云南省弥勒县滑石板水库滑坡滑带土室内流变试验研究

摘要:流变是岩土材料的重要特性之一,许多滑坡在破坏前都表现出明显的流变特性。但在实际工程中对于滑带土体流变特性及其所导致的土体强度变化往往没有较实用的分析预测方法。文章以云南省弥勒县滑石板水库滑坡滑带土为研究对象,通过对滑带土进行三轴蠕变试验及松弛试验,得出土体强度参数随时间变化的拟合曲线方程,为预测滑带土的长期强度提供一定理论依据,亦为评价滑坡的长期稳定性及预测滑坡防治工程的长期效果提供一定的理论基础。

关键词:滑带土三轴蠕变试验松弛试验强度参数

中图分类号:TK730.2文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010) 08-099-02

1引言

本文的研究对象为云南省弥勒县某滑坡体,其在2007年4月就发现坡体开始出现拉裂变形,2007年9月29日滑坡启动,2008年1月7日巨厚的滑坡体开始全面解体。后缘累计最大滑移距离达31m,主滑体下坐达11m。在复杂的物理-力学因素作用下,滑动带土力学特性的时间效应和强度损伤,利用流变理论来分析较为合适。为了解该滑坡滑动带土在饱水条件下的流变特性,并配合滑坡体的应力-变形的数值模拟和稳定性分析的需要,开展了以该滑坡滑动带土的三轴流变试验研究,以期为流变模型的建立与分析提供基本依据。

2实验

所用土样是从该滑坡的滑带区所取的土,该滑动带土属低液限粘土。

2.1三轴蠕变试验

试验采用三轴流变仪试验,实验方法为分别加载法,即采用固结不排水剪切蠕变试验,对某一土样施加某一固定不变的荷载(应力也不变),可记录下同一应力在若干个不同时刻的应变值。现有六台常规流变仪,试验分为四组,分别为围压每组试验过程和步骤如下:

(1)试样制备:制备含水量相当于液限土膏固结至50kpa压力水平时对应的含水量的土样。

(2)固结:试样在三轴仪中进行分级固结,加载比取1。试验中要记录排水体积随时间的变化,以便计算固结完成时的密度和含水量等。

(3)施加偏应力:采用一次加荷法施加偏应力。每一种固结压力水平,可施加6种不同大小的偏应力。若常规固结不排水剪切强为 。可采用以下六种不同的偏应力:0.3、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 。

(4)变形及孔隙水压力观测,施加偏应力阶段,观测时间可设定为:1分钟以内采样间隔为5s=0.083分钟;110分钟以内采样间隔为30s=0.5分钟;10分钟1小时以内采样间隔为5分钟;124小时以内采样间隔为60分钟;24小时以内采样间隔为4小时;对于偏应力水平为0.7,0.8,0.9 的试验,一小时以后的采样间隔应适当加密。蠕变试验观测总历时7～15天。

2.2松弛试验

松弛试验是在保持应变不变的条件下测试应力随时间降低的过程。通过松弛试验可以建立土的松弛模型,并进一步预测土的长期强度。从而为预测滑坡的长期稳定性提供计算参数。本文通过开发英国GDS试验类分别量测不同围压下的应力随时间的松弛曲线,步骤如下:

(1)用常规三轴试验测得试样的强度参数,并计算各级围压下土样的剪切强度峰值τf;

(2)施加一定的固结压力对试样进行排水固结,直到固结稳定;

(3)选择GDS的高级加载模块,按一定的剪切速率(通常取0.15mm/min),对试样进行剪切,剪应力q随着剪应变的增加而加大,当q达到峰值强度τf的80%～90%时停止剪切;

(4)这时需要选择高级加载模块中的“围压保持不变、反压为零、应变保持不变”的加载方案,这时GDS仪器会自动保持当前的剪应变不变,并自动记录剪应力随时间的变化曲线。

3结果与讨论

3.1三轴蠕变试验结果及分析

本文提供的在100kPa,200kPa,300kPa和400kPa下的稳定蠕变试验曲线。这是因为:(1)含水量只影响蠕变量的绝对值,对其相对值影响不大,且非饱和土样含水量和饱和土样含水量相差较小(仅0.2%),这一小量差异对流变的影响也较小(2)对滑坡来说,考虑的是其长期强度与稳定问题,滑带土应为排水固结的,此点试验与实际情况相一致(3)当偏应力大于本文所示的最大荷载后,土样出现了急剧破坏状况,由于试验数据测量困难,在此没有给出。根据流变试验原始数据算出滑石板水库滑坡滑动带土流变试验的应力-应变-时间关系曲线。为了看清楚蠕变曲线在加载短时间内的应变走势,特意采用了实际加载时间的对数来表示时间。这样将加载短时间内的蠕变曲线拉长了,同时又将之后长时间段的蠕变曲线压扁了,对于反映蠕变更加清晰。

可得以下结论:

(1)该滑坡滑动带土在低应力水平下,其蠕变特性为加载后很快进入衰减蠕变,其蠕变曲线近似为一条直线;在较高应力水平下,加载后蠕变急剧发展,但是随后慢慢趋近缓和流动阶段,但是应变变化速率持续减小趋于某一很小值,最后应变缓慢发展;

(2)等时曲线与蠕变曲线具有较好的相似性,可用相同的应力函数和时间函数来模拟不同偏应力水平下的应力-应变关系和应变-时间关系;

(3)随q值的提高,蠕应变及初始应变量都相应提高。由等时曲线可以看出,应力-应变关系具有明显的非线性。

3.2松弛试验结果及分析

围压为50kPa、100 kPa、200 kPa下试样的试验数据及曲线的松弛曲线见图4所示。该类型曲线可以用自然对数公式来拟合,根据其拟合公式模拟松弛模型,即可预测该类土在各个围压下任意时刻t的偏应力值q(t),则其时最大主应力为。按一定的步长,依次取t=1s到t=16000s,可以获得这三种围压下的最大主应力。

在某t时刻,三种围压下的试样的最大最小主应力分别为 ,按照莫尔-库仑破坏理论,由此即可确定该土的强度包线。画出这三个极限应力圆,然后作这三个圆的公切线(设直线方程为,即为以总应力表示的该土的总强度包线。其中表示该土在t时刻的内摩擦角,ct表示该土在t时刻的粘聚力, 为t时刻该土的总强度包线的斜率,简记为k,则直线方程变为。

这里确定三个圆的最佳公切线需要知道未知数k和ct,可以用最小二乘法的方法来求解。该总强度包线与应力圆半径辅助线分别有交点P1、P2、P3,同时应力圆半径延长线与应力圆和主应力轴分别有交点P4、P5、P6和A1、A2、A3。最佳的公切线应该使这两个未知数满足下式:

用上述方法求得所有时刻该土的总强度包线,各个时刻下其强度参数见下表所示。

各个时刻土的强度参数

根据此表即可绘制出强度参数与时间的关系曲线,并将其用指数函数拟合。求得该类型土样在受荷下任意时刻t的强度参数表达式,其关系曲线和拟合曲线见图1和2所示(注:将时间化为了分钟)。

图1 内摩擦角与时间的关系曲线和拟合

图2 粘聚力与时间的关系曲线和拟合

则长期抗剪强度表达式如下:

(3.4)

为进行对比,将常规土工剪切试验已所得强度参数列出:

对比t=1s时刻取得的强度参数=10.924°、c=5.75kPa,发现该试样重塑土的强度偏低,特别是粘聚力偏低。

对强度参数修正后,结果如下:

(3.1)

(3.2)

令,由这两式得到该滑带土的长期强度参数:

(3.3)

4结论

本文以云南省弥勒县某滑坡滑带土为研究对象,以滑带土的松弛试验数据和三轴蠕变试验数据为基础,整理出了应力应变等时曲线、柔度曲线等若干图形,并得出了滑带土的长期强度参数的拟合公式。这些工作为寻求滑坡蠕变分析模型,对滑坡进行稳定性分析和滑坡预报具有重要的学术和工程意义。

参考文献:

[1]周德培.流变力学原理及其在岩土工程中的应用[M].成都:西南交通大学出版社,1995.

[2]孙钧.岩土材料流变及其工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[3]赵维炳,施健勇.软土固结与流变[M].南京:河海大学出版社,1996.

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