涔天河水库雾江地段大型古滑坡, 经过勘探发现其滑动带为厚度0.2 ~2.0m的粘土层, 粘土结构紧密坚实, 粘塑性很强, 具有明显的流变特性。从流变力学角度来研究雾江古滑坡面的稳定性, 全面考虑滑坡体介质的流变特性, 确定其流变规律, 对滑坡位移监测, 维护库区的安全具有重要意义。

1 粘土的地质特征

根据滑动带的岩土工程特性, 可将滑动带分为上、下两层。上部为暗红色含角砾的粘土, 角砾含量为10%左右, 粒径为2~30mm不等, 呈可塑性一硬塑状态。中等压缩性。变形特征为粘弹和粘塑性状, 渗透性差。下部为糜棱岩, 较破碎, 颗粒细小。角砾呈棱角状, 有挤压透镜体, 呈镶嵌结构, 变形特征为粘弹塑性, 矿物成分以伊利石和伊利石与蒙脱石的泥层为主, 由于粘土带伊利石及泥层含量较高, 具有明显的流变特性。

2 粘土的蠕变试验

针对研究对象含有较大颗粒的砾石和砂石(Ø_max= 30mm), 为使试验结果具有代表性, 符合工程实际, 试样尺寸采用较大的规格(200mm×100mm×100mm）, 土样按土工试验规范从滑动带内切取后, 立即用石蜡密封运回试验室保存。试验是在自制的静力加载方式的直剪流变仪上进行的, 采用陈宗基教授推荐的增量加载方式进行加载。共作了4种不同固结压力的土样试验, 每一土样按其固结后的快剪强度τ_ƒ分6级等增量加载。每一级荷载大约持续24h, 待试样的变形墓本趋于稳定时(即当 μ≤0.05m/h), 再施加下一级荷载。经过4个月的试验获得了大量数据(因篇幅所限此处只给出两个试验的数据) :试验结果整理如图 1所示。

3 粘土的流变特性分析

通过对流变试验结果的分析, 发现雾江滑动面粘土具有明显的粘弹塑性, 在不同正应力作用下, 表现出不同的流变特征。从图 2可以看出其屈服极限ƒ₃随正应力σ的增大而增大。因此其长期强度τ_x二也将随正应力的增大而增大。

从图 2不同正应力作用下的等时曲线, 不难发现雾江滑动面粘土的变形特性有这样的规律^[2] :等时曲线是由不同曲率的两部分组成, 第一部分当应力τ < ƒ₃时, 可以近似地看为直线, 这部分的变形为衰减变形, 粘土处于衰减蠕变阶段, 最终趋于稳定。但各时刻的等时曲线直线部分的斜率互不相同, 直线的斜率随时间的增大而减小, 其斜率即为剪切流变参数(也就是剪切模量G=τ/γ)。粘土的变形随时间的发展从粘弹性阶段逐渐向粘塑性变形过渡, 此时土的结构尚未发生破坏。第二部分当τ>ƒ₃, 时, 粘土表现出非衰减变形特征, 其变形速率随时间的推移而不断增大, 逐步进人塑性流变阶段, 直至试件破坏为止。

4 粘土长期强度的确定方法

文献[1]指出, 土的变形和长期破坏机理如下:土的硬化和软化这两种相互对立的现象是土蠕变过程的基础, 如果硬化占优势, 则变形衰减不产生破坏; 如果软化占优势, 则土中孕育着导致破坏的非衰减蠕变。

如图 3所示, 直线OA段比AB段平缓, 这是因为土样在开始的几级荷载中, 由于土中存在着许多微裂隙, 容易引起土的软化, 因此变形比较大了（OA段）; 随着荷载的增大, 开始连结的软化被结构的硬化所补偿, 使结构的缺陷“愈合”, 于是蠕变变形比较小（AB段）; 随着应力的进一步增大, 结构连结的破坏越来越严重, 团粒分解, 颗粒重新定向，这种结构缺陷的增长, 引起土的蠕变变形急剧增长, 即引起土的软化(如BC 段)。因此图 3中拐点A是土由软化到硬化的转折点, 拐点B是土由硬化到软化的转折点, 也就是在这一点开始出现非衰减蠕变, 因此B点所对应的应力水平是在给定时间t内的长期强度。

因为土的强度降低主要是在加载后开始阶段出现。随后强度降低急剧减缓^[3], 故上述长期强度的求解方法是可行的。基于上述情况.长期强度极限可按下式确定:

式中: K-系数0.7 ≤K≤ 0.9，

本次试验采用K=0.85;

τ_t-给定时间Δt内的长期强度。

根据本次试验结果, 求得土样的长期强度参数的极限值为:

按库仑定律有:

(1)

式中Ø-粘土的内摩擦角;

c —粘土的内聚力。

经线性回归得:

式中: -粘土的极限内聚力;

-粘土的极限内摩擦角。

5 粘土蠕变过程的剪变分析

在本次粘土的剪切蠕变试验中, 正剪胀与负剪胀都出现了, 通过对试验数据的定性分析发现如下几点规律。

(l) 当剪应力τ较少时, 仅产生土体积的减少即只出现正剪胀。当剪应力τ较大时, 开始出现松胀(或称负剪胀), 而且τ越大松胀值也越大。

(2) 粘土蠕变时的剪变值与粘土的剪切应变值有关, Δ_ε。随着Δ_γ增大而增大, 即剪变和蠕变同步发展。现以γ= 0.3950MPa的试验数据(如图 4所示)为例进行说明。

从图中可以看出, 二条曲线形状相似, 说明粘土体积变形和剪切蠕变有内在的联系。总的趋势是法向应变随着剪切蠕变的增大而增大, 随着剪切蠕变的减少而减少。

(3) 在粘土剪切蠕变过程中, 土的体积变形由二部分组成, 即:

(2)

式中: -法向压力σ_m所引起的体积变形;

-剪切应力τ引起的体积变形。

说明体积变形ε_v同时受到法向应力σ_m与剪切应力τ的影响。因为粘土在剪切蠕变过程中, 体积变形也是时间t的函数。所以式(2)可以写成如下表达式：

(3)

(4) 粘土剪变的正、负取决于土的密度。如果土的初始密度 小于土的临界密度^[1]ρ_k, 即时, 土是松散的, 在剪切下被压缩, 出现正剪胀。但经过足够长的时间后, 土的密度超过临界密度ρ_k后, 即当土的初始密度 时, 土是超压密的, 在剪切作用下将产生松胀, 即出现负剪胀

6 结论

(1) 雾江滑动面粘土具有明显的粘弹塑性流变特性, 在一定法向应力下, 粘土在逐级增大的剪应力作用下存在3个不同性质的流变过程:即衰减蠕变阶段; 等速蠕变阶段; 加速蠕变阶段。当 时, 粘土只出现衰减蠕变, 当 时, 粘土从等速蠕变阶段迅速转入加速蠕变阶段, 很快导致试件破坏。

(2) 粘土蠕变过程表现出硬化和软化两种对立现象的相互转化, 即粘土在受荷初期呈现出由软化向硬化的第一阶段转变; 如果粘土所受的荷载继续增大, 将表现出由硬化向软化的第二阶段转变; 其中第二阶段的转折点所对应的剪应力即为给定时间t内的长期强度。

(3) 粘土的剪变与所受的剪应力τ值有关, 当τ值较小时仅产生正剪胀, τ值较大时则出现负剪胀, 而且τ值越大松胀值越大。

(4) 粘土蠕变过程中的剪变值与剪切应变值有关, 即Δ_ε。随Δ_γ的增大而增大, 也就是说, 剪变和蠕变同步发展。