王新剛，劉 凱，王友林，張培棟，石 衛(wèi)，羅 力

（1.大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系, 陜西 西安 710069；2.陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心, 陜西 西安 710068）

黃土高原是世界上最大的黃土堆積區(qū)，占我國(guó)國(guó)土面積的6.6%[1]，黃土蠕變現(xiàn)象是黃土高原地區(qū)工程建設(shè)中不可忽視的重要因素[2]，黃土斜坡在受到人工灌溉[3]、降雨[4-5]、河流水浸潤(rùn)[6]等作用后容易發(fā)生蠕變[7]，最終發(fā)生滑坡，有時(shí)甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的事故，因此研究不同含水率下黃土蠕變特性顯得尤為重要[8]。

黃土的變形、破壞具有時(shí)間效應(yīng)，即蠕變特性，以往學(xué)者在這方面做了大量研究，并取得了豐碩的成果，如葛苗苗等[9]對(duì)壓實(shí)黃土進(jìn)行了常含水率壓縮試驗(yàn)和常應(yīng)力增濕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黃土蠕變是在恒定荷載作用下由土顆?；驁F(tuán)聚體的蠕滑、大孔隙壓縮引起的；王松鶴等[10]的研究表明飽和黃土的蠕變現(xiàn)象相較于重塑黃土與原狀黃土更明顯；陳沛等[11]對(duì)黃土-基巖開(kāi)展了直剪蠕變?cè)囼?yàn)并建立了蠕變模型進(jìn)行定量描述，發(fā)現(xiàn)蠕變階段與滑坡的演化過(guò)程相似；魏建柄等[12]對(duì)非飽和粉質(zhì)黏土進(jìn)行三軸壓縮固結(jié)排水蠕變?cè)囼?yàn)，建立了能夠反映基質(zhì)吸力變化的蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停荒綗|等[13]基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)理論對(duì)Q3黃土蠕變過(guò)程進(jìn)行了分析，建立了分?jǐn)?shù)階改進(jìn)西原模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)黃土蠕變各個(gè)階段的模擬。

黃土的蠕變受多種因素影響，含水率的變化是影響其蠕變特性的主要因素之一。王鵬程等[14]對(duì)涇陽(yáng)縣某邊坡重塑黃土進(jìn)行了不同含水率下的三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，試驗(yàn)表明含水率對(duì)蠕變特性有顯著影響。王新剛等[15]進(jìn)行了基質(zhì)吸力控制下的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，討論了偏應(yīng)力、圍壓與基質(zhì)吸力對(duì)非飽和黃土蠕變過(guò)程的影響。朱才輝等[16]對(duì)黃土隧道地層試樣進(jìn)行了單軸蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明地層初始含水率越大，圍巖壓力及收斂變形量越大；且隨著隧道埋深的增加，黃土蠕變引起的圍巖壓力比和收斂變形比增大。單帥等[17]對(duì)延安新區(qū)壓實(shí)黃土進(jìn)行了不同基質(zhì)吸力下的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)表明不同基質(zhì)吸力下土樣的蠕變特性不同，在低應(yīng)力、較高應(yīng)力水平下呈現(xiàn)衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變特性，在高應(yīng)力水平下呈現(xiàn)加速蠕變特性。在滑坡黃土蠕變方面，周靜靜等[18]研究黃土滑坡滑帶土的蠕變特性，發(fā)現(xiàn)滑帶土的蠕變特性對(duì)低速緩動(dòng)滑坡的形成演化起控制性作用。隨著滑帶土蠕變破壞的發(fā)生，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，孔隙定向性減弱，數(shù)目急劇增加[19]。

以上學(xué)者的研究豐富了對(duì)黃土蠕變特性的認(rèn)識(shí)，然而對(duì)于黃土滑坡滑帶土不同含水率下的蠕變特性仍然需要進(jìn)一步的深入研究，尤其是針對(duì)黃土滑坡滑帶土不同含水率下蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度及長(zhǎng)期強(qiáng)度折損率的研究。本文對(duì)榆林色草灣村黃土滑坡滑帶土進(jìn)行實(shí)地采樣后，在室內(nèi)進(jìn)行不同含水率下的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，研究了黃土滑坡滑帶土三軸蠕變過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系的規(guī)律，并從雙電層理論和土體結(jié)構(gòu)性角度對(duì)其進(jìn)行了解釋；此外還分析了試樣蠕變破壞形態(tài)，并利用等時(shí)曲線揭示了研究區(qū)黃土滑坡滑帶土的長(zhǎng)期強(qiáng)度及長(zhǎng)期強(qiáng)度折損率規(guī)律。

1 研究方案

1.1 試樣制備

本文研究的黃土樣品取自榆林市榆陽(yáng)區(qū)青云鎮(zhèn)色草灣村榆溪河支流旁發(fā)育典型黃土滑坡滑帶土，如圖1（a）所示。受降雨、河水的浸潤(rùn)作用，該滑坡一定范圍內(nèi)的黃土體浸濕，含水率增大使其抗剪強(qiáng)度減小，增大了滑坡災(zāi)害發(fā)生的可能性。該滑坡全貌如圖1（b）所示。因黃土滑坡滑帶土在不同含水率下蠕變，該滑坡具有明顯多期次滑動(dòng)特性，如圖1（c）—（e）所示，嚴(yán)重威脅其上緣的工廠、高速路和輸電塔的安全。本次試驗(yàn)所取滑帶土樣品為Q3黃土，其干密度為1.50 g/cm3，土粒密度為2.70 g/cm3，天然含水率10%，液限20.7%，塑限12.6%。

圖1 色草灣村黃土滑坡Fig.1 Loess landslide in Secaowan village

在室內(nèi)采用水膜轉(zhuǎn)移法將野外取回的黃土樣品含水率（w）調(diào)整到目標(biāo)值10%、12%、14%、16%和18%，并削制成不同含水率下的圓柱樣（圖2），樣品規(guī)格為直徑61.8 mm、高度125 mm，制樣后將樣品放置于保濕缸中靜置2 d 使其水分遷移均勻。

圖2 黃土樣品Fig.2 Loess samples

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)所用儀器為FSR-60 型三軸蠕變儀，蠕變?cè)囼?yàn)采用分級(jí)加載方式[2]，首先根據(jù)常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)下剪切破壞時(shí)的偏應(yīng)力（q）來(lái)設(shè)置蠕變?cè)囼?yàn)偏應(yīng)力荷載水平。各含水率下（w=10%、12%、14%、16%、18%）試樣剪切破壞的偏應(yīng)力分別為312.5，300.0，275.0，250.0，237.5 kPa。分別取常規(guī)三軸剪切破壞時(shí)偏應(yīng)力的50%、60%、70%、80%、90%和95%作為蠕變?cè)囼?yàn)分級(jí)加載的偏應(yīng)力大小，蠕變?cè)囼?yàn)偏應(yīng)力加載等級(jí)方案如表1所示。根據(jù)土體取樣位置，本文三軸試驗(yàn)所采用的圍壓均為100.0 kPa。

表1 蠕變?cè)囼?yàn)偏應(yīng)力加載方案Table 1 Deviator stress loading scheme for creep tests

2 結(jié)果

2.1 蠕變?nèi)^(guò)程曲線

以w=10%試樣的蠕變?nèi)^(guò)程曲線（圖3）為例進(jìn)行分析，該地區(qū)黃土滑坡滑帶土蠕變特性明顯，蠕變曲線呈現(xiàn)出4 個(gè)階段：瞬時(shí)彈性變形、初始衰減蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變、加速蠕變。在施加每1 級(jí)偏應(yīng)力荷載后，軸向應(yīng)變會(huì)瞬時(shí)增大，為瞬時(shí)彈性階段；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，應(yīng)變速率逐漸減小，曲線非線性且呈現(xiàn)出上凸的形態(tài)，并向直線狀態(tài)過(guò)渡，為初始衰減階段；穩(wěn)態(tài)蠕變階段應(yīng)變與時(shí)間呈現(xiàn)出近似直線狀態(tài)；在施加最后1 級(jí)達(dá)到破壞偏應(yīng)力荷載時(shí)，應(yīng)變速率急劇增加，短暫時(shí)間內(nèi)試樣破壞，為加速蠕變階段。

圖3 w=10%試樣蠕變?nèi)^(guò)程曲線Fig.3 Full-process creep curve of loess sample (w=10%)

2.2 黃土蠕變應(yīng)變-時(shí)間曲線

利用Boltzmann 疊加原理[20]對(duì)不同含水率下的蠕變?cè)囼?yàn)曲線進(jìn)行處理，如圖4 所示，其中含水率為12%、14%、18%的試樣在施加第5 級(jí)荷載時(shí)破壞，故圖4（b）、（c）和（e）中缺少第6 級(jí)荷載下的曲線。不同含水率下的試樣分級(jí)加載蠕變曲線具有如下規(guī)律：

圖4 不同含水率試樣分級(jí)加載蠕變曲線Fig.4 Creep curve of loess sample with different moisture content

（1）含水率越大，樣品蠕變破壞所需的偏應(yīng)力越小。如w=10%、12%、14%、16%、18%試樣的破壞偏應(yīng)力分別為300.0，262.5，250.0，237.5，212.5 kPa；w=18%試樣的破壞偏應(yīng)力比w=10%試樣小了29.1%。

（2）含水率越大，軸向應(yīng)變?cè)酱蟆Ｈ缡┘拥? 級(jí)荷載（破壞偏應(yīng)力的50%）時(shí)，10%、12%、14%、16%和18%含水率試樣穩(wěn)定時(shí)的軸向應(yīng)變分別為1.14%、2.94%、3.31%、3.4%和4.77%；當(dāng)施加偏應(yīng)力至150.0 kPa 時(shí)，含水率為10%、12%、16%、18%的試樣軸向應(yīng)變分別為1.14%、2.94%、4.37%、6.04%。由雙電層理論[21]可知，土顆粒的表面常帶有負(fù)電荷，由于表面電荷電場(chǎng)的作用，孔隙中的水分子和水化陽(yáng)離子會(huì)向顆粒周圍聚集，吸附在顆粒表面形成固定層；固定層外，水分子和水化陽(yáng)離子仍受到一定程度的靜電引力，形成擴(kuò)散層，固定層和擴(kuò)散層共同組成雙電層。雙電層內(nèi)的水為結(jié)合水，雙電層外的水為自由水，自由水可流動(dòng)并具有溶解能力。因此，當(dāng)含水率增大時(shí)，自由水厚度增大，土顆粒間膠結(jié)程度減小，且水膜會(huì)對(duì)土顆粒起潤(rùn)滑作用，使其易于錯(cuò)動(dòng)滑移。

（3）含水率越大，施加每級(jí)荷載后蠕變曲線達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（即蠕變曲線的斜率為固定值時(shí)）所需時(shí)間越長(zhǎng)。如施加第1 級(jí)偏應(yīng)力時(shí)，10%、12%、14%、16%、18%含水率試樣蠕變達(dá)到基本穩(wěn)定所需時(shí)間分別為10 641，23 575，40 221，57 275，66 214 s。這一現(xiàn)象可以解釋為：水分的增加使土體結(jié)構(gòu)完整性降低[22]，在應(yīng)力作用下土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整相對(duì)緩慢，固結(jié)和蠕變過(guò)程中孔隙水壓力消散需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。

3 分析與討論

3.1 黃土滑坡滑帶土蠕變破壞表面形態(tài)

根據(jù)不同含水率黃土滑坡滑帶土蠕變破壞后的表面形態(tài)（圖5）可知：含水率較小時(shí)，破壞后的試樣有明顯的剪切破壞面，如圖5（a）所示；含水率越大，試樣越容易橫向鼓脹，表現(xiàn)出塑性破壞的特征，如圖5（e）所示。這一現(xiàn)象可以解釋為：含水率較大時(shí)，水的軟化作用大于水對(duì)土體的裂隙擴(kuò)展作用[23]。

圖5 不同含水率試樣蠕變破壞后表面形態(tài)Fig.5 Surface morphology of loess sample with different water content after creep failure

3.2 長(zhǎng)期強(qiáng)度

長(zhǎng)期強(qiáng)度是指巖土體在長(zhǎng)期荷載作用下的強(qiáng)度，獲取長(zhǎng)期強(qiáng)度最常用的方法是等時(shí)曲線法[20]。等時(shí)曲線是指在1 組不同應(yīng)力水平的蠕變曲線中，相等時(shí)間所對(duì)應(yīng)的蠕變變形與應(yīng)力的關(guān)系曲線。等時(shí)曲線法是將各等時(shí)曲線的直線向曲線轉(zhuǎn)變的點(diǎn)識(shí)別出來(lái)，等時(shí)曲線中的拐點(diǎn)為黏彈性與黏塑性的分界處，標(biāo)志著黃土試樣由黏彈性階段向黏塑性階段轉(zhuǎn)化，其可視為長(zhǎng)期強(qiáng)度點(diǎn)[24]。各等時(shí)曲線拐點(diǎn)的連線漸近線將趨于一個(gè)穩(wěn)定值，類似屈服應(yīng)力形成的漸近線所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，該值所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度即為黃土的長(zhǎng)期強(qiáng)度值。限于篇幅本文僅展示16%含水率試樣的等時(shí)曲線圖（圖6），由圖可得出該條件下的黃土長(zhǎng)期強(qiáng)度值。

圖6 16%含水率試樣蠕變應(yīng)力-位移等時(shí)曲線Fig.6 Isochronous stress-displacement curves of loess sample with water content 16%

表2 為黃土滑坡滑帶土不同含水率下瞬時(shí)強(qiáng)度（qf）與長(zhǎng)期強(qiáng)度（q'），將不同含水率下黃土樣品的瞬時(shí)強(qiáng)度與長(zhǎng)期強(qiáng)度進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期強(qiáng)度均有不同程度減小。為了方便對(duì)比本文定義了黃土長(zhǎng)期強(qiáng)度折損率（Q）：

表2 黃土不同含水率下瞬時(shí)強(qiáng)度與長(zhǎng)期強(qiáng)度Table 2 Instantaneous strength and long-term strength of loess sample with different water content

隨著含水率的增大，瞬時(shí)強(qiáng)度與長(zhǎng)期強(qiáng)度均減小，且兩者差值越來(lái)越大（圖7）。根據(jù)式（1）計(jì)算黃土不同含水率下的長(zhǎng)期強(qiáng)度折損率（圖8），可以發(fā)現(xiàn)隨著黃土含水率的增大，長(zhǎng)期荷載下長(zhǎng)期強(qiáng)度折損率也逐漸增大，18%含水率樣品的長(zhǎng)期強(qiáng)度折損率高達(dá)28%，因此在黃土滑坡致滑機(jī)理中考慮黃土含水率增大后的蠕變特性是非常必要的。對(duì)圖7、圖8 中的數(shù)值進(jìn)行擬合，黃土滑坡滑帶土的長(zhǎng)期強(qiáng)度隨含水率的增大指數(shù)減小，而長(zhǎng)期強(qiáng)度折損率隨含水率的增大指數(shù)增大，具體關(guān)系如式（2）（3）所示。

圖7 瞬時(shí)/長(zhǎng)期強(qiáng)度與含水率關(guān)系Fig.7 Relationship between the instantaneous/long-term strength and water content

圖8 黃土長(zhǎng)期強(qiáng)度折損率規(guī)律圖Fig.8 Law of the long-term strength loss rate of loess

4 結(jié)論

（1）含水率越大，軸向應(yīng)變?cè)酱?，?dāng)含水率增大時(shí)，自由水厚度增大，土顆粒間膠結(jié)程度減小，且水膜會(huì)對(duì)土顆粒起潤(rùn)滑作用易于其錯(cuò)動(dòng)滑移。

（2）含水率越大，施加每級(jí)荷載后蠕變曲線達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（即蠕變曲線的斜率為固定值時(shí)）所需時(shí)間也越長(zhǎng)。水分的增加會(huì)使土體結(jié)構(gòu)完整性降低，在應(yīng)力的作用下土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整相對(duì)緩慢，因此固結(jié)和蠕變過(guò)程中孔隙水壓力的消散需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。

（3）含水率較小時(shí)，蠕變破壞后的試樣有明顯的剪切破壞面；試樣含水率越大，越容易發(fā)生橫向鼓脹，表現(xiàn)出塑性破壞特征，說(shuō)明含水率較大時(shí)，水的軟化作用大于水對(duì)于土體的裂隙擴(kuò)展作用。

（4）試樣的瞬時(shí)強(qiáng)度和長(zhǎng)期強(qiáng)度均隨含水率的增大而減小，且黃土滑坡滑帶土長(zhǎng)期強(qiáng)度折損率（Q）與含水率密切相關(guān)，隨含水率的變化呈現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)。