廖珩云, 王　衛(wèi), 高　揚(yáng)

(成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院， 四川 成都　610059)

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滑帶土蠕變特性試驗(yàn)研究

廖珩云, 王衛(wèi), 高揚(yáng)

(成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院， 四川 成都610059)

摘要：以美姑河拉馬古滑坡局部復(fù)活滑坡為工程實(shí)例，在現(xiàn)場調(diào)查、物理力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用分級加載方法對該滑坡滑帶土的蠕變特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究.利用Boltzmann線性疊加原理將得到的試驗(yàn)曲線轉(zhuǎn)化成分別加載的形式，并在此基礎(chǔ)上獲得了滑帶土等時曲線.通過對試驗(yàn)確定的蠕變曲線和等時曲線進(jìn)行分析處理，建立了拉馬古滑坡復(fù)活滑坡滑帶土冪次關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，同時，結(jié)合滑帶土的長期破壞準(zhǔn)則，得到了該滑坡滑帶土冪次關(guān)系的長期強(qiáng)度方程，并用FLAC對邊坡的變形進(jìn)行分析，預(yù)測邊坡變形的發(fā)展趨勢.

關(guān)鍵詞：滑帶土；蠕變試驗(yàn)；長期強(qiáng)度；變形分析

0引言

流變學(xué)主要研究應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)隨時間變化的規(guī)律.土體流變的具體表現(xiàn)形式主要有隨時間變化的變形過程，即蠕變，以及在變形不變的條件下，隨時間的延長應(yīng)力逐漸減小的過程.土體的室內(nèi)流變力學(xué)試驗(yàn)的應(yīng)用要比現(xiàn)場的流變力學(xué)試驗(yàn)應(yīng)用范圍要廣，其可以根據(jù)工程的實(shí)際情況來確定試驗(yàn)過程中所需要控制的試驗(yàn)條件[1].在進(jìn)行土體流變研究的室內(nèi)試驗(yàn)過程中，根據(jù)研究目的的不同分為蠕變試驗(yàn)和松弛試驗(yàn)，其中蠕變試驗(yàn)又有分別加載與分級加載2種方式[2].分別加載需要相同的試驗(yàn)條件與儀器，并且需要相同的試樣，然后對每個試樣分別施加不同的應(yīng)力值，獲得在不同剪切應(yīng)力水平條件下的蠕變曲線[3-4].分級加載的作用對象是同一塊土樣，在這一塊土樣上逐級施加剪切應(yīng)力，直到某一級剪切應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定或者規(guī)定的時間之后，再施加下級剪切應(yīng)力，直到土樣破壞[5-6].通過分級加載方式得到的流變曲線與分別加載方式得到的流變曲線有所不同.目前，受試驗(yàn)條件與儀器的限制，在實(shí)驗(yàn)室只能進(jìn)行分級加載試驗(yàn)，所以需要將分級加載的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變換成分別加載的形式[7].

1試驗(yàn)與模型

1.1試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.1.1蠕變試驗(yàn)結(jié)果.

本研究以美姑河拉馬古滑坡局部復(fù)活滑坡為工程實(shí)例，在現(xiàn)場調(diào)查、物理力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用分級加載的方法對該滑坡滑帶土的蠕變特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究.試驗(yàn)樣品經(jīng)過半年的蠕變試驗(yàn)后顯示，豎向應(yīng)力為250、350、450、550 kPa的各個試樣均達(dá)到了破壞.圖1～4為本研究蠕變試驗(yàn)的滑帶土蠕變的剪應(yīng)力—剪應(yīng)變等時曲線.

圖1σ=250 kPa時剪應(yīng)力—剪應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2σ=350 kPa時剪應(yīng)力—剪應(yīng)變關(guān)系曲線

1.1.2蠕變試驗(yàn)分析.

1)豎向應(yīng)力一定的情況下，滑帶土的蠕變變形量會隨著剪應(yīng)力水平的增大而增加. 同樣的剪切應(yīng)力水平下，應(yīng)變會隨著豎向應(yīng)力的增大而減小.

圖3σ=450 kPa時剪應(yīng)力—剪應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4σ=550 kPa時剪應(yīng)力—剪應(yīng)變關(guān)系曲線

2)通過試驗(yàn)可知，美姑河拉馬古滑坡局部復(fù)活滑坡滑帶土在應(yīng)力水平低的時候表現(xiàn)出衰減特性，而在高應(yīng)力水平的時候表現(xiàn)出加速特性，總體表現(xiàn)為明顯的非線性流動特征.

3)滑帶土的直接剪切蠕變表現(xiàn)為明顯的3個階段，即衰減階段、等速蠕變階段和加速蠕變階段.若滑帶土出現(xiàn)了加速蠕變的現(xiàn)象，再繼續(xù)增大剪切應(yīng)力，則滑帶土便會迅速破壞.

4)滑帶土的等時曲線隨著時間的增加而向應(yīng)變軸靠近；剪應(yīng)力增加，等時曲線同樣會向應(yīng)變軸靠近.即，滑帶土的蠕變特性隨著時間和應(yīng)力的增加而變得越來越明顯.

1.2模型的確定

直剪蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪抢媒y(tǒng)計(jì)的方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，從而求出滑帶土直剪蠕變的本構(gòu)模型的一種方法[9-10].其冪次關(guān)系形式為，

(1)

式中，A為剪切模量，Pa；m為硬化系數(shù).

τ—ε等時關(guān)系曲線的相似條件可以表示為剪切應(yīng)力τ與時間函數(shù)Ψ(t)的乘積的形式，即，

φ(ε)=τΨ(t)

(2)

而ε—t蠕變關(guān)系曲線則可以表示為剪切應(yīng)力的函數(shù)f(τ)與時間的函數(shù)φ(t)的乘積的形式，即，

ε=f(τ)φ(t)

(3)

在此，本研究引入一個時間函數(shù)K(t)，

(4)

則式(2)中的時間函數(shù)Ψ(t)可表示為，

(5)

(6)

若研究恒定的剪切應(yīng)力下剪切變形隨時間的變化規(guī)律，可以采取式(2)描述的相似條件下等時曲線的形式或者采取式(3)描述的相似條件下蠕變曲線形式.

然而實(shí)際工程中，等時曲線與蠕變曲線在大多數(shù)情況下都不是真正的相似，而僅僅是在某些特定的情況下才會重合.為了解決這個問題，從而更加準(zhǔn)確地反映蠕變規(guī)律，得到統(tǒng)一形式的滑帶土直剪蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑒t必須根據(jù)蠕變曲線得到函數(shù)φ(t)或Ψ(t).

為建立符合式(1)冪次關(guān)系的蠕變方程，將式(1)和式(3)～(6)代入式(2)，得到，

(7)

(8)

式中，δ為無因次量，0≤α≤1，0<β≤1(α≠β)，0

(9)

目前，常用的試驗(yàn)曲線處理方法為曲線拉直法，即通過一定的方法改變坐標(biāo)從而使曲線變?yōu)橹本€，進(jìn)而將非線性關(guān)系的曲線變?yōu)榫€性關(guān)系，從而達(dá)到簡便處理試驗(yàn)曲線的目的.

為此，可以設(shè)非線性曲線函數(shù)為，

y=f(x)

(10)

為了將曲線拉直，可以設(shè)2個新變量函數(shù)X、Y，使其滿足下列條件，

Y=BX+D

(11)

式中，X=φ1(x,y)，Y=φ2(x,y).

若考慮誤差分布的規(guī)律，則可以通過下式求出B、D這2個參數(shù).

(12)

(13)

兩式聯(lián)立可得，

(14)

(15)

對于結(jié)果的可信程度，可以用相關(guān)性系數(shù)來描述，即，

(16)

當(dāng)r>0.8時，相關(guān)性較好，結(jié)果可信；r<0.8時，相關(guān)性較差，結(jié)果不可信.

至此，得到了式(16)需要的全部參數(shù)，同時也是式(15)需要的全部參數(shù).根據(jù)式(15)，得到各級豎向應(yīng)力下的蠕變方程：

1)σ=250kPa時，

(17)

2)σ=350kPa時，

(18)

3)σ=450kPa時，

(19)

4)σ=550kPa時，

(20)

式中，剪切應(yīng)力τ單位為kPa，時間t單位為h.

1.3長期方程的建立及長期強(qiáng)度極限值的確定

設(shè),X=ln(tp+1),Y=ln(τ)，B=α,D=-αlnT′，可以得到，

lnτ=αln(tp+1)-αlnT′

(21)

由式(21)可知，只要能夠確定各級剪切應(yīng)力下的剪切破壞時間tp，便可以得到參數(shù)α和T′.

通常，剪切破壞時間tp可由下式得到，

(22)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，土樣一般在應(yīng)變?yōu)?0%左右破壞，所以設(shè)式(22)中的，

ε=10%

(23)

據(jù)此，可以利用式(22)來確定各級剪切應(yīng)力τ的破壞時間.由破壞時間確定的各級剪切應(yīng)力水平下的蠕變破壞時間，可得到對應(yīng)的X=ln(tp+1),Y=ln(τ)值，進(jìn)而繪出以Y-X為坐標(biāo)系的ln(τ)-ln(tp+1)關(guān)系曲線圖，其斜率為B=α，截距為D=-αlnT′.由此，得到建立滑帶土的長期強(qiáng)度方程需要的各項(xiàng)參數(shù)，如表1所示.

表1　長期強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由此得到：

1)當(dāng)σ=250kPa，滑帶土的長期強(qiáng)度方程為，

(24)

2)當(dāng)σ=350kPa，滑帶土的長期強(qiáng)度方程為，

(25)

3)當(dāng)σ=450kPa，滑帶土的長期強(qiáng)度方程為，

(26)

4)當(dāng)σ=550kPa，滑帶土的長期強(qiáng)度方程為，

(27)

運(yùn)用上述方程，可以得到任意破壞時間的滑帶土的破壞強(qiáng)度.

有研究證實(shí)，τ∞的選擇可以在某個時刻之后的強(qiáng)度降低值在工程有效期100年內(nèi)不超過3%.那么，這個時刻之后抗剪強(qiáng)度的降低對工程的影響將會很小[7].因此，利用此結(jié)論可得到滑帶土長期強(qiáng)度極限以及所需的時間，

各級剪切應(yīng)力下達(dá)到長期強(qiáng)度的時間大約在50a左右，所以在本次工程應(yīng)用中，可以確定t=50a時的抗剪強(qiáng)度作為滑帶土的長期強(qiáng)度極限，如表2所示.

表2　長期強(qiáng)度極限值的綜合確定結(jié)果

2邊坡蠕變變形分析

本研究采用四川美姑河水電開發(fā)有限公司營地及220 kV聯(lián)合開關(guān)站滑坡治理工程1-1’縱剖面為原始模型，模型總長799.32m，分為3層：從上往下第一層為滑體，中間為滑帶(取1 m深)，最下層為滑床，具體如圖5所示.

圖5邊坡蠕變變形分析模型示意圖

根據(jù)蠕變試驗(yàn)結(jié)論和一般的物理力學(xué)試驗(yàn)獲取參數(shù)值，計(jì)算參數(shù)取值如表3所示.

表3　計(jì)算參數(shù)取值

FLAC數(shù)值模擬分別對邊坡的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、剪切應(yīng)變和位移進(jìn)行了模擬，如圖6～9所示.

模擬結(jié)果表明：邊坡的最大主應(yīng)力在坡表一定深度內(nèi)表現(xiàn)為拉應(yīng)力，最大值為9.5269*e4N/m2.隨著深度的繼續(xù)增加，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其最大值為5.1775*e5N/m2.邊坡的最小主應(yīng)力在坡表一定深度內(nèi)表現(xiàn)為拉應(yīng)力，最大值為2.4164*e4N/m2.隨著深度的繼續(xù)增加，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其最大值為2.7093*e6N/m2.剪切應(yīng)變增量在邊坡坡表處最大，其值為2.5419*e4.位移在坡表處達(dá)到最大值，且隨著深度的增加位移減小.

圖6飽水邊坡最大主應(yīng)力

圖7飽水邊坡最小主應(yīng)力

圖8飽水邊坡剪切應(yīng)變增量

圖9飽水邊坡位移

3結(jié)語

本研究采用分級加載的試驗(yàn)方法，對美姑河拉馬古滑坡局部復(fù)活滑坡的滑帶土進(jìn)行了不同豎向應(yīng)力下的直剪蠕變試驗(yàn)，并采用Boltzmann線性疊加原理，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了分別加載形式的滑帶土剪應(yīng)變—時間蠕變曲線.在蠕變曲線的基礎(chǔ)上，本研究得到了拉馬古滑坡局部復(fù)活滑坡滑帶土的剪應(yīng)力—剪應(yīng)變等時曲線.在蠕變模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合土體的長期破壞準(zhǔn)則，本研究建立了能夠較好地描述局部復(fù)活滑坡滑帶土特點(diǎn)的冪次關(guān)系長期強(qiáng)度方程.考慮地下水位變化與建筑(構(gòu)筑)物加載以及滑帶土的蠕變等因素，對復(fù)活滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性動態(tài)分析.

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Experimental Study on Creep Characteristics of Slip Soil

LIAOHengyun,WANGWei,GAOYang

(College of Environment and Civil Engineering ,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Abstract:Based on field investigation and physical mechanics experiment and taking the partial reactivated landslide of Lama ancient landslide by the Meigu River as a project case,this paper does experiment on the creep properties of slip soil of the landslide by multi-stage loading.The trial curve obtained by using Boltzmann principle of linear superposition is changed into staged loading.Based on this,the isochronous curve of the slip soil is obtained.Then,by analyzing and processing the creep curve and the isochronous curve decided by the experiment,this paper establishes the empirical model of power relationship of the reactivated landslide of Lama ancient landslide.Meanwhile,combined with the long-term failure criterion,the long-term strength equation of the power relationship of the slip soil of the landslide is obtained. Finally,the paper forecasts the trend of the slope’s deformation through analysis of the slope deformation by FLAC.

Key words:slip band soil;creep test;long term strength;deformation analysis

中圖分類號：TU411；P642.22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：廖珩云(1991 — )， 男， 碩士研究生， 從事巖土體穩(wěn)定性與邊坡結(jié)構(gòu)研究.

收稿日期：2016-01-12.

文章編號：1004-5422(2016)01-0090-05