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    吸力可控條件下的北方紅黏土蠕變特性*

    2020-07-07 07:41:14孫萍萍張茂省谷天峰劉蒙蒙黨心悅趙云峰
    工程地質(zhì)學(xué)報(bào) 2020年3期
    關(guān)鍵詞:吸力黏土土體

    孫萍萍 張茂省 谷天峰 劉蒙蒙 黨心悅 趙云峰

    (①西北大學(xué)地質(zhì)系,大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710069,中國) (②中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心,自然資源部黃土地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710054,中國)

    0 引 言

    紅黏土在我國的南、北方都有分布,但從形成時(shí)代、成因、物質(zhì)組成、工程特性等方面都存在差異(趙云峰,2017)。本文研究的北方紅黏土,是在黃土高原地區(qū)廣泛沉積于古近紀(jì)、新近紀(jì)的一套紅色土狀沉積物,因其通常含較多的三趾馬化石,又被稱之為三趾馬紅土(Ding et al.,1999)。北方紅黏土不連續(xù)下伏于黃土之下,沉積厚度不等,從數(shù)米到上百米均可見,巖性以黏土為主,夾雜砂或砂礫巖。

    與第四紀(jì)沉積物相比,北方紅黏土具有土質(zhì)致密、堅(jiān)硬且隔水性好、塑性強(qiáng)、壓縮性較低的特點(diǎn),當(dāng)含水量較低時(shí),其力學(xué)強(qiáng)度較高,呈半成巖的特點(diǎn),具有一定的泥巖力學(xué)特性,含水量升高后強(qiáng)度降低,且具有一定的膨脹性(楊慶等,2003),是典型的易滑地層之一(張茂省等,2011;Li et al.,2015;Shi et al.,2018)。黃土-紅黏土型滑坡在北方的黃土高原地區(qū)分布廣泛,規(guī)模以巨型、特大型到中型為主。僅以陜西藍(lán)田的白鹿原為例,在長20km的黃土塬邊,就發(fā)育了大中型黃土-紅黏土滑坡93處(彭建兵等,1992)。

    關(guān)于黃土高原地區(qū)紅黏土致滑機(jī)理的研究前人已開展了大量工作(雷祥義等,1991)。但這些研究多將紅黏土視為弱透水層,探討在其附近形成相對飽水帶而產(chǎn)生滑動的過程(穆文平等,2016)。關(guān)于紅黏土工程特性的研究,則多集中于不同沉積環(huán)境、氣候及人類活動擾動條件下的物理力學(xué)性質(zhì)的變化(張永雙等,2002;陳學(xué)軍等,2018;陳鴻賓等,2019),也有少量研究關(guān)注其非飽和抗剪強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)(周遠(yuǎn)忠等,2012;傅鑫暉等,2013;郭敬林等,2016)。然而,大量實(shí)例表明,紅黏土對斜坡穩(wěn)定性具有較強(qiáng)的控制作用,且紅黏土遇水后的強(qiáng)度降低、變形增大并不是立即發(fā)生,往往需要一個(gè)時(shí)間過程(曲永新等,1999;Deng et al.,2016;Leng et al.,2018;Luo et al.,2019)。因此開展紅黏土的蠕變特性研究,對于區(qū)分滑坡的蠕動變形與整體滑動階段具有重要作用,是黃土高原地區(qū)黃土-紅黏土型滑坡預(yù)報(bào)的關(guān)鍵(宋克強(qiáng)等,1994)

    圖 1 紅黏土出露及采樣位置示意圖Fig. 1 Schematic for locations of red clay exposure and sampling

    圖 2 采樣位置工程地質(zhì)剖面圖Fig. 2 Geological cross-section of the sampling site1. 上更新統(tǒng)黃土;2. 中更新統(tǒng)黃土;3. 下更新統(tǒng)黃土;4. 鈣質(zhì)結(jié)核;5. 泥巖;6. 砂礫巖

    關(guān)于黏性土蠕變特性的研究,早期多采用模型或理論預(yù)測(Drucker et al.,1957; Keedwell,1984),隨著測試技術(shù)的發(fā)展,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐栽囼?yàn)測試為主,我國紅黏土蠕變特性的研究對象多集中于南方的紅黏土(Liu et al.,2016;周翠英等,2020)。徐運(yùn)龍(2018)、張瑤丹等(2019)、陳昌富等(2019)分別針對云南、貴陽和湖南的紅黏土蠕變特性開展了試驗(yàn)研究。Li et al.(2018)針對湖南紅黏土開展了低應(yīng)力水平下的非飽和紅黏土蠕變特性試驗(yàn),并對其耦合模型進(jìn)行了探討。然而,北方紅黏土由于其上覆厚層黃土而較少地被關(guān)注。位于我國北方的陜西藍(lán)田縣,其區(qū)內(nèi)紅黏土分布廣泛具典型性,1966年的“陜西藍(lán)田新生界現(xiàn)場會議”就在此召開,且黃土-紅黏土滑坡在黃土塬邊密集發(fā)育。本文以陜西藍(lán)田境內(nèi)的紅黏土為研究對象,將紅黏土的飽水狀態(tài)引入其長期強(qiáng)度特性的研究當(dāng)中,在室內(nèi)開展了吸力可控條件下的紅黏土三軸蠕變試驗(yàn),基于測試結(jié)果分析了不同凈圍壓、吸力等條件下的非飽和紅黏土蠕變特征,以期為滑坡的機(jī)理研究與預(yù)測提供一套符合實(shí)際又富有新意的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

    1 樣品采集與測試

    1.1 試驗(yàn)土樣

    研究區(qū)位于陜西藍(lán)田,地處黃土高原的最南端,區(qū)內(nèi)紅黏土廣泛出露于白鹿原塬邊和黃土丘陵地帶。其中,位于灞河左側(cè)的白鹿原,其黃土塬邊地帶滑坡密集發(fā)育且呈帶狀分布,滑坡新老重疊,相互連接,滑坡連續(xù)分布長度占到了塬邊斜坡總長度的90%以上(圖 1)。這些滑坡都分布于紅黏土出露的斜坡,剪出口多位于紅黏土與灞河組砂巖的接觸面(王洋等,2007)。以白鹿原塬邊紅黏土出露典型的滿家坡斜坡為例,開展了紅黏土的原狀樣品采集,

    表 1 試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)Table1 Physical properties of tested soil

    濕密度ρ/g·cm-3含水率w/%干密度ρd/g·cm-3孔隙比e比重G液限WL/%塑限WP/%飽和滲透系數(shù)Ksat/cm·s-11.97316.471.6940.612.7146.1719.952.07E-6

    樣品采集深度為5m(圖 2)。室內(nèi)開展了平行試驗(yàn),對其基本物理性質(zhì)進(jìn)行測試,測試結(jié)果取均值后列于表 1。

    1.2 蠕變試驗(yàn)

    1.2.1 試驗(yàn)儀器

    1.2.2 試驗(yàn)方案

    本次開展的非飽和三軸蠕變試驗(yàn),主要是研究凈圍壓σ3-ua和吸力ua-uw對紅黏土蠕變特性的影響,其中的關(guān)鍵步驟包括吸力控制、固結(jié)和施加偏應(yīng)力等。

    (1)吸力控制。依托自然資源部黃土地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TRIM(Transient Release and Imbibition Method,以下簡稱TRIM)試驗(yàn)測試儀(孫萍萍等,2019),測定并獲取了研究區(qū)典型紅黏土在脫濕和增濕條件下的土-水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)曲線(圖 3)。研究區(qū)紅黏土含水率在11.4%~22.3%之間,對應(yīng)吸力值為0~170kPa,因此試驗(yàn)過程中的吸力分別控制為0,100kPa和200kPa。首先通過風(fēng)干或注水將試樣含水率調(diào)整為接近預(yù)設(shè)吸力(吸濕曲線),然后安裝樣品,再調(diào)整孔隙氣壓力(0,100kPa和200kPa)并維持孔隙水壓力為0,以達(dá)到平衡吸力的目的。吸力平衡過程中,需要每天測量吸力(關(guān)閉排水閥,測量孔壓),以判斷是否平衡,此過程需要2~4周。

    圖 3 紅黏土的土-水特征曲線Fig. 3 Soil-water characteristic curve for red clay

    (2)固結(jié)。當(dāng)樣品的吸力保持恒定后,對其進(jìn)行等向固結(jié)。施加的固結(jié)壓力為凈圍壓加上孔隙氣壓??紤]到研究區(qū)紅黏土上覆黃土層的厚度,試驗(yàn)的凈圍壓取值分別為100kPa、200kPa和300kPa。

    (3)施加偏應(yīng)力。一般而言,室內(nèi)蠕變試驗(yàn)的加載方式有多試樣分別加載和單試樣分級加載兩種。其中,多試樣分別加載作為一種理想的試驗(yàn)方法,因很難獲取多組性質(zhì)均一的樣品,而較少被采用。單試樣分級加載中,上一級荷載會對下一級荷載的變形產(chǎn)生一定影響,但該方法可以節(jié)省試驗(yàn)所需樣品,同時(shí)也可減少因樣品性質(zhì)不均一而造成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性,因而在蠕變試驗(yàn)中被廣泛使用(賴小玲等,2012;胡新麗等,2014;Xie et al.,2018)。本次試驗(yàn)采用的也是單試樣分級加載方法,在試驗(yàn)開始前,通過原狀紅黏土的三軸試驗(yàn),獲得紅黏土的抗剪強(qiáng)度,再根據(jù)抗剪強(qiáng)度,將荷載增量設(shè)置為50kPa,加載方式見表 2。

    當(dāng)一級荷載作用下樣品變形達(dá)到穩(wěn)定或時(shí)間達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)后,開始施加第二級荷載,荷載逐級施加至樣品破壞(孫鈞,1999)。據(jù)前人研究和測試經(jīng)驗(yàn),本次以被測樣品1d內(nèi)的變形量小于0.01mm作為蠕變穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn),逐級施加荷載的過程中,在每一級偏應(yīng)力水平作用下的樣品蠕變時(shí)間約為1~2周。

    表 2 非飽和土紅黏土蠕變試驗(yàn)加載方案Table2 Loading scheme for the creeping test of unsaturated red clay

    試樣編號吸力uw-ua/kPa凈圍壓σ3-ua/kPa加載等級/kPaa1010050, 100, 150, 200, 250, 300, 350a220050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400a330050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500b110010050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400b220050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450b330050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550c120010050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450c220050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500c330050, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600

    圖 4 不同吸力下分級加載的蠕變曲線Fig. 4 Creeping curves under different matric suctionsa. S=0;b. S=100kPa;c. S=200kPa

    圖 5 不同荷載和凈圍壓下應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線Fig. 5 Changes of strain with time under different loading stress and confining pressuresa. σ3=100kPa;b. σ3=200kPa;c. σ3=300kPa

    2 蠕變特征分析

    2.1 蠕變曲線

    圖4為吸力S分別控制在0、100kPa和200kPa時(shí),分級加載條件下應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線,在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用Boltzmann線性疊加原理將分級加載所得到的曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得到凈圍壓σ3分別為100kPa、200kPa和300kPa時(shí)應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線(圖 5),可以看出,不同吸力和凈圍壓下紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢相近。當(dāng)施加的偏應(yīng)力低于破壞荷載時(shí),被測樣品先發(fā)生瞬時(shí)變形,之后變形呈指數(shù)衰減趨勢,并最終趨于穩(wěn)定,說明測試的紅黏土存在蠕變的特性。當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí),變形趨于穩(wěn)定的時(shí)間很短;隨著偏應(yīng)力增大,變形穩(wěn)定時(shí)間增長,變形量增加。當(dāng)偏應(yīng)力接近破壞荷載時(shí),被測樣品先發(fā)生蠕變變形,當(dāng)變形累積到一定程度時(shí),變形速度加快,土體破壞;當(dāng)偏應(yīng)力達(dá)到或超過破壞荷載時(shí),試樣在加載過程中迅速破壞。其原因在于開始施加荷載時(shí),樣品顆粒間的孔隙相對較大,較小的外力即可使顆粒之間產(chǎn)生相對錯(cuò)動,土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組并在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡。隨著施加的偏應(yīng)力逐漸增大,樣品變得越來越密實(shí),顆粒間相對運(yùn)動的阻力越來越大,土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組需要很長的時(shí)間才能達(dá)到平衡。當(dāng)施加的偏應(yīng)力足夠大時(shí),顆粒間無法產(chǎn)生較小的相對運(yùn)動而達(dá)到土體結(jié)構(gòu)的平衡,此時(shí)樣品破壞。相同凈圍壓及偏應(yīng)力情況下,低吸力試樣蠕變變形即蠕變速度均大于高吸力下的試樣,表明吸力對紅黏土蠕變特性有顯著的影響。吸力相同時(shí),圍壓越大,則需要更大的壓力才能使被測樣品屈服破壞,說明被測土體的蠕變強(qiáng)度也越大。

    將應(yīng)變-時(shí)間曲線取對數(shù),得到對數(shù)坐標(biāo)下的蠕變曲線(圖 6),可以看出,當(dāng)施加的偏應(yīng)力低于破壞荷載作用時(shí),蠕變曲線基本彼此平行,呈現(xiàn)較強(qiáng)的線性規(guī)律,說明紅黏土的蠕變曲線呈對數(shù)關(guān)系;當(dāng)施加的偏應(yīng)力接近或大于破壞荷載作用時(shí),對數(shù)蠕變快速上揚(yáng),出現(xiàn)拐點(diǎn)。

    圖 6 對數(shù)坐標(biāo)蠕變曲線(ua-uw=100kPa)Fig. 6 Creeping curves under logarithmic coordinates(ua-uw equals 100kPa)a. σ3=100kPa;b. σ3=200kPa;c. σ3=300kPa

    圖 7 紅黏土試樣破壞后的照片F(xiàn)ig. 7 Photographs for red clay after failure

    圖7為紅黏土加載破壞后的照片,可見,隨著荷載的不斷增大,試樣都有一個(gè)緩慢鼓脹的過程,且所有試樣均可見剪切面。

    2.2 凈圍壓對紅黏土蠕變的影響

    圖8為不同凈圍壓下的應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線,可以看出3種圍壓作用下,應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線其趨勢總體一致,樣品的形變量與圍壓成反比。當(dāng)圍壓較低時(shí),樣品的形變需要較長時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。這主要是因?yàn)?,圍壓較低的情況下,被測樣品的側(cè)向受到較小的限制,土體顆粒容易在較小的外力作用下發(fā)生側(cè)向移動,樣品的破壞以垂向壓縮為主,并伴有明顯的鼓脹變形,變形量數(shù)值上較大圍壓下的值要大。

    2.3 吸力對紅黏土蠕變的影響

    圖9為對于給定圍壓時(shí)不同吸力下的紅黏土蠕變曲線,可以看出當(dāng)圍壓為定值時(shí),在3種不同的吸力下,蠕變曲線的變化趨勢總體一致。當(dāng)圍壓和荷載等級為定值時(shí),變形量隨吸力的增加而減小,穩(wěn)定時(shí)間隨吸力減小而增大。在高吸力下,由于土體含水率低,力學(xué)強(qiáng)度高,顆粒間摩擦阻力相對較大,因此樣品的形變量小且應(yīng)變在較快的時(shí)間即可達(dá)到穩(wěn)定;在低吸力情況下,土體含水率低而力學(xué)強(qiáng)度高,顆粒間因?yàn)檩^高的含水量而使得其間的摩擦阻力減小,使得土體在外力作用下更易發(fā)生變形,因此被測樣品的形變量較大且應(yīng)變需要在耗時(shí)較長的情況下才能達(dá)到穩(wěn)定。

    據(jù)圖 5和圖 6的蠕變曲線可得出被測樣品的應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線(圖 10),可以看出隨著應(yīng)變的增加,應(yīng)力呈非線性增長,且增長特征符合冪函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)的變化趨勢。無論吸力為0,100kPa或是200kPa的情況下,隨試驗(yàn)時(shí)間的增長,對于任一固定的應(yīng)變值,曲線斜率逐漸變小,即在相同應(yīng)力下,其作用時(shí)間越長應(yīng)變越大。應(yīng)變?yōu)槎ㄖ禃r(shí),圍壓變化與所施加的垂向應(yīng)力成正比;垂向應(yīng)力為定值時(shí),應(yīng)變與圍壓成反比;當(dāng)吸力相同而圍壓較大時(shí),則需要較大的垂向應(yīng)力才能使樣品產(chǎn)生破壞,即土體的屈服強(qiáng)度較大;隨著吸力增加屈服強(qiáng)度增大。其變形特征與Li et al.(2017)研究的南方紅黏土變形特征相似,但其試驗(yàn)采用的是增大圍壓和吸力的方式實(shí)現(xiàn)蠕變,與本文的應(yīng)力路徑不同。

    圖 8 不同凈圍壓下應(yīng)變-時(shí)間曲線(ua-uw=100kPa)Fig. 8 Changes of strain with time under different confining pressures(ua-uw equals 100kPa)a. σ1-σ3=50kPa;b. σ1-σ3=100kPa;c. σ1-σ3=150kPa;d. σ1-σ3=200kPa;e. σ1-σ3=250kPa;f. σ1-σ3=300kPa

    圖 9 相同圍壓下不同吸力的蠕變曲線Fig. 9 Creeping curves under different matric suctions with the same confining pressurea. σ3=100kPa;b. σ3=200kPa;c. σ3=300kPa

    圖 10 不同吸力下黃土的應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線Fig. 10 Changes of stress with strain under different matric suctionsa.ua-uw=0;b. ua-uw=100kPa;c. ua-uw=200kPa

    圖 11 莫爾-庫侖包面Fig. 11 Envelope of Mohr-Coulomba. 等時(shí)曲線法;b. 拐點(diǎn)法

    3 紅黏土長期強(qiáng)度分析

    巖土體的長期強(qiáng)度是對坡體的長期穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)和預(yù)測的關(guān)鍵參數(shù)(孫淼軍等,2017),而等時(shí)曲線法和拐點(diǎn)法是用于確定巖土體長期強(qiáng)度參數(shù)的常用方法。由圖 10可知,隨著應(yīng)力的增大,曲線呈現(xiàn)出更為明顯的非線性,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)曲線曲率明顯變小,該點(diǎn)即被看作是強(qiáng)度屈服點(diǎn)。依據(jù)此方法,可得到不同凈圍壓、不同吸力下的長期強(qiáng)度。依據(jù)這些強(qiáng)度繪制莫爾圓,進(jìn)而可擬合得到莫爾-庫侖包面,回歸得到非飽和紅黏土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。由圖 11a可知,其黏聚力、內(nèi)摩擦角和吸力內(nèi)摩擦角分別為30.2kPa,23.6°和20.5°。應(yīng)力-應(yīng)變曲線的拐點(diǎn)也常作為判斷巖土體長期強(qiáng)度的關(guān)鍵(沈明榮等,2012),即拐點(diǎn)法,據(jù)此方法同樣可以得到莫爾-庫侖包面(圖 11b),可知由此得到的紅黏土黏聚力、內(nèi)摩擦角和吸力內(nèi)摩擦角分別為22.1kPa,21.4°和19.3°。可見,拐點(diǎn)法得到的紅黏土長期強(qiáng)度值要略低于等時(shí)曲線法得到的強(qiáng)度值。飽和紅黏土(吸力為0)長期強(qiáng)度比吸力200kPa的紅黏土長期強(qiáng)度降低了約50%。

    4 結(jié) 論

    (1)紅黏土蠕變特性明顯,不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有相近的變化趨勢,且均服從冪函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)的變化。偏應(yīng)力低于破壞荷載時(shí),土體產(chǎn)生瞬時(shí)形變后呈衰減趨勢并最終趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定時(shí)間隨偏應(yīng)力的增大而增長;偏應(yīng)力接近破壞荷載時(shí),土體產(chǎn)生蠕變變形,變形累加后加速變形至土體破壞;偏應(yīng)力大于破壞荷載時(shí),土體迅速破壞。

    (2)凈圍壓和偏應(yīng)力一定時(shí),土體變形量隨吸力的增加而減?。晃σ欢〞r(shí),土體變形量與凈圍壓成反比。軸向應(yīng)變相同時(shí),圍壓越大所需施加的軸向應(yīng)力也越大;軸向應(yīng)力相同時(shí),圍壓越大發(fā)生的軸向應(yīng)變越小。吸力相同時(shí),圍壓越大,樣品屈服破壞所需施加的軸向應(yīng)力越大,屈服強(qiáng)度也越大;吸力增加屈服強(qiáng)度增大。

    (3)吸力對紅黏土的蠕變特性具有控制作用,吸力越小土體的蠕變性越強(qiáng),其屈服強(qiáng)度也較小,說明含水率增大會增大滑帶紅黏土的蠕變量,加速滑坡的形成,與吸力為200kPa時(shí)的紅黏土相比,飽和紅黏土(吸力為0)長期強(qiáng)度降低了約50%。

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