破坏所需施加的轴向应力越大，屈服强度也越大；吸力增加屈服强度增大。

(3)吸力对红黏土的蠕变特性具有控制作用，吸力越小土体的蠕变性越强，其屈服强度也较小，说明含水率增大会增大滑带红黏土的蠕变量，加速滑坡的形成，与吸力为200kPa时的红黏土相比，饱和红黏土(吸力为0)长期强度降低了约50%。