典型黄土滑坡滑带土不同含水率下蠕变特性试验研究

王新刚，刘 凯，王友林，张培栋，石 卫，罗 力

（1.大陆动力学国家重点实验室/西北大学地质学系, 陕西 西安 710069；2.陕西省水工环地质调查中心, 陕西 西安 710068）

黄土高原是世界上最大的黄土堆积区，占我国国土面积的6.6%[1]，黄土蠕变现象是黄土高原地区工程建设中不可忽视的重要因素[2]，黄土斜坡在受到人工灌溉[3]、降雨[4-5]、河流水浸润[6]等作用后容易发生蠕变[7]，最终发生滑坡，有时甚至会造成灾难性的事故，因此研究不同含水率下黄土蠕变特性显得尤为重要[8]。

黄土的变形、破坏具有时间效应，即蠕变特性，以往学者在这方面做了大量研究，并取得了丰硕的成果，如葛苗苗等[9]对压实黄土进行了常含水率压缩试验和常应力增湿试验，发现黄土蠕变是在恒定荷载作用下由土颗粒或团聚体的蠕滑、大孔隙压缩引起的；王松鹤等[10]的研究表明饱和黄土的蠕变现象相较于重塑黄土与原状黄土更明显；陈沛等[11]对黄土-基岩开展了直剪蠕变试验并建立了蠕变模型进行定量描述，发现蠕变阶段与滑坡的演化过程相似；魏建柄等[12]对非饱和粉质黏土进行三轴压缩固结排水蠕变试验，建立了能够反映基质吸力变化的蠕变经验模型；慕焕东等[13]基于分数阶导数理论对Q3黄土蠕变过程进行了分析，建立了分数阶改进西原模型，实现了对黄土蠕变各个阶段的模拟。

黄土的蠕变受多种因素影响，含水率的变化是影响其蠕变特性的主要因素之一。王鹏程等[14]对泾阳县某边坡重塑黄土进行了不同含水率下的三轴固结排水试验，试验表明含水率对蠕变特性有显著影响。王新刚等[15]进行了基质吸力控制下的三轴蠕变试验，讨论了偏应力、围压与基质吸力对非饱和黄土蠕变过程的影响。朱才辉等[16]对黄土隧道地层试样进行了单轴蠕变试验，试验结果表明地层初始含水率越大，围岩压力及收敛变形量越大；且随着隧道埋深的增加，黄土蠕变引起的围岩压力比和收敛变形比增大。单帅等[17]对延安新区压实黄土进行了不同基质吸力下的三轴蠕变试验，试验表明不同基质吸力下土样的蠕变特性不同，在低应力、较高应力水平下呈现衰减蠕变和稳定蠕变特性，在高应力水平下呈现加速蠕变特性。在滑坡黄土蠕变方面，周静静等[18]研究黄土滑坡滑带土的蠕变特性，发现滑带土的蠕变特性对低速缓动滑坡的形成演化起控制性作用。随着滑带土蠕变破坏的发生，土体结构迅速破坏，孔隙定向性减弱，数目急剧增加[19]。

以上学者的研究丰富了对黄土蠕变特性的认识，然而对于黄土滑坡滑带土不同含水率下的蠕变特性仍然需要进一步的深入研究，尤其是针对黄土滑坡滑带土不同含水率下蠕变长期强度及长期强度折损率的研究。本文对榆林色草湾村黄土滑坡滑带土进行实地采样后，在室内进行不同含水率下的三轴蠕变试验，研究了黄土滑坡滑带土三轴蠕变过程中应力-应变-时间关系的规律，并从双电层理论和土体结构性角度对其进行了解释；此外还分析了试样蠕变破坏形态，并利用等时曲线揭示了研究区黄土滑坡滑带土的长期强度及长期强度折损率规律。

1 研究方案

1.1 试样制备

本文研究的黄土样品取自榆林市榆阳区青云镇色草湾村榆溪河支流旁发育典型黄土滑坡滑带土，如图1（a）所示。受降雨、河水的浸润作用，该滑坡一定范围内的黄土体浸湿，含水率增大使其抗剪强度减小，增大了滑坡灾害发生的可能性。该滑坡全貌如图1（b）所示。因黄土滑坡滑带土在不同含水率下蠕变，该滑坡具有明显多期次滑动特性，如图1（c）—（e）所示，严重威胁其上缘的工厂、高速路和输电塔的安全。本次试验所取滑带土样品为Q3黄土，其干密度为1.50 g/cm3，土粒密度为2.70 g/cm3，天然含水率10%，液限20.7%，塑限12.6%。

图1 色草湾村黄土滑坡Fig.1 Loess landslide in Secaowan village

在室内采用水膜转移法将野外取回的黄土样品含水率（w）调整到目标值10%、12%、14%、16%和18%，并削制成不同含水率下的圆柱样（图2），样品规格为直径61.8 mm、高度125 mm，制样后将样品放置于保湿缸中静置2 d 使其水分迁移均匀。

图2 黄土样品Fig.2 Loess samples

1.2 试验方案

本试验所用仪器为FSR-60 型三轴蠕变仪，蠕变试验采用分级加载方式[2]，首先根据常规三轴剪切试验下剪切破坏时的偏应力（q）来设置蠕变试验偏应力荷载水平。各含水率下（w=10%、12%、14%、16%、18%）试样剪切破坏的偏应力分别为312.5，300.0，275.0，250.0，237.5 kPa。分别取常规三轴剪切破坏时偏应力的50%、60%、70%、80%、90%和95%作为蠕变试验分级加载的偏应力大小，蠕变试验偏应力加载等级方案如表1所示。根据土体取样位置，本文三轴试验所采用的围压均为100.0 kPa。

表1 蠕变试验偏应力加载方案Table 1 Deviator stress loading scheme for creep tests

2 结果

2.1 蠕变全过程曲线

以w=10%试样的蠕变全过程曲线（图3）为例进行分析，该地区黄土滑坡滑带土蠕变特性明显，蠕变曲线呈现出4 个阶段：瞬时弹性变形、初始衰减蠕变、稳态蠕变、加速蠕变。在施加每1 级偏应力荷载后，轴向应变会瞬时增大，为瞬时弹性阶段；随着时间的增长，应变速率逐渐减小，曲线非线性且呈现出上凸的形态，并向直线状态过渡，为初始衰减阶段；稳态蠕变阶段应变与时间呈现出近似直线状态；在施加最后1 级达到破坏偏应力荷载时，应变速率急剧增加，短暂时间内试样破坏，为加速蠕变阶段。

图3 w=10%试样蠕变全过程曲线Fig.3 Full-process creep curve of loess sample (w=10%)

2.2 黄土蠕变应变-时间曲线

利用Boltzmann 叠加原理[20]对不同含水率下的蠕变试验曲线进行处理，如图4 所示，其中含水率为12%、14%、18%的试样在施加第5 级荷载时破坏，故图4（b）、（c）和（e）中缺少第6 级荷载下的曲线。不同含水率下的试样分级加载蠕变曲线具有如下规律：

图4 不同含水率试样分级加载蠕变曲线Fig.4 Creep curve of loess sample with different moisture content

（1）含水率越大，样品蠕变破坏所需的偏应力越小。如w=10%、12%、14%、16%、18%试样的破坏偏应力分别为300.0，262.5，250.0，237.5，212.5 kPa；w=18%试样的破坏偏应力比w=10%试样小了29.1%。

（2）含水率越大，轴向应变越大。如施加第1 级荷载（破坏偏应力的50%）时，10%、12%、14%、16%和18%含水率试样稳定时的轴向应变分别为1.14%、2.94%、3.31%、3.4%和4.77%；当施加偏应力至150.0 kPa 时，含水率为10%、12%、16%、18%的试样轴向应变分别为1.14%、2.94%、4.37%、6.04%。由双电层理论[21]可知，土颗粒的表面常带有负电荷，由于表面电荷电场的作用，孔隙中的水分子和水化阳离子会向颗粒周围聚集，吸附在颗粒表面形成固定层；固定层外，水分子和水化阳离子仍受到一定程度的静电引力，形成扩散层，固定层和扩散层共同组成双电层。双电层内的水为结合水，双电层外的水为自由水，自由水可流动并具有溶解能力。因此，当含水率增大时，自由水厚度增大，土颗粒间胶结程度减小，且水膜会对土颗粒起润滑作用，使其易于错动滑移。

（3）含水率越大，施加每级荷载后蠕变曲线达到稳定状态（即蠕变曲线的斜率为固定值时）所需时间越长。如施加第1 级偏应力时，10%、12%、14%、16%、18%含水率试样蠕变达到基本稳定所需时间分别为10 641，23 575，40 221，57 275，66 214 s。这一现象可以解释为：水分的增加使土体结构完整性降低[22]，在应力作用下土体内部结构调整相对缓慢，固结和蠕变过程中孔隙水压力消散需要的时间也越长。

3 分析与讨论

3.1 黄土滑坡滑带土蠕变破坏表面形态

根据不同含水率黄土滑坡滑带土蠕变破坏后的表面形态（图5）可知：含水率较小时，破坏后的试样有明显的剪切破坏面，如图5（a）所示；含水率越大，试样越容易横向鼓胀，表现出塑性破坏的特征，如图5（e）所示。这一现象可以解释为：含水率较大时，水的软化作用大于水对土体的裂隙扩展作用[23]。

图5 不同含水率试样蠕变破坏后表面形态Fig.5 Surface morphology of loess sample with different water content after creep failure

3.2 长期强度

长期强度是指岩土体在长期荷载作用下的强度，获取长期强度最常用的方法是等时曲线法[20]。等时曲线是指在1 组不同应力水平的蠕变曲线中，相等时间所对应的蠕变变形与应力的关系曲线。等时曲线法是将各等时曲线的直线向曲线转变的点识别出来，等时曲线中的拐点为黏弹性与黏塑性的分界处，标志着黄土试样由黏弹性阶段向黏塑性阶段转化，其可视为长期强度点[24]。各等时曲线拐点的连线渐近线将趋于一个稳定值，类似屈服应力形成的渐近线所对应的应力值，该值所对应的强度即为黄土的长期强度值。限于篇幅本文仅展示16%含水率试样的等时曲线图（图6），由图可得出该条件下的黄土长期强度值。

图6 16%含水率试样蠕变应力-位移等时曲线Fig.6 Isochronous stress-displacement curves of loess sample with water content 16%

表2 为黄土滑坡滑带土不同含水率下瞬时强度（qf）与长期强度（q'），将不同含水率下黄土样品的瞬时强度与长期强度进行比较，可以发现长期强度均有不同程度减小。为了方便对比本文定义了黄土长期强度折损率（Q）：

表2 黄土不同含水率下瞬时强度与长期强度Table 2 Instantaneous strength and long-term strength of loess sample with different water content

随着含水率的增大，瞬时强度与长期强度均减小，且两者差值越来越大（图7）。根据式（1）计算黄土不同含水率下的长期强度折损率（图8），可以发现随着黄土含水率的增大，长期荷载下长期强度折损率也逐渐增大，18%含水率样品的长期强度折损率高达28%，因此在黄土滑坡致滑机理中考虑黄土含水率增大后的蠕变特性是非常必要的。对图7、图8 中的数值进行拟合，黄土滑坡滑带土的长期强度随含水率的增大指数减小，而长期强度折损率随含水率的增大指数增大，具体关系如式（2）（3）所示。

图7 瞬时/长期强度与含水率关系Fig.7 Relationship between the instantaneous/long-term strength and water content

图8 黄土长期强度折损率规律图Fig.8 Law of the long-term strength loss rate of loess

4 结论

（1）含水率越大，轴向应变越大，当含水率增大时，自由水厚度增大，土颗粒间胶结程度减小，且水膜会对土颗粒起润滑作用易于其错动滑移。

（2）含水率越大，施加每级荷载后蠕变曲线达到稳定状态（即蠕变曲线的斜率为固定值时）所需时间也越长。水分的增加会使土体结构完整性降低，在应力的作用下土体内部结构调整相对缓慢，因此固结和蠕变过程中孔隙水压力的消散需要的时间也越长。

（3）含水率较小时，蠕变破坏后的试样有明显的剪切破坏面；试样含水率越大，越容易发生横向鼓胀，表现出塑性破坏特征，说明含水率较大时，水的软化作用大于水对于土体的裂隙扩展作用。

（4）试样的瞬时强度和长期强度均随含水率的增大而减小，且黄土滑坡滑带土长期强度折损率（Q）与含水率密切相关，随含水率的变化呈现出指数增长。