黄土坡滑坡滑带土的蠕变特性研究

元件来模拟该现象。当
剪应力较低（小于长期强 度）时，随着时间的增长， 应变速率逐渐降低，并以
图９博格斯元件模型 Ｆｉｇ．９ Ｂｕｒｇｅｒ’Ｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
ｍｏｄｄ
近似负指数的形式趋于某一渐近线，这种性质可以
采用Ｋｅｌｖｉｎ体来模拟。将弹性元件和Ｋｅｌｖｉｎ体串
联起来，可以反映蠕变变形的瞬时变形和减速变形
４结论
（１）黄土坡滑坡滑带土具有较强的流变特性。 滑带土的蠕变曲线具有很好的相似性，因此可以用相 同的函数形式来表示不同偏应力下的流变方程。在 一定程度上，利用Ｂｕｒｇｅｒ’Ｓ蠕变模型能较好地反映出
黄土坡滑带土的蠕变性，且计算曲线与试验点能较好 地拟合出蠕变的衰减蠕变阶段和稳定流动阶段，说明 此次流变试验是可靠的。
ｃｏｍｏ
万方数据
长江科学院院报
２００８生
利石、高岭石为主（见图２（ｂ））。由于滑带的反复多 次滑动，颗粒具有一定的定向性，见图２（ａ）。粗颗粒 之间一般不直接接触，粘土矿物介于颗粒与颗粒之间 起“润滑”作用。
图２滑带土扫描电镜成果 Ｆｉｇ．２ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ ｆｏｒ ＳＥＭ ｏｆ ｓｌｉｐ ｂａｎｄ ｓｏｉｌ
㈣２ 耋｜ ８
耋｜ ４ 耋｜ Ｏ
㈣６
０
２０００
４ ０００
６０００
ｔ／ｍｉｎ
８ ０００
１００００
图１１第二级剪应力下的试验点与计算曲线
Ｆｉｇ．１ １ Ｔｅｓｔ ｐｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｆｉｔｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ２ｎｄ ｃｌａｓｓ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｘｓ
Ｏ．０９
Ｏ．０８
∞０．０７
０．０６
阶段，也即著名的Ｂｕｇｅｒ’Ｓ模型，其元件组合形式见
图９。当剪应力大于长期强度时，将出现匀速蠕变，
并最终进入加速阶段而破坏。因此在上述模型的基
万方数据
第１期
汪斌等 黄土坡滑坡滑带土的蠕变特性研究
５１
础上再串联一个粘性元件就可以模拟匀速蠕变阶 段。这样，模拟瞬时变形的弹性元件和模拟匀速蠕 变的粘性元件串联，构成了Ｍａｘｗｅｌｌ体。但采用该 粘弹性模型很难准确地反映加速蠕变过程。其 Ｂｕｒｇｅｒ’Ｓ模型的蠕变方程为
晰，线性擦痕明显，矿物拉长并定向排列，具有蠕动滑
移特征。从扫描电镜成果可以看出，滑带土结构致
密。在粗颗粒之间，紧密充填有片状粘土矿物，以伊
收稿日期：２００７－０７—１０ 基金项目：国家自然科学基金重点项目（５０６３９０９０）；国家留学基金委中德合作ＰＰＰ项目（［２００４］３０６７） 作者简介：汪斌（１９７７一），男，湖北随州人，博士，主要从事岩土力学方面的研究工作，（电话）０２７—８２９２６５４２（电子信箱）ｃｕｇｗａｎｇｂｉｎ＠１６３
Ｂｕｒｇｅｒ’Ｓ模型来拟合衰减蠕变阶段时，存在一定偏 差。尤其在较低应力水平下时，模型计算曲线在蠕 变早期比试验曲线要小或相差不大，随着蠕变时间 的延长，其应变量比试验曲线点要高。在较高的应 力水平下，这种误差又会变小，这也说明了Ｂｕｒｇｅｒ
ｔ／ｍｉｎ
图１３第四级剪应力下的试验点与计算曲线
Ｆｉｇ．１３
口／ｋＰａ
图１４长期强度包线与峰值强度包线 Ｆｉｇ．１４ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
ａｎｄ ｐｅａｋｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ 从图１４可以看出，长期强度要比相应的应力状
态下的峰值强度减少３０％左右，而往往比残余强度 要高，这是因为长期强度是土结构还未破坏且仍存 在内摩擦力和粘聚力的强度，而残余强度是基本上 仅受摩擦力制约、连接已破坏过的强度。因此，在研 究滑坡体稳定性计算或者对变形控制要求较高时 （小变形）应用土体的长期强度值；若研究斜坡的长 期流动过程（大变形）则应用土体的残余强度。
中图分类号：ＴＵ４４１
文献标识码：Ａ
蠕变是工程材料中一个普遍的现象，也是岩土 工程中关注比较早的课题。在水利水电及道路建设 等大型项目中，水位变化、坡体上加载或卸荷诱发许 多大型的古滑坡复活，研究表明，滑带土的力学强度 特性的时间效应往往是控制滑坡变形的主要因素。 三峡库区的黄土坡、赵树岭和泄滩滑坡均处在库水 位周期变化影响中，其深部滑动带位移监测表明这 类滑坡均表现出明显的蠕变特征…１。这类滑坡滑 带土多为细粒土成分占优势的粘性土，其土力学特 征具有很多的相同之处。因此，对滑带土的蠕变特 性研究显得十分必要。
摘要：为了研究黄土坡滑坡滑带土的蠕变特性和长期强度，进行了室内流变试验。试验表明，滑带土具有较强的流 变特性。基于非线性Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ迭加原理处理的蠕变曲线簇具有很好的相似性。并根据蠕变试验成果，建立了反
映滑带土蠕变特性的Ｂｕｒｇｅｒ’Ｓ蠕变模型，进行了定常Ｂｕｒｇｅｒ’Ｓ蠕变模型的参数辨识。最后，比较了滑带土的长期强 度包线与峰值强度包线，结果表明，长期强度要比相应的应力状态下的峰值强度减少３０％左右。 关键词：滑带土；蠕变模型；蠕变特性；长期强度
万方数据
５２
长江科学院院报
２００８亟
某一临界值时，位移一时间曲线表现为衰减蠕变特 征，而超过此值时，位移一时间曲线表现为非衰减蠕 变，反映到双对数坐标中的应力一变形曲线上就会出 现拐点，而此点对应的剪应力值即为长期强度 值［３ｊ３。图１４为基于滑带土的常规试验和蠕变试验 得到的滑带土峰值强度包线、残余强度包线与长期 强度包线对比图。
开始加下一级荷载增量。各个固结应力下的测试得
到的原始成果见图３至图５。在线性粘弹性体假设
的前提下，利用非线性Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ迭加原理对原始
资料进行处理，可以得到各剪切力作用下的剪应变
和时间的蠕变曲线簇，见图６至图８。
０．６０ Ｏ．５０ ０．４０ 吣０．３０ Ｏ．２０ ０．１０
Ｏ．ｏｏ
∥ｍｉ“
图３盯为４００ ｋＰａ应力下蠕变试验结果
本文从黄土坡滑坡滑带土的基本物理性质研究 出发，对滑坡滑带土的蠕变特性进行研究，并建立了 适合该滑坡蠕变特性的应力、应变和时间三者关系 的方程。研究了黄土坡滑坡１＃崩滑体ＴＰ３平硐处 的深部滑带土的长期蠕变特性，建立了适合该滑坡 的蠕变特性的Ｂｕｇｅｒ’Ｓ方程，并对参数进行了无约束 非线性回归辨识。基于滑带土的常规试验和蠕变试 验研究，得到了滑带土的峰值强度包线与长期强度 包线，并对蠕变模型进行了分析。
Ｆｉｇ．３ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｃｒｅｅｐ ｔｅｓｔ ｕｎｄｅｒ盯＝４００ ｋＰａ
０ ０ ０ Ｏ ０
Ｏ ０ Ｏ Ｏ
０ 如稻∞弘如筋加”ｍ：兮
ｎ ｍ ｎ ｎ ｎ ｎ
ｎ仉ｎ
ｎ
ｎ 如蟠∞”如竹加”ｍ：兮∞
０
１０ ０００
２００００
３０ ０００ ｔ／ｍｉｎ
４００００
５０ ０００ ６０ ０００
图５盯为６００ ｋＰａ应力下蠕变试验结果
２滑带土的蠕变特性
２．１蠕变试验成果
蠕变试验仪器采用德国Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ大学的剪切 蠕变仪。试样取于ＰＴ３平硐，深５０ ｍ。为了减少试
验结果的离散性，增加可对比性，采用了同一取样点
的土样。试验分为４组，其垂向固结应力分别为
２５０，４００，５００，６００ ｋＰａ。加载方法采用陈氏加载法。
分级加载，当连续４８ ｈ总变形量小于０．００４ ｔｏｎｉ时，
表１博格斯模型蠕变参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｒｅｅｐ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｂｕｒｇｅｒ’Ｓ ｍｏｄｅｌ
模型在描述较低应力水平时的不足，而在描述较高 应力水平时，对于稳定流动阶段很有优势。
ｔｌｍｉｎ
图１０第一级剪应力下的试验点与计算曲线
Ｆｉｇ．１０
㈣６
Ｔｅｓｔｓ ｐｏｉｎｔ ａｎｄ ｆｉｔｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ １ｓｔ ｃｌａｓｓ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ
土取自临江１＃崩滑堆积体ＴＰ３平硐，共５组，见图
１。硐口高程１３８ ｍ，主硐长２４５．７ ｍ，两平பைடு நூலகம்揭露的
滑带所处地层岩性表明，临江崩滑堆积体由块石土、
碎石土夹粘性土、碎石土组成，其物质为粉质粘土夹
碎石，粉粒含量１７％～２３．１５％，粘土含量１０％～
４１．５％，透水陛弱。通过电镜扫描分析，粘土矿物以
Ｔｅｓｔ ｐｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｆｉｔｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ４ ｔｈ ｃｌａｓｓ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ
３滑带土的长期强度
材料的长期强度极限也是材料的耐久强度，它 标志着材料承受长期荷载的能力。确定土体的长期 强度最直接可靠的方法是取一组土样，在除了剪切 荷载不同外，其它条件一致的情况下进行蠕变试验。 根据试验蠕变曲线的重新处理得到等时曲线，以此 来确定长期强度值。其具体方法为，当剪应力小于
绿泥石、伊利石、高岭石、蒙脱石等亲水矿物为主，天
然含水量７．４％～１０．２％。滑带土在天然状态下的峰
值抗剪强度，内摩擦角舻为１７．５。，粘聚力Ｃ为
１９．６ ｋＰａ，其残余强度内摩擦角吼和粘聚力Ｃ，分别 为其峰值的９０％和５５％。饱水状态下的峰值强度约
为其天然状态下的７５％，残余强度与峰值强度的内
摩擦角十分接近，说明滑带土的力学性质受结构扰动
０．０５ ０
２ ０００ ４０００
６ ０００ ８ ０００
１００００ １２０００
ｔ／ｍｉｎ
图１２第三级剪应力下的试验点与计算曲线
Ｆｉｇ．１２
Ｔｅｓｔ ｐｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｆｉｔｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ３ｒｄ ｃｌａｓｓ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ
本文只对试样在口＝６００ ｋＰａ时各级剪应力下 的蠕变曲线进行分析。图１０至图１３分别为该固结 应力下的各级剪应力下的试验点和拟合曲线对比 图。从以上试验成果中可以看出，在较小的剪应力 水平下，土体呈现出蠕变的第一阶段即衰减蠕变，而 且随时间的增长，其应力应变关系变化不显著，但是 当试验处于较高应力水平时，除了有蠕变的第一阶 段外，呈现出第二阶段的稳定流动趋势。用
的影响较小，受饱水的影响较大。
滑带是指临江崩
滑堆积体内部应力调
整，产生滑移形成的
具有蠕滑特征的粘性
土为主的碎石土层，
这些软弱层遭受挤压
和剪切作用之后，产 生磨光、弯曲和局部 揉皱变形。通过电镜 扫描分析，摩擦面清
图１哪平硐硐壁揭露
飚·１
的滑带土
Ｓｌｉｐ ｂａｎｄ ｅｘｐｏｓｅｄ ｉｎｓｉｄｅ
恤１¨一
Ｏ
０
０
０
Ｏ
Ｏ
Ｏ
０ ”如巧加”ｍ＝兮∞
０
２０００
４０００
６０００ ８０００ ＃ｒａｉｎ
１００００ １２０００
图７盯为５００ ｋＰａ应力下蠕变曲线簇 Ｆｉｇ．７ Ｃｒｅｅｐ ｔｅｓｔ ｃｕｒｖｅｓ ｕｎｄｅｒ盯＝５００ ｋＰａ
０．２０
０．１５ ∞
Ｏ．１０
Ｏ．０５
作用下，都存在着瞬时变
形，因此可使用一个弹性
在线性粘弹性体假设的前提下利用非线性boltzmann迭加原理对原始资料进行处理可以得到各剪切力作用下的剪应变和时间的蠕变曲线簇见图6至图8060o50040吣030o20010ooomi图3盯为400kpa应力下蠕变试验结果fig3resultcreeptestunder盯400kpa0100002000030000400005000060000tmin图5盯为600kpa应力下蠕变试验结果fig5resultcreeptestunderd600kpa020004000600080001000012000tmin图6盯为400kpa应力下蠕变曲线簇fig6creeptestcurvesunderd400kpa020004000600080001000012000rain图7盯为500kpa应力下蠕变曲线簇fig7creeptestcurvesunder盯500kpa020015o10o05作用下都存在着瞬时变形因此可使用一个弹性元件来模拟该现象
Ｆｉｇ．５ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｃｒｅｅｐ ｔｅｓｔ ｕｎｄｅｒ ｄ＝６００ ｋＰａ
临＂
蚴加
㈣ ∞
：２
㈣ｍ
！耋帖
㈣∞
０
一蝥
百盅
１Ｉ『｜ｆ三一１ｌ一ｉ三三｝｛ｆ—磊三丽兰
２ ０００ ４ ０００ ６０００ ８ ０００ １００００ １２ ０００ ｔ／ｍｉｎ
图６盯为４００ ｋＰａ应力下蠕变曲线簇
Ｆｉｇ．６ Ｃｒｅｅｐ ｔｅｓｔ ｃｕｒｖｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄ＝４００ ｋＰａ
ｅ ２最＋ａ叩。ｃ＋麦ｌ·一ｅｘｐ（一笔）Ｊ（，）
其应力条件为仃＝盯ｏ＝ｃｏｎｓｔ，当ｔ＝０时，￡＝ｅｏ＝
ａｏ／Ｅ１。
２．３蠕变模型参数辨识 应用Ｏｒｉｇｉｎ７．０进行非线性退化算法也即Ｌｅｖ—
ｅｎｂｅｒｇ－Ｍａｒｑｕａｒｄｔ（ＬＭ）算法进行拟合。我们任意 写函数文件，经编译后作为内嵌函数，将其加入用户 自定义函数库中，作为回归计算模型。由于拟合 Ｂｕｒｇｅｒ’Ｓ方程为Ｐ１＋Ｐ２·ｚ＋Ｐ３·（１一ｅｘｐ（～Ｐ４· ｚ）），令Ｐ１＝ａ／Ｅ１，Ｐ２＝ａ／ｒｌｌ，Ｐ３＝ａｌＥ２，Ｐ４＝Ｅ２／ ＇７２。因此求得Ｍａｘｗｅｌｌ体和Ｋｅｌｖｉｎ体的蠕变参数， 其回归计算结果见表１。
第２５卷第１期 ２ ０ ０ ８年２月
长江科学 院 院报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
文章编号：１００１—５４８５（２００８）０１—００４９—０４
Ｖｄ．２５ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２ ０ Ｏ ８
黄土坡滑坡滑带土的蠕变特性研究
汪斌１。朱杰兵１，唐辉明２。项伟２ （１．长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉４３００１０；２．中国地质大学工程学院，武汉４３００７４）
１ 滑带土的基本工程性质
黄土坡滑坡位于三峡库区巴东县库岸段，是一个 多期次、多个堆积崩滑体组成的大型复合变形体，是 在特定的环境地质条件及外动力因素影响下发生并 经长期地质历史发展演化的产物。其本身独具多层 叠置、复杂结构、厚度巨大的堆积体物质结构特点［２］２。
为了揭示滑带土在饱水条件下的蠕变特性，本次滑带