缓慢复活型滑坡滑带土的蠕变性质与特征强度试验研究

锁儿头滑坡是甘肃省舟曲县城附近、体积约72.85×106 m3的一个巨型老滑坡。20世纪70年代末滑坡开始复活,至今一直处于缓慢活动之中,显示滑坡活动具有典型的蠕动特点。滑带力学特性是控制滑坡活动机制的关键因素之一,为了弄清该滑坡滑带物质的蠕变性质以及控制滑坡活动的强度指标,通过滑带土残余状态下的直剪蠕变试验,研究了滑坡滑带土的蠕变特性,比较了滑带长期强度和残余强度的关系。研究发现,滑带土蠕变特性与应力状态相关,滑带进入加速蠕变的临界剪应力和剪切速率均与正应力线性正相关。该滑坡应力状态指示其已具备进入加速蠕变的条件。残余状态下该滑坡滑带土的长期与残余强度基本等价,前者略大于后者,且增大量值与正应力有负相关关系。     

基于环剪试验的复活型低速滑坡活动机理

金坪子滑坡是距离金沙江乌东德水电站大坝下游最近的一处巨型滑坡,其Ⅱ区沿底滑带复活后已持续低速蠕滑超过百年,是乌东德水电站枢纽区最大的地质灾害隐患点。为弄清该滑坡复活后的长期低速活动机理以及再次加速蠕变破坏的条件,针对滑带附近土样的力学性质以及特征强度,通过不同剪切速率、不同黏粒含量以及不同应力条件的室内环剪试验进行了测试。研究结果表明,金坪子滑坡Ⅱ区复活后长期低速蠕滑的原因在于滑带土残余强度由初次破坏的负速率效应转变为强度与剪切速率成正比的正速率效应,滑坡的活动是滑带土黏性流变特征的表现。滑坡再次发生加速蠕变破坏需要克服一个比剪切带残余强度略高的峰值强度,否则受滑带土的黏性阻滞效应滑坡将长期处于稳定蠕变的状态。滑坡雨季运动较快的原因是降雨引起滑体容重的小幅度增加,导致低速蠕变活动加快,但不至于进入加速蠕变阶段。     

低速缓动滑坡滑带土剪切蠕变特性

滑带土的蠕变特性对低速缓动滑坡的形成演化过程起着控制性作用。本文选取典型的低速缓动滑坡—二庄科北区滑坡的滑带土为研究对象,在不同正应力水平作用下,通过对该滑带土的饱和试样进行直剪蠕变试验,研究了它的剪切蠕变特性。结果表明:该滑带土具有明显的蠕变特性,均包括瞬时变形、衰减蠕变和稳态蠕变3个阶段;随着剪切荷载的增大,衰减蠕变阶段及瞬时变形阶段的变形量均增大,衰减蠕变持续时间更长;其等时应力—应变曲线呈现出非线性特征,且曲线具有明显拐点;在长期荷载作用下出现强度损失,且正应力越大,强度损失越大;随着时间增大,衰减蠕变阶段的剪应变率越来越小,且剪应力越大,剪应变率越大;在蠕变破坏前的阶段,剪应变率随正应力增大而减小,即滑坡埋深越深,滑速越慢。     

残余强度状态下原状滑带土蠕变特性试验研究

三峡库区许多古滑坡在重力等内、外地质营力作用下呈现出长期而缓慢的变形特征,具有明显的蠕变属性。复活型古滑坡的滑带常处于残余强度状态,其运动特征主要受滑带土力学性质和应力状态控制,研究原状滑带土在残余强度状态下的蠕变特性,对于了解复活型古滑坡滑动机制及预测其运动趋势具有重要意义。针对三峡库区黄土坡滑坡原状滑带土开展环剪试验,研究了不同应力水平条件下滑带土在残余强度状态下的蠕变变形规律。结果表明,滑带土的蠕变速率与剪切应力比R_(CSR)(蠕变剪切应力与残余强度的比值)呈正相关变化,当R_(CSR)接近蠕变阈值1时,滑带土等速蠕变明显,部分试验条件下继而发生加速蠕变,在相同R_(CSR)条件下,土样法向应力越大,其蠕变速率也越大。采用Burger模型对蠕变过程进行模拟,获取了模型的各参数。通过分析滑带土等时蠕变曲线,获得滑带土长期抗剪强度约为0.95倍的残余强度。此外,滑带土蠕变速率受固结时间影响,蠕变速率随固结时间增加而减小,滑带土剪切强度随着固结时间和剪切位移的增加可发生一定程度的恢复。     

不同环剪方式下滑带土残余强度试验研究

以三峡库区黄土坡滑坡滑带土为研究对象,利用环剪仪研究了黄土坡滑坡滑带土在单级剪、预剪以及多级剪3种环剪方式下的残余强度特征。试验结果表明：不同环剪试验下剪切带的形成与剪切位移相关;残余强度随有效法向应力的增大而增大,对于已经存在剪切带的滑带土,环剪时能很快达到残余强度状态;滑带土环剪轴向压缩分初始剪胀、颗粒运移压密和稳定压密3个阶段,且每个阶段剪应力变化趋势不同;预剪试验和多级剪切试验得到的残余强度偏大,应该首选单级剪切试验测试滑带土残余强度指标。     

滑带土蠕变过程及微观结构演化分析

滑带土的蠕变过程与微观结构密切相关,前人对滑带土的蠕变性质及微观结构做了大量研究,但对土体在蠕变过程中因时间效应发生的微观结构变化研究较少。本文选取延安二庄科北区滑坡滑带土为研究对象,采用直剪蠕变试验研究了滑带土的蠕变特性,用环境扫描电子显微镜对蠕变过程中不同阶段的土样进行SEM图像扫描,并对其微观结构孔隙特征进行定量分析。结果表明:滑带土样在400 kPa正应力荷载下具有明显蠕变特性,每一级剪应力加载均出现衰减蠕变和稳态蠕变阶段;当剪应力值达到255 kPa后,试样发生蠕变破坏,且滑带土样在蠕变过程中由于时间效应发生了塑性破坏。在每一级加载后,土样剪应变率均逐渐减小并最终趋于稳定;在各级剪应力加载后的衰减蠕变阶段,随着加载剪应力的增大,剪应变率也增大;蠕变过程中,土样的孔隙数逐渐减少,土颗粒重新定位排列,孔隙定向性增强,趋向于长条形的孔隙越来越多,孔隙轮廓越来越光滑,但圆形度越来越差。随着蠕变破坏的发生,在蠕变过程中形成的结构被迅速破坏,孔隙定向性减弱,数目急剧增加。     

黄土滑坡滑带土剪切蠕变特性试验研究

滑带土蠕变特性对渐变型边坡时效变形起控制性作用。本文以黄土滑坡滑带土为研究对象,以含水率14%、18%、22%和26%作为控制条件,开展剪切蠕变试验,分析不同含水状态下黄土的应变特征、蠕变速率和长期强度变化规律。研究表明：滑带土在水作用下蠕变现象明显,包含衰减、稳定和加速蠕变阶段,与渐变型滑坡三阶段演化过程相对应;含水状态的增强对黄土蠕变变形和速率的增长起一定的促进作用,含水率的升高可能会使黄土更容易发生蠕变破坏行为;滑带土在四种含水率下的长期强度分别为96.37 kPa、78.04 kPa、65.38 kPa和41.29 kPa,长期强度随含水作用的增强而递减。该研究可为渐变型黄土滑坡长期变形及时变稳定性研究提供参考。     

膨胀土卸荷蠕变特性及其非线性蠕变模型

鉴于膨胀土滑坡往往表现为长期性、渐进性等与时间相关的特性,利用GDS应力路径三轴仪对膨胀土进行了三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：当偏应力较小时,膨胀土的蠕变曲线仅出现瞬时变形和衰减蠕变;当偏应力达到一定值时,其蠕变曲线也呈现衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段,但其加速蠕变阶段的特征与一般岩土体不同,其蠕变速度近乎常数。膨胀土的应力?应变等时曲线显示,膨胀土卸荷蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平相关,蠕变时间越长、应力水平越高,其非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性四元件蠕变模型,将标准线性体与一个非线性黏壶串联,该模型可描述等围压三轴压缩应力状态下膨胀土轴向应变随时间的演变规律。根据膨胀土卸荷蠕变试验结果,采用曲线拟合法对三维非线性模型的参数进行反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,说明该模型可以很好地描述膨胀土的蠕变特性。此外,基于该蠕变模型获取了膨胀土的临界破坏应力,其与常规剪切破坏应力的比值随着固结压力的减小而减小,表明越接近坡面的土层越容易发生蠕变破坏。     

滑带土强度特性的试验研究

滑带土的强度特性对于边坡稳定具有重要的控制作用,揭示滑带土强度指标的变化规律是进行边坡安全性评估的基本前提。针对一库岸古滑坡滑动带中的含粗粒细粒土,进行了滑带土强度特性的试验研究：通过现场大剪试验和室内固结快剪试验分析了滑带土的剪切性状,确定了再生强度、现场折减强度和固结快剪强度;根据现行反复剪切试验在确定含粗粒细粒土残余强度时的不足,对试验方法和试验仪器进行了改进,提出了滑带土的残余强度指标,并与其他剪切条件下的强度指标进行了比较;基于试验结果的统计分析,探讨了土体含水率、塑性指数及粗粒含量对剪切强度指标的影响,并总结了含粗粒细粒土与一般黏性土或砂土在剪切性状方面的诸多不同     

基于非线性损伤理论的改进CVISC模型及其在FLAC3D中实现

滑坡形成是一个典型的岩土变形破坏时效过程,低速滑坡时效过程尤为显著。基于流变理论,建立反映滑坡变形破坏发展过程的本构模型、预测滑坡活动趋势,一直是国内外滑坡研究的基本途径和难点问题之一。然而,目前国内外已有的多数流变模型仅能反映滑坡岩土蠕变的第一、第二阶段,不能刻画滑坡岩土蠕变的第三阶段（加速蠕变阶段）。本文基于滑带在滑坡中的作用以及滑带岩土剪切蠕变发展的累进性和非线性特征,借助损伤理论,在FLAC3D内置的CVISC流变本构模型中引入非线性损伤黏塑性元件,构建了可描述滑坡加速蠕变过程的非线性损伤流变本构模型,依据类比原理建立了改进的CVISC三维差分模型,通过FLAC3D开放的用户接口实现了本构模型的二次开发,并将改进的CVISC模型用于长期缓慢滑移、伴随间歇性剧烈活动的甘肃舟曲泄流坡数值模拟中。模拟结果显示,该模型不仅呈现了滑坡的加速蠕变特征,而且揭示的滑坡活动特征与其曾经出现的活动特征基本一致,从而证实基于非线性损伤理论的改进CVISC模型具有较好的有效性。     

一种控制直剪蠕变试验剪应力的简易装置

土的蠕变是指土在保持应力不变的条件下,应变随时间延长而增加的现象。研究土的蠕变性质对于确定土的长期强度有重要意义,土的蠕变研究也是近几年的研究热点。然而,土的蠕变试验周期特别长,因此简便、易行又有一定可信度的蠕变试验仪器,对于土蠕变性质的研究有较大的推动意义。直剪蠕变试验是研究确定土的蠕变性质的一种最简单、最直观的试验方法。但由于该试验只是控制剪切力不变,剪切过程中,试样受剪面积逐渐减小,剪应力持续增大,整个过程并不是蠕变。通过在传统仪器上附加一个简单装置,利用液体的浮力来控制试验剪切力,从而使得试样在剪切过程中的剪应力不变。在对仪器进行相应改进后,做了对比试验,检验该装置对剪应力的控制效果,试验结果表明,该简易装置可在一定程度上控制剪应力。     

二叠系炭质页岩软弱夹层剪切蠕变特性研究

以西南灰岩山区二叠系炭质页岩软弱夹层为研究对象,开展了原生软岩、层间剪切带和滑带3个演化阶段的矿物组成成分、微结构和不同正应力水平的剪切蠕变力学特性分析。结果表明：软弱夹层在演化过程中,矿物组分发生改变,黏土矿物含量在原生软岩中小于5%,层间剪切带中在5%～10%之间,滑带中大于10%。微结构由致密变得疏松,颗粒间连接力减弱;软弱夹层的蠕变位移和蠕变速率随着剪应力增加而增大,呈非线性关系。在相同剪应力条件下,蠕变位移和蠕变速率的关系为：滑带>层间剪切带>原岩。长期剪切强度逐渐降低,黏聚力的降幅大于内摩擦角,对时间的敏感程度较高。为受软弱夹层控制的层状基岩滑坡的发育发展过程、失稳机制研究提供了重要借鉴意义。     

含砾滑带土复活启动强度研究

砾石在古滑坡滑带土中广泛存在,确定含砾滑带土的启动强度是古滑坡稳定性评价和灾害防范的关键。以2018年甘肃舟曲县江顶崖古滑坡复活事件为例,基于试验测试和反演分析方法,研究了含砾滑带土的复活启动强度。结果表明:(1)长距离剪切后,滑带土中的胶结作用已逐渐丧失,其残余抗剪强度主要由土颗粒之间的滑动摩擦阻力和咬合作用所导致,砾石含量较高时土颗粒之间的力较强,因而其残余强度也相对较大。剪切面摩擦系数与粗糙度呈正线性相关性,砾石改变了剪切面的粗糙度,使剪切面摩擦阻力增大,导致其残余强度增大。(2)含砾滑带土的残余内摩擦角同时受黏粒含量和砾石含量的控制,与黏土质滑带土主要受黏粒含量控制的机制具有明显差异,建议采用砾石含量与黏粒含量之比作为估算含砾滑带土残余内摩擦角的指标。(3)古滑坡复活启动强度一般大于残余强度但略小于恢复强度,复活启动前的滑带土强度已经由恢复强度向残余强度逐渐衰减,此时古滑坡整体上处于蠕滑状态,在外力作用下,滑带土强度易发生急剧衰减,从而诱发古滑坡加速滑动。     

移动状态边界面法在黏性土不排水蠕变孔压分析中的应用

在黏性土的各种流变现象的数学模拟研究中,不排水蠕变孔压方程几乎是空白。基于临界状态土力学理论,采用与时间相关的移动状态边界面法,给出了适用于正常固结黏性土的不依赖状态边界面具体形态的不排水蠕变孔压公式。正常固结黏性土的不排水蠕变孔压可以看作是体积蠕变势和剪应力水平增大造成的剪缩这两种作用的结果,前者与参数 有关（ 为次压缩指数, 为压缩指数）,后者则与状态边界面的具体形态有关。在此基础上进一步给出了可方便用于试验数据分析的双对数和单对数形式的两个公式。以修正剑桥模型椭圆形状态边界面为例,分析了双对数和单对数坐标系下蠕变孔压曲线的斜率m和m′与土的流变参数 的关系。采用提出的方法,很好地预测了Walkers给出的Leda clay黏土的蠕变孔压系数,并基于以上两种作用解释了Leda clay黏土的蠕变孔压形成的机制。     

蠕动型滑坡滑带土蠕变特性研究

蠕动型滑坡表现为长期缓慢的变形响应,其演化过程和稳定性受到滑坡滑带土蠕变性质的控制。选取三峡库区典型蠕动型滑坡马家沟滑坡为研究对象,针对该滑体滑带土原状试样开展大尺寸三轴蠕变试验,研究滑带土试样在不同围压和应力水平下的蠕变规律,并进一步采用等时曲线法确定滑带土长期强度与常规强度的差异。研究结果表明,马家沟滑坡滑带土具有典型的稳定蠕变材料特性,蠕变阶段可分为衰减蠕变和稳定蠕变2个变形过程,其变形趋势与滑坡宏观变形演化具有较好的一致性;滑带土绝对蠕变量和稳定蠕变阶段的变形速率均与轴向应力值呈正相关,而衰减蠕变阶段的持续时长随着剪应力水平增加基本呈线性增加。滑带土长期强度参数与常规强度参数比较,其长期黏聚力c值和长期内摩擦角?值分别下降24.8%和22.4%。     

甘肃甘谷裂隙泥岩剪切蠕变行为及其修正模型研究

岩石在长期荷载作用下表现出典型的蠕变特性,裂隙泥岩在长期荷载作用下的力学性质不同于完整岩石。对甘肃甘谷赵家窑滑坡钻孔取芯的裂隙泥岩开展剪切蠕变试验,探讨轴向压应力、预制裂隙长度等因素对试样剪切蠕变特征的影响。试验结果表明:轴向荷载和裂隙长度对试样剪切蠕变特征有明显的影响。轴向压应力越大,试样剪切蠕变变形越不明显;裂隙越长,试样剪切蠕变变形越显著。应力较低时,如Cvisc模型等蠕变模型能够较好反映泥岩的蠕变力学特性。而在加速蠕变阶段,大多数模型却不能准确体现泥岩蠕变曲线的非线性变化。改进的西原模型克服了传统模型不能对非线性蠕变特征进行描述的缺点,且模型参数较少,能较好地适用工程软弱岩体。不同载荷作用下泥质软岩试样剪切蠕变过程中,裂隙泥岩剪切破坏带形成表现为渐进与突发相结合。泥岩的剪切蠕变力学模型可解释泥岩滑坡的多种现象,边坡潜在滑移带内泥质软岩发生的剪切蠕变则是泥岩滑坡的内在诱因。     

考虑渐进破坏过程的滑坡推力计算方法

在滑坡防治工程设计当中,推力确定是治理工程设计是否合理有效的前提。本文进行了3种类型滑坡的渐进变形破坏模式分析,从滑带参数弱化的角度阐述了不同类型滑坡的渐进演化过程,并以滑带力学参数经历峰前应力阶段、软化阶段、残余应力阶段刻画了滑带空间形态所经历的峰前应力状态、临界应力状态、残余应力状态3个阶段;基于不平衡推力法,提出3种类型滑坡临界状态条块的确定方法,把滑坡划分为发生剪切段和未发生剪切段,提出了不同类型滑坡渐进破坏过程中推力计算公式及计算过程中滑带参数取值方法。以任意滑坡为例,从不同类型滑坡角度分析了滑坡在渐进破坏过程中推力的变化规律,结果表明：不同类型滑坡渐进破坏到第5状态时,牵引式滑坡、推移式滑坡和复合式滑坡的推力大小分别为4 100,4 980和3 150 kN/m,推移式滑坡推力最大,说明滑坡以不同模式破坏时推力存在明显差异。此计算方法不仅反应了不同类型滑坡的渐进破坏过程,又解决了具有应变软化性质的滑坡推力计算问题,在实际工程中为滑坡的设计提供合理的推力。     

三峡库区重庆市奉节县花乐村滑坡成因机制及稳定性分析

奉节县平皋乡花乐村滑坡位于平皋乡高店村，是在老滑坡体上多次复活的具有两级滑面的大型基础岩滑坡。老滑坡体具有多组剪切裂隙和风化裂隙，前缘受河水冲刷形成有效临空面。浅层滑体为块石土松散堆积物，滑移面为块石土与碎裂岩体的接触界面，目前处于正在贯通阶段。根据岩土样品的试验值、现场大剪值，结合地区经验值及反算值，对老滑坡及新滑坡体进行稳定性计算，结果表明老滑坡在各种条件下是稳定的，新滑体在饱水及水库蓄水后，处于临界蠕滑或失稳状态，需尽快进行治理。     

推移式缓倾浅层滑坡渐进破坏力学模型与稳定性分析

在滑坡孕育与发展的过程中由于外部条件的不均匀作用,使得滑坡局部位置出现应力集中。当集中剪应力大于滑带的峰值抗剪强度时,滑带发生应变软化。多余的剪应力将发生转移并由临近滑带承担,滑坡发生渐进破坏。针对顺层缓倾浅层滑坡,考虑后缘推力作用,将推移式滑坡的渐进破坏过程分为5个阶段。基于力学平衡与变形协调关系,建立了各阶段浅层滑坡的渐进破坏力学模型。在综合分析滑坡渐进破坏过程的基础上,给出了不同渐进破坏阶段的临界荷载与划分判据。重新表征了不同应力状态下滑带的抗剪强度,给出了滑坡各渐进破坏阶段的稳定性系数计算公式,物理含义更加明确。最后将建立的力学模型应用于简单浅层滑坡,实现了后缘推力-坡体位移-剪应力分布-稳定性系数一一对应的定量关系。模型较好地体现了滑坡渐进破坏过程中滑带土抗剪强度变化的时空特性。与不平衡推力的计算结果对比分析表明,采用峰值强度在工程设计中是偏危险的,采用残余强度则是不经济的,论证了运用渐进破坏理论对滑坡进行工程设计的必要性。     

不同固结状态下黏土抗剪强度与剪切速率的关系

利用直剪仪针对不同固结状态下的饱和黏性土,在不同剪切速率条件下进行了系统的试验研究,探讨了剪切速率与剪应力-剪切位移曲线变化规律,分析了剪切速率对强度参数的影响及原因。试验结果表明:对于正常固结土,剪切速率越大,峰值剪应力越小,内摩擦角越小。不同的固结状态下,剪切速率对抗剪强度参数影响不同。超固结比为2时,内摩擦角随着剪切速率的增大而减小,黏聚力随着剪切速率的增大而增大;超固结比为3时,内摩擦角随剪切速率的影响较小,黏聚力随着剪切速率的增大而增大。另外,从黏聚力和内摩擦力的角度,分析了不同剪切速率条件下土体抗剪强度变化的主要控制因素。最后,从孔隙水压力的角度分析了不同剪切速率对抗剪强度的影响。在相同的法向应力下,对于正常固结土,不同剪切速率引起的剪切带周围孔隙水压力变化量与破坏剪应力变化量成正比关系;对于超固结土,黏聚力变化量减去破坏剪应力变化量的差值与孔隙水压力的增量成正比。