软弱泥化夹层蠕变特性试验研究★

姜春平,富丰有,杨志全,王英杰,凤小明

(1.中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710000； 2.昆明理工大学 公共安全与应急管理学院云南省高校高烈度地震山区交通走廊工程地质病害早期快速判识与防控重点实验室，云南 昆明 650093)

1 概述

软弱夹层泛指颗粒细小、夹于上下相对坚硬岩层中的薄层，一般呈条带状或层状，具有遇水易软化，强度低变形大等特点[1-2]。在层间错动和地下水长期作用下，软弱夹层经泥化形成结构疏松、颗粒大小不均、粒间连结微弱、多呈定向排列的特殊软弱结构面，即泥化夹层[3]。在自重、施工开挖、暴雨、库水位变化及地震等作用下，滑坡灾害的演变常沿着该软弱薄层发育[4]。研究表明，软弱结构面具有明显的蠕变特性，其强度特征具有显著的时间效应。因此，对于含泥质岩类的边坡而言，其更易形成潜在的滑动面，成为边坡长期稳定的关键控制因素[5-7]。

针对软弱结构面蠕变特性的讨论，目前已有诸多研究成果，程强等[8]通过室内剪切蠕变试验，认为红层软岩具有显著的蠕变特性，其长期强度为剪切蠕变曲线上t→∞时刻所对应的应力值；周晓飞等[9]引入幂函数拟合了泥质夹层蠕变过程中的应变-时间关系，并对比了传统等时曲线获取了长期强度。最后得出：随着剪应力的增大，泥质夹层蠕变变形效果越明显，且夹层的长期强度较其快剪强度显著降低，约为抗剪强度的82%；朱珍德等[10]采用弱面直剪流变仪对含软弱夹层岩石进行剪切流变试验，并认为凝聚力对剪切流变特性的影响略高于内摩擦系数；庞正江和胡建敏[11]基于剪切流变试验成果，根据应力屈服值确定了结构面长期强度，但由于屈服值的不可操作性，提出今后将其与流变模型相结合能更具说服力。YU M等[12]通过采用剪切试验方法对徐州某高边坡软弱层间石灰岩的蠕变特性进行研究，最后得出,石灰岩的衰减和稳态蠕变特性，且试样没有表现出加速蠕变特性。沈明荣和张清照[13]以含软弱结构的大理岩试样为研究对象，采用分级加载方式，研究了软弱结构面的蠕变特性。结果表明，不同法向应力条件下的蠕变试验曲线表现出衰减、等速和加速蠕变特性。

关于软弱结构面蠕变特性的研究，既有报道对于更加“劣质”化的泥化夹层的研究成果还相对较少。因此，本文依托云南某边坡工程，以软弱泥化夹层为研究对象，采用改装式应力控制直剪仪，开展了不同固结压力下的直剪蠕变试验。基于试验结果，分析了软弱泥化夹层在不同剪应力荷载下的应力应变随时间的特征规律，为此类边坡工程问题的长期稳定性分析和评价提供具有科学意义的参考依据。

2 直剪蠕变试验

2.1 试验设备

本次试验仪器采用改装式应力控制直剪仪，如图1所示。该套试验设备是由常规应变式控制直剪仪改装而成，其保留了原有仪器的竖向加载系统和量测系统，通过安装定滑轮和数显千分表增加了剪切加载系统和水平量测系统。

2.2 试验材料

试验样品取自云南某边坡工程，参照土工试验方法标准[14]，土样的基本物理性质指标见表1。

表1 软弱泥化夹层基本物理性质指标

2.3 加载方式

岩土体蠕变试验加载方式一般分为分别加载和分级加载[15-16]。分别加载是指对于完全相同的土样，在完全相同的试验设备、试验条件下，以不同的剪应力水平开展蠕变试验，得到不同剪应力梯度下土样的蠕变全过程。但在实际试验过程中要满足此种加载方式是不易实现的，一方面要保证完全相同的试验材料和试验条件是不太可能实现的，另一方面也难以满足多套试验设备同时工作的条件。所以在国内外现有报道中一般采用分级加载的方式，即在同一试样上逐级施加剪应力，待一段时间土样进入稳定状态后再施加下一级荷载，最终直至土样发生破坏。蠕变变形稳定标准参照文献[17]，以变形量不大于0.01 mm/d作为稳定标准状态。

2.4 试验方案

1)首先对软弱泥化夹层试样进行常规快剪试验，在不同的固结压力下，以0.8 mm/min的速率对试样进行剪切，得到土样在不同固结压力下的最大抗剪强度和强度参数指标，如表2所示。

表2 夹层试样抗剪强度及其指标

2)根据公式τi=τf/n(其中，n为加荷级数，通常为5～7，τf为在不同固结压力下的最大抗剪强度)，确定土样在各级固结压力下的剪应力水平的增量τi。结合实验室现有条件，对各级剪应力大小进行适当调整，得到本次试验加载方案。以固结压力为100 kPa为例，试样的水平剪应力为6 kPa，12 kPa，18 kPa，24 kPa，30 kPa。由于试验样品的复杂性，试验结果具有一定的离散型，所以试验最终的破坏强度以土体实际破坏时的荷载值为最终的剪切破坏强度[18]。

3 试验结果和分析

3.1 剪应变-时间曲线

本文以固结压力为100 kPa的试验结果为例，分析软弱泥化夹层的蠕变特性，其蠕变全过程曲线如图2所示。试验结果表明，在每一级剪应力作用下，试样都经历了瞬时变形到稳态蠕变的过程。

由于分级加载方式不能准确描述土体在各级剪应力水平下的蠕变曲线，故本文采用“陈式加载法”转化得到了100 kPa下土体的分别加载蠕变曲线，如图3所示。

从图3中可以看出：

1)在低应力水平下，软弱泥化夹层试样表现出衰减特性，而随着剪应力不断增加，土体最终呈现出加速变形特性，即土体在整个蠕变过程中，总体表现出非线性蠕变特征。

2)在各级剪应力水平作用下，土体均呈现瞬时变形阶段、衰减蠕变和似稳态蠕变3个阶段。

瞬时变形阶段：在剪应力作用初期，土颗粒的空间位置迅速发生调整，土体中孔隙结构受到挤压变形，部分水分子被排出，并产生了大量的孔隙，导致在荷载作用瞬间，土样产生一定量的剪切变形特征。

衰减蠕变阶段：在竖向固结压力和剪切力的不断作用下，土体内部结构和颗粒变形达到了一定程度，宏观上变形量逐渐减小，变形趋于稳定，此时蠕变曲线呈现逐渐衰减的趋势。

似稳态蠕变阶段：随着剪应力的持续作用，土体内部应力环境逐渐趋于一个相对稳定状态，该阶段蠕变速率逐渐减小到某一恒定值，表现出变形较小，持续周期长等特点。

3)当剪应力水平达到剪切破坏强度时，土体便发生破坏，宏观上蠕变曲线变形表现出急速上升现象。

3.2 蠕变速率

研究表明，在岩土体蠕变过程中，蠕变速率是表征土体材料变形的一个重要参数[19-20]。根据数学理论原理，可以得到蠕变速率的计算公式，如式(1)所示。

(1)

根据式(1)得到试样在100 kPa下的剪应变速率-时间曲线，如图4所示。

由图4可知，在低剪应力水平时，软弱泥化夹层试样的蠕变速率逐渐降低并趋于稳定值，这说明土体从衰减阶段过渡到稳定阶段。在剪应力作用初期，土体颗粒位置不断发生调整，内部孔隙被大量填充，导致试样的蠕变速率急剧下降；在剪应力作用中后期，土体内部应力场环境逐渐趋于一个相对稳定的状态，在这一过程中，土体蠕变速率逐渐衰减，最终趋向于0。

3.3 等时应力-应变曲线

为了更好的了解软弱泥化夹层的非线性蠕变特性，根据试验结果绘制了固结压力为100 kPa下土体的等时应力-应变曲线，如图5所示。

从图5中可以看出，在剪应力作用初期，土体发生了较大的剪切变形，且剪应力-剪应变呈现近似线性变化特征。但随着时间的推移，剪应变随着剪应力的增加而明显增大，表现出明显的非线性变形特征。

4 结论

软弱泥化夹层作为软硬相间岩体中的一种特殊薄层，常是岩体稳定性的关键控制因子。因此，本文采用梯级加载方式开展直剪蠕变试验，得到以下结论：1)软弱泥化夹层具有明显的蠕变特性，在低剪应力水平条件下，土体的蠕变变形经历了瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段和似稳态蠕变阶段。2)在衰减蠕变阶段，在低应力水平条件下，随着时间的推移，蠕变速率逐渐减小并最终趋于某一稳定值，随后进入似稳态变形阶段；在高应力水平条件下，蠕变速率激增，土体发生破坏，呈现出加速破坏特征。3)在低应力水平条件下，等时应力-应变曲线呈现近似线性变化，随着剪应力的增大，其非线性蠕变特性越来越明显，剪切变形大幅增加，故软弱泥化夹层的非线性蠕变特性随着剪应力的增加越来越明显。