魏家沟滑坡滑带土非饱和蠕变特性试验研究

魏家沟滑坡滑带土非饱和蠕变特性试验研究
黄志全;李小慧;孙怡;李磊
【摘要】:滑带是滑坡的一个重要结构要素,滑带土则是滑坡滑动过程中形成的特殊岩土体,其蠕变特性是滑坡动态演化过程的直接反映.降雨是滑坡失稳的重要诱因,在降雨入渗的条件下会导致滑带土常年处于非饱和状态,研究降雨条件下的滑坡滑带土非饱和蠕变特性具有很重要的意义.以栾川魏家沟滑坡滑带土为研究对象,开展了一系列非饱和土蠕变试验.采用陈氏加载法,得到了相同净围压、不同基质吸力、不同应力水平下的蠕变试验曲线.采用Boltzmann叠加原理对数据进行处理,分析滑带土非饱和蠕变特性,发现同一偏应力水平下,蠕变变形及变形速率均随着偏应力的增大而增大,且随着基质吸力的减小而增大;建立了一种包含基质吸力的Singh-Mitchell蠕变模型,即剪应力-应变关系采用指数函数表示,应变-时间关系采用幂函数表示.
【期刊名称】《华北水利水电学院学报》
【年(卷),期】2015(036)001
【总页数】4页(P47-50)
【关键词】滑带土;非饱和三轴蠕变试验;基质吸力;Singh-Mitchell蠕变模型
【作者】黄志全;李小慧;孙怡;李磊
【作者单位】华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450045;华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450045;华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450045;华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450045
【正文语种】中文
【中图分类】TU441
国内外大量数据统计与研究表明,绝大多数滑坡的发生都与降雨有直接关系,降雨是边坡失稳的重要诱导因素[1-3].这是由于降雨入渗直接导致边坡岩土体强度降低,这时的土体处于饱和-非饱和动态转化中,为此研究降雨作用下的非饱和土的蠕变特性具有重要意义.
关于土体蠕变特性的研究,前人在室内试验的基础上,通过理论与试验相结合建立了大量的蠕变模型.王琛等[4-6]进行了三峡泄滩滑坡体滑带土的三轴排水蠕变试验研究,分别采用Singh-Mitchell 与Mesri 模型描述三峡泄滩滑坡滑带土的蠕变特性,并提出了改进的Singh-Mitchell 蠕变方程与改进的Mesri 模型.孔令伟等[7]利用GDS应力路径三轴试验系统,开展不同围压下湛江强结构性黏土的三轴固结排水剪切蠕变试验,分析蠕变性状的结构性效应,建立了相应的蠕变模型.
这些研究大多是针对饱和土的蠕变特性,关于非饱和土的蠕变特性研究较
少.Oldecop等[8]通过气相法控制吸力,研究了堆石坝填料一维压缩蠕变特性,发现压缩系数与土样总吸力存在相关关系.赖小玲等[9-10]针对三峡库区某滑坡滑带土进行了非饱和三轴蠕变试验,建立了各级吸力水平下滑带土的Mesri 蠕变模型.
笔者基于室内试验,利用非饱和三轴蠕变仪,采用陈氏加载法开展一系列相同净围压(100 kPa),不同基质吸力、不同应力水平下的非饱和土三轴排水蠕变试验.在试验基础上借鉴饱和蠕变经验模型Singh-Mitchell的建模思想,建立了一种包含基质吸力的非饱和Singh-Mitchell模型.
魏家沟滑坡位于河南省栾川县潭头镇石门村魏家沟自然村范围内,滑坡区属于河谷岸坡地貌,为顺层滑坡.魏家沟滑坡区是一个复杂的滑坡体,曾于1964年和2004年先后两次不同部分发生滑动.影响滑坡区整体稳定性的主要因素就是降雨,在降雨入
渗的影响下,地下水位抬升,滑带土强度参数值下降幅度很大,稳定性大大降低,降雨使得滑带土长期处于饱和与非饱和的动态过程中.此次试验土样取自于栾川魏家沟滑坡滑带土顺层基岩滑坡滑带.由《土工试验规范》(SD 128—84)[11]确定土样为粉质黏土,其基本物理力学性质指标:含水率ω=24.5%,密度ρ=1.84 g/cm3,孔隙比
e=0.72,饱和度Sr=80.5%,塑性指数IP=16.7,黏聚力c=30.4 kPa,内摩擦角φ=18°.由于滑带土取样较为困难,不易存放和运输,本次试验采取重塑样进行试验.所取土样风干后过2 mm筛,以天然含水率配制土样,然后装入保鲜袋并放在保湿缸内静置24 h,以便水分均匀.试样尺寸Φ61.8 mm×120.0 mm,最后抽真空饱和24 h.
试验装置采用江苏省溧阳市生产的2FSR-6型非饱和土三轴蠕变仪,该仪器包含围压控制系统、气压控制系统、轴向力加载系统、轴向变形量测系统等,围压和气压通过空气压缩机施加(0～2 MPa),轴向压力通过砝码施加,仪器各部分能够独立工作.由于滑带土长期处于受剪的状态,三轴排水剪切试验更能真实地反映其状态,故试验采取固结排水剪.试验在(20±1) ℃下进行,采用分级加载的方式,试验前需进行非饱和三轴试验来确定试样抗剪强度,以便为非饱和蠕变试验提供加载依据.
1.1 非饱和三轴剪切试验
该试验采用英国GDS公司研制生产的GDS非饱和三轴固结剪切仪,按照试验方案对滑带土进行了非饱和三轴试验,确定了不同围压、不同吸力条件下的抗剪强度.试验过程中孔隙水压力始终保持为0,因而孔隙气压力与基质吸力在数值上相等.试验结果及非饱和蠕变试验加载方案见表1.
1.2 非饱和土蠕变试验
1)饱和陶土板.不装试样,关闭压力室阀门,装好压力室外罩,将其充满水,通过围压控制器向压力室内施加试验过程中可能达到的最大围压,关闭排水阀门.在该压力下持续关闭约1 h,然后打开阀门,冲洗陶土板下积聚的气泡,再次关闭阀门,重复上述步骤,直到排水阀有水连续排出,可认为陶土板达到饱和.
2)吸力平衡阶段.装样结束后,同时施加围压σ3与气压ua,并保持5 kPa的差值,用以避免试样过分压缩.当试样2 h内排水小于0.01 mm3时,即认为达到了吸力平衡.
3)固结阶段.施加围压至设定值,此阶段保持气压不变,直至试样固结稳定,达到固结稳定的标准同吸力平衡阶段,将固结完成后测得的数据作为蠕变试验的初始值.
4)加载阶段.采用分级加载的方法施加偏应力q,本次试验分3～4级加载,总荷载即为相同净围压、相同基质吸力下非饱和三轴试验得到的试样破坏强度,即每次荷载增量为破坏荷载的1/4～1/3,加载方式见表1.施加下一级偏应力时应保证上一级偏应力下试样稳定,即24 h内竖向变形小于0.01 mm,如此反复,直至试样破坏,得到了滑带土非饱和三轴蠕变试验曲线(以σ3=300 kPa为例).由于采用分级加载法,故根据Boltzmann线性叠加原理推导出分级加载下的应变-时间的关系曲线，如图1所示.
2.1 应力-应变时间关系
由土的流变学理论可知,蠕变等时曲线和蠕变曲线具有相似性,可以将应力-应变-时间关系分别用独立的应力-应变和应变-时间关系来表示,则有
式中:f1(σ)与f2(t)分别为应力和时间的函数.Singh-Mitchell[12]在总结了单级常应力加载、排水与不排水三轴压缩试验数据的基础上,认为剪应力-应变关系采用指数函数,应变-时间采用幂次函数关系能够很好地反映土的蠕变特性,写成应变率-应力水平-时间关系式,可表示为
式(2)即为Singh-Mitchell方程.当λ≠1时,且不考虑初始应变,可推导为
式中:B=Artr/(1-m);β=α;λ=1-m.
该模型只需要确定3个参数，即：B,β,λ.由非饱和土蠕变试验结果可知,在相同净围压及相同偏应力水平Dr下,非饱和土与饱和土的本质区别在于基质吸力.为将基质吸力作为一种新的应力变量反映在非饱和土蠕变模型中,笔者提出一种新的应力水平,定义新应力水平为:
其中为净围压,本文取100 kPa.
定义βDR为新应力水平下的模型参数,则有
则Singh-Mitchell模型可表示为
2.2 模型参数的确定
取lnε-lnt关系曲线中的直线部分作为分析对象,直线段的斜率为λ,如图2所示.
由于前60 min线性关系不明显，故而采用tr=60 min作为参考时间,根据拟合结果得到不同偏应力水平下的λ值及其平均值见表2,其中R2为拟合直线的相关系数. Singh-Mitchell假定模型参数不依赖于时间与应力水平，则令t=tr,式(4)可写为: 由式(5)与式(6)可知,等时曲线lnε-DR为直线.由不同偏应力水平的ε-t曲线可得到任一时刻的lnε-DR关系,其斜率为βDR,截距为lnB.lnε-DR曲线如图3所示,模型参数见表3.
2.3 Singh-Mitchell模型
将上述所取得的模型参数代入式(3),可得到魏家沟滑坡滑带土围压σ3=300 kPa,基质吸力ua=200 kPa时的Singh-Mitchell模型，即
ε=0.663 7exp(1.447Dr)(t/tr)0.048 75.
1)魏家沟滑坡滑带土即使在较小的应力水平下也具有明显的流变性,且不同基质吸力、不同偏应力条件下的蠕变曲线具有明显相似性,因而可以采用相同的应力-应变-时间曲线来模拟不同条件下的蠕变特性.
2)推导出了魏家沟滑坡滑带土在非饱和三轴应力状态下的Singh-Mitchell模型,其中剪应力-应变关系采用指数函数表示,应变-时间关系采用幂函数表示,模型中所有参数均在不同基质吸力下推导得到.
3)该Singh-Mitchell模型可以较好地描述非饱和土的蠕变特性,即土体初始阶段的快速衰减蠕变以及后期的稳定蠕变,曲线与试验值基本吻合.但在偏应力水平Dr较大时会出现差异,随着蠕变时间的增长，其变形量较试验曲线有所增大,具体原因还
有待进一步研究.
4)滑带土的非饱和蠕变非常复杂,本文仅在一种净围压条件下进行了试验研究.然而,为了更好地了解非饱和土的蠕变特性，还需进行更多种净围压和不同偏应力条件下的研究.
【相关文献】
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