王新剛，谷天峰，王家鼎

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

?

基質(zhì)吸力控制下的非飽和黃土三軸蠕變?cè)囼?yàn)研究

王新剛，谷天峰，王家鼎

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

針對(duì)研究區(qū)(黑方臺(tái)地區(qū))黃土的非飽和蠕變特性，采用改進(jìn)型的FSR- 10非飽和三軸蠕變儀進(jìn)行了基質(zhì)吸力控制條件下的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：(1)當(dāng)施加的偏應(yīng)力較小時(shí)，黃土的變形較小，并具有一定程度的可恢復(fù)性，隨著偏應(yīng)力的增加，土顆粒需經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間才能夠移動(dòng)到新的位置，達(dá)到新的平衡，當(dāng)偏應(yīng)力增加到一定程度時(shí)，顆粒移動(dòng)難以達(dá)到平衡，土樣發(fā)生破壞。(2)在其他條件相同的情況下，圍壓與試樣產(chǎn)生的變形量呈負(fù)相關(guān)，且圍壓越小，變形達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間也越長(zhǎng)；(3)在圍壓和偏應(yīng)力水平一定的情況下，土體的變形量隨基質(zhì)吸力呈負(fù)相關(guān)，且基質(zhì)吸力越小，蠕變曲線達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng)。

基質(zhì)吸力；非飽和；黃土；三軸蠕變?cè)囼?yàn)

黃土滑坡、黃土路基開挖邊坡失穩(wěn)、黃土高填方等工程問題均與黃土的蠕變特性有密切關(guān)系[1～3]。黃土的強(qiáng)度和變形不僅涉及到土的飽和狀態(tài)，也涉及到土的非飽和狀態(tài)，黃土具有強(qiáng)烈的水敏性[4]，黃土地區(qū)95%以上的重大災(zāi)害與水和人類活動(dòng)有關(guān)[5]，非飽和黃土的特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水敏性控制了各類黃土地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與發(fā)展[6]。Fredlund等[7]、黃潤(rùn)秋等[8]、Zou等[9]的研究也表明，非飽和帶土體力學(xué)性質(zhì)的變化對(duì)斜坡穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生重要影響，但未在黃土滑坡地區(qū)做驗(yàn)證工作。邢鮮麗等[10]、郭倩怡等[11]、Wen等[12]基于含水量變化對(duì)黃土強(qiáng)度和變形性質(zhì)做了研究，而針對(duì)我國(guó)黃土的蠕變研究表明無論是Q3黃土[1]，還是Q2黃土[13]，含水量越高，其蠕變性越強(qiáng)。因此，考慮吸力作用的非飽和黃土蠕變特性研究具有非常重要的理論與工程實(shí)踐意義[14]。

本文針對(duì)非飽和黃土，采用改進(jìn)型的FSR- 60非飽和三軸蠕變儀進(jìn)行了基質(zhì)吸力控制條件下的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，研究了不同基質(zhì)吸力、應(yīng)力加載等級(jí)及圍壓對(duì)黃土應(yīng)力- 應(yīng)變- 時(shí)間關(guān)系的影響規(guī)律，分析了黃土的蠕變機(jī)理，為黃土地區(qū)非飽和黃土的蠕變力學(xué)特性提供試驗(yàn)積累和理論分析參考。

1 非飽和黃土三軸蠕變?cè)囼?yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用黃土取自甘肅省蘭州市永靖縣黑方臺(tái)地區(qū)，取土深度為10 m，屬Q(mào)3馬蘭黃土，為減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，野外取樣過程中嚴(yán)格保持取樣層位和深度的一致性。本次試驗(yàn)采用61.8 mm×125 mm (直徑×高度) 的原狀土樣，制備過程中在盡量避免土樣擾動(dòng)的前提下利用削土刀將土樣削成規(guī)定大小的圓柱體，原狀土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)型的FSR- 60非飽和土蠕變儀上進(jìn)行，為提高測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在FSR- 10蠕變儀基礎(chǔ)上，新增了氣壓伺服控制系統(tǒng)，配合砝碼加載方式，可以保證長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)軸力、孔隙氣壓保持穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行了升級(jí)，傳感器精度提高至0.1%FS。

1.3 試驗(yàn)方案

取樣位置黃土的天然含水率為6%～9%，根據(jù)這種土的水土特征曲線，天然含水量下基質(zhì)吸力為90～110 kPa。黃土從天然含水量到逐漸飽和的過程，即基質(zhì)吸力由天然狀態(tài)逐漸降低到0的過程，因此，黃土非飽和蠕變?cè)囼?yàn)研究是基質(zhì)吸力從100～0 kPa的過程。為研究不同基質(zhì)吸力及不同應(yīng)力水平下黃土的蠕變特性，將控制在3種基質(zhì)吸力下的土樣分別在3種圍壓下對(duì)其蠕變特性進(jìn)行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)研究選取3種基質(zhì)吸力分別為25 kPa，50 kPa及100 kPa?？紤]到非飽和黃土層的厚度，圍壓分別取50 kPa，100 kPa及150 kPa。

試驗(yàn)采用單試件分級(jí)加載法進(jìn)行加載，具體加載方式如表2所示。 本試驗(yàn)采用試樣在1 d內(nèi)的變形量小于0.01 mm作為蠕變穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)[14]。為滿足實(shí)驗(yàn)過程中穩(wěn)定基質(zhì)吸力的要求，需打開排水閥門，以助于試樣基質(zhì)吸力的調(diào)節(jié)。

表2 不同圍壓下法向荷載的加載方案

2 非飽和黃土蠕變?cè)囼?yàn)成果分析

由于在試樣過程中采用分級(jí)加載所得到的蠕變?cè)囼?yàn)曲線不能直接利用，通常需要通過“坐標(biāo)平移法”進(jìn)行處理，即應(yīng)用 Boltzmann 線性疊加原理[15]，將分級(jí)加載所得到的曲線轉(zhuǎn)換成分別加載下形成的曲線，以得到蠕變曲線，進(jìn)行試驗(yàn)成果分析。

2.1 應(yīng)力加載等級(jí)對(duì)黃土蠕變曲線的影響

本文在基質(zhì)吸力固定的情況下(Ua-Uw=25 kPa，50 kPa，100 kPa)，控制圍壓σ3為50 kPa，100 kPa和150 kPa 3種情況，施加法向荷載，不同應(yīng)力加載等級(jí)下土體蠕變曲線如圖1～3所示?？梢钥闯觯煌瑧?yīng)力加載等級(jí)下黃土的蠕變曲線有以下幾點(diǎn)特征：

(1)從曲線形狀來看，當(dāng)偏應(yīng)力水平較低時(shí)，從變形開始到趨于穩(wěn)定所需的時(shí)間很短。隨著偏應(yīng)力水平的升高，蠕變變形量不斷增大，變形趨于穩(wěn)定所需的時(shí)間也越長(zhǎng)，應(yīng)變速率的衰減也隨之減緩。以基質(zhì)吸力50 kPa、圍壓100 kPa作用下的黃土試樣為例，偏應(yīng)力水平在90 kPa以下時(shí)，變形在2 000 min內(nèi)趨于穩(wěn)定，變形量小于0.7%；偏應(yīng)力水平在150 kPa以下時(shí)，變形在5 000 min內(nèi)趨于穩(wěn)定，變形量小于2.5%；當(dāng)偏應(yīng)力達(dá)到180 kPa時(shí)，變形達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間在8 000 min以上，變形量達(dá)到約3.5%。

圖1 不同應(yīng)力加載等級(jí)下應(yīng)變- 時(shí)間關(guān)系曲線(Ua-Uw =25 kPa)Fig.1 Strain- time curve under different stress loading levels (Ua-Uw =25 kPa)

圖2 不同應(yīng)力加載等級(jí)下應(yīng)變- 時(shí)間關(guān)系曲線(Ua-Uw =50 kPa)Fig.2 Strain- time curve under different stress loading levels (Ua-Uw =50 kPa)

圖3 不同應(yīng)力加載等級(jí)下應(yīng)變- 時(shí)間關(guān)系曲線(Ua-Uw =100 kPa)Fig.3 Strain- time curve under different stress loading levels (Ua-Uw =100 kPa)

(2)隨著偏應(yīng)力水平的逐漸增大，蠕變變形量逐級(jí)增加。在高偏應(yīng)力水平作用下，部分試樣幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生的變形量比低應(yīng)力水平下多級(jí)累計(jì)的變形量還要多很多。以基質(zhì)吸力100 kPa、圍壓100 kPa作用下的黃土試樣為例，在偏應(yīng)力水平為300 kPa時(shí)，試樣5 min內(nèi)變形達(dá)到0.56%，其它低偏應(yīng)力水平下多級(jí)累計(jì)變形量為0.46%。

(3)當(dāng)偏應(yīng)力較小時(shí)，由于土體結(jié)構(gòu)比較疏松，土粒間孔隙大，易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，在較短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到新的平衡，所以蠕變曲線在較短時(shí)間內(nèi)就可以趨于穩(wěn)定。隨著偏應(yīng)力的增加，土體結(jié)構(gòu)不斷變得密實(shí)，土粒間的摩擦力變大，土顆粒需經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間才能夠移動(dòng)到新的位置，達(dá)到新的平衡。當(dāng)偏應(yīng)力增加到一定程度時(shí)，顆粒移動(dòng)難以達(dá)到平衡，土樣發(fā)生破壞。

2.2 圍壓對(duì)黃土蠕變曲線的影響

在基質(zhì)吸力固定情況下(Ua-Uw=25 kPa，50 kPa，100 kPa)，控制圍壓σ3為50 kPa，100 kPa和150 kPa 3種情況，逐級(jí)施加荷載，蠕變曲線如圖4～6所示，可以看出黃土的蠕變曲線有以下幾點(diǎn)特征：

(1)在相同基質(zhì)吸力和相近偏應(yīng)力水平下作用下，圍壓與試樣產(chǎn)生的變形量呈負(fù)相關(guān)，如圖4a中，圍壓50 kPa時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.776%，圍壓100 kPa時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.912%，圍壓150 kPa時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.016%。

圖4 不同圍壓下應(yīng)變- 時(shí)間曲線(Ua-Uw =25 kPa)Fig.4 Stain- time curve under different confining pressure levels (Ua-Uw =25 kPa)

圖5 不同圍壓下的應(yīng)變- 時(shí)間曲線(Ua-Uw =50 kPa)Fig.5 Stain- time curve under different confining pressure levels (Ua-Uw =50 kPa)

圖6 不同圍壓下應(yīng)變- 時(shí)間曲線(Ua-Uw =100 kPa)Fig.6 Stain- time curve under different confining pressure levels (Ua-Uw =100 kPa)

(2)低圍壓作用下的土體產(chǎn)生的變形量較大(如圖5b中，圍壓50 kPa時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.424%，圍壓100 kPa時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.980 21%，圍壓150 kPa時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.224%)，且變形達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間較長(zhǎng)。這是由于在較低的圍壓下，土體周圍受到的力較小，在一定外力的作用下，土顆粒易向四周移動(dòng)，試樣破壞后未產(chǎn)生明顯的破壞面，以軸向的壓縮變形為主，試樣易發(fā)生側(cè)向鼓脹(圖7，偏應(yīng)力為60 kPa,基質(zhì)吸力25 kPa)，因此，其變形量相對(duì)于較大圍壓下要大，土體達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間也越長(zhǎng)。

圖7 受壓后的鼓型土樣Fig.7 Bulged soil sample after pressure application (σ1-σ3=60 kPa，Ua-Uw=25 kPa)

2.3 基質(zhì)吸力對(duì)黃土蠕變曲線的影響

以圍壓50 kPa、法向荷載100 kPa時(shí)不同基質(zhì)吸力黃土的蠕變曲線為例(圖8)，分析不同基質(zhì)吸力對(duì)黃土蠕變特性的影響規(guī)律。

圖8 不同基質(zhì)吸力下應(yīng)變- 時(shí)間曲線(σ3=50 kPa,σ1=100 kPa)Fig.8 Stain- time curve under different matric suction (σ3=50 kPa,σ1=100 kPa)

由圖8可以看出，在圍壓相同和法向荷載水平一定的情況下：(1)當(dāng)基質(zhì)吸力較高時(shí)，土體產(chǎn)生的變形量較小，當(dāng)基質(zhì)吸力較低時(shí)，土體產(chǎn)生的變形量較大，即土體的變形量隨基質(zhì)吸力呈負(fù)相關(guān)，如基質(zhì)吸力為100 kPa，最大應(yīng)變量為7.048%；基質(zhì)吸力為50 kPa，最大應(yīng)變量為0.472%；基質(zhì)吸力為20 kPa，最大應(yīng)變量為0.2%。(2)當(dāng)基質(zhì)吸力較高時(shí)，應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間較短，當(dāng)基質(zhì)吸力較低時(shí)，應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間較長(zhǎng)。這是因?yàn)楫?dāng)基質(zhì)吸力較高時(shí)，土體孔隙中的含水量較低，土顆粒間的摩擦力較大，土體強(qiáng)度較大，因此土體變形量較?。划?dāng)土體的基質(zhì)吸力較低時(shí)，土體孔隙中的含水量較高，土顆粒間的有效應(yīng)力減少，土體的強(qiáng)度降低，且土孔隙中的水對(duì)土顆粒的潤(rùn)滑作用減少了土顆粒間的摩擦力，促進(jìn)了土體的變形，其變形量相對(duì)于基質(zhì)吸力較大的土體要大，土體達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)施加的偏應(yīng)力較小時(shí)，黃土的蠕變變形較小，并具有一定程度的可恢復(fù)性，隨著偏應(yīng)力的增加，土顆粒需經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間才能夠移動(dòng)到新的位置，達(dá)到新的平衡，當(dāng)偏應(yīng)力增加到一定程度時(shí)，顆粒移動(dòng)難以達(dá)到平衡，土樣發(fā)生破壞。

(2)在其他條件相同的情況下，圍壓與試樣產(chǎn)生的變形量呈負(fù)相關(guān)，且圍壓越小，變形達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間也越長(zhǎng)。

(3)在圍壓和偏應(yīng)力水平一定的情況下，土體的變形量隨基質(zhì)吸力呈負(fù)相關(guān)，且基質(zhì)吸力越小，蠕變曲線達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng)。

[ 1] 王松鶴, 駱亞生, 董曉宏, 等. 黃土剪切蠕變特性試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 29(5): 3088-3092. [WANG S H, LUO Y S, DONG X H,etal. Experimental study of shear creep characteristics of loess[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(5): 3088-3092.(in Chinese)]

[ 2] 葛苗苗,李寧,鄭建國(guó),等. 基于一維固結(jié)試驗(yàn)的壓實(shí)黃土蠕變模型[J]. 巖土力學(xué),2015,36(11):3164-3170.[GE M M, LI N, ZHENG J G,etal. A creep model for compacted loess based on 1D oedometer test[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015,36(11):3164-3170. (in Chinese)]

[ 3] 朱才輝, 李寧, 劉俊平. 壓實(shí)Q3馬蘭黃土蠕變規(guī)律研究[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 27(4): 392-399.[ZHU C H, LI N, LIU J P. Research on the creep behavior of compacted Q3Malan loess[J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2011, 27(4): 392-399. (in Chinese)]

[ 4] 莊建琦,彭建兵,李同錄,等. “9·17”灞橋?yàn)?zāi)難性黃土滑坡形成因素與運(yùn)動(dòng)模擬[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2015,23(4):747- 754.[ZHUANG J Q, PENG J B, LI T L,etal. Triggerrded factores and motion simulation of “9.17” Baqiao catastrophic landslide [J]. Journal of Engineering, 2015,23(4):747-754. (in Chinese)]

[ 5] 彭建兵,林鴻州,王啟耀,等. 黃土地質(zhì)災(zāi)害研究中的關(guān)鍵問題與創(chuàng)新思路[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2014,22(4):684- 691.[PENG J B，LIN H Z，WANG Q Y，etal.The critical issues and creative concepts in mitigation research of loess geological hazards[J].Journal of Engineering Geology，2014，22( 4) : 684-691. (in Chinese)]

[ 6] 唐東旗,彭建兵,黃強(qiáng)兵. 非飽和黃土微觀結(jié)構(gòu)與黃土滑坡[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2012,32(4):509-513.[TANG D Q, PENG J B, HUANG Q B. Microstructure of Unsaturated Loess and Loess Landslide[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2012,32(4): 509-513. (in Chinese)]

[ 7] Fredlund D G, Rahard Jo H. Soil mechanics for unsaturated soil[M]. New York: John Wiley and Sons, 1993.

[ 8] 黃潤(rùn)秋, 戚國(guó)慶. 非飽和滲流基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 2002, 10(4): 343-348.[HUANG R Q, QI G Q. The effect of unsaturated soil suction on slope stability[J]. Journal of Engineering Geology, 2002, 10(4): 343-348. (in Chinese)][ 9] Zou L C, Wang S M, Lai X L. Creep model for unsaturated soils in sliding zone of Qianjiangping landslide[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering,2013, 5 :162-167.

[10] 邢鮮麗,李同錄,李萍,等.黃土抗剪強(qiáng)度與含水率的變化 規(guī) 律[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2014,41(3): 53-59. [XING X L, LI T L, LI P,etal.Variation regularities of loess shear strength with the moisture content[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2014,41(3) : 53-59. (in Chinese)]

[11] 郭倩怡,谷天峰,吳熠哲.永靖非飽和黃土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2015,42(6) :103-113.[GUO Q Y, GU T F, WU Y Z. A test study of unsaturated loess in Yongjing County[J].Hydrogeology & Engineering Geology， 2015， 42 (6):103-113. (in Chinese)]

[12] Wen B.P., Yan Y.J. Influence of structure on shear characteristics of the unsaturated loess in Lanzhou[J]. Engineering Geology, 2014, 168:46-58.

[13] 謝星,王東紅,趙法鎖. Q2黃土流變特性及其統(tǒng)計(jì)損傷流變模型[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2010,37(3):63-68.[XIE X，WANG D H，ZHAO F S.Study on rheological Properties and Statistical Damage rheological Model for Q2Loess[J]. Hydrogeology & Engineering Geology，2010，37 ( 3 ) : 63- 68. (in Chinese)]

[14] 賴小玲,葉為民,王世梅. 滑坡滑帶土非飽和蠕變特性試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(2):286-293.[LAI X L, YE W M, WANG S M. Experimental study of unsaturated creep characteristics of landslide soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(2): 286-293. (in Chinese)]

[15] 王新剛,胡斌,唐輝明,等. 滲透壓- 應(yīng)力耦合作用下泥巖三軸流變實(shí)驗(yàn)及其流變本構(gòu)[J]. 地球科學(xué),2016,41(5):886-894.[WANG X G, HU B, TANG H M,etal. Triaxial rheological experiments and the rheological constitutive research on mudstone under hydro- mechanical coupling[J]. Earth Science, 2016,41(5):886-894. (in Chinese)]

責(zé)任編輯：張明霞

Research on the triaxial creep test of unsaturated loess under the matric suction control

WANG Xingang， GU Tianfeng， WANG Jiading

(StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics/DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710069,China)

For the unsaturated loess, the improved FSR- 10 unsaturated triaxial creep testing apparatus is used to perform the triaxial creep test under the condition of the matric suction control. The results indicate that less applied deviatoric stress results in less deformation of the loess, and such deformation is recoverable to some extent. As the deviatoric stress increases, it takes a longer time for soil particles to move to a new position and reach a new balance. When the deviatoric stress increases to a certain degree, it is hard for the particles to move to a balanced state, and the soil sample is damaged. When other conditions are the same, the confining pressure is inversely correlated to the sample deformation, and smaller confining pressure results in a longer time needed for stabilizing the deformation. When the confining pressure and the deviatoric stress are fixed, the deformation of soil is inversely correlated to the matric suction, and smaller matric suction results in a longer time needed for stabilizing the creep curve.

matric suction; unsaturated; loess; triaxial creep test

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.09

2017- 01- 13;

2017- 03- 15

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助(41630639)；中國(guó)博士后基金資助(2016M602743)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目資助(2016JQ4014)；陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目資助(16JK1766)

王新剛(1984- )，男，講師，主要從事巖土體長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析、數(shù)值模擬等研究。E- mail：328602223@qq.com

TU 11.8

A

1000- 3665(2017)04- 0057- 05