趙洪寶 王中偉 李華華

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

多數(shù)邊坡體內(nèi)的潛在滑移帶附近的巖體可以認為處于剪切蠕變狀態(tài)［1-3］。潛在滑移帶上覆巖體的自重則是該區(qū)域巖體發(fā)生剪切蠕變的載荷，而邊坡體內(nèi)潛在滑移帶是否能夠向?qū)嶋H滑移面演化則取決于該剪切蠕變載荷大小、作用時間和外界條件的變化［4］;如外界條件基本保持恒定，潛在滑移面的運動則取決于剪切蠕變載荷的大小與作用時間2 個因素。因此，分析和研究邊坡體內(nèi)潛在滑移面的演化規(guī)律，就可以簡化為不同載荷作用下巖體的剪切蠕變力學(xué)模型，此時巖體是否會發(fā)生剪切蠕變破壞就可以成為判斷邊坡體是否會發(fā)生失穩(wěn)的依據(jù)，而巖體剪切蠕變失穩(wěn)點可認為是潛在滑移面發(fā)生實際滑動的啟動點，巖體發(fā)生剪切蠕變破壞所需載荷條件、作用時間條件也就是邊坡體發(fā)生失穩(wěn)的條件，巖體在剪切蠕變作用下的破壞機理則可認為是邊坡體發(fā)生漸進式失穩(wěn)的力學(xué)機理。因此，研究巖體在不同載荷作用下的剪切蠕變力學(xué)特性與失穩(wěn)破壞演化規(guī)律，對于掌握邊坡體內(nèi)潛在滑移面的時空演化規(guī)律和判斷邊坡是否會發(fā)生失穩(wěn)滑移將具有重要意義。

在邊坡失穩(wěn)滑移機理與安全防護方面，國內(nèi)外學(xué)者進行了廣泛而系統(tǒng)的研究，研究成果也非常豐富。黃潤秋等［5］進行了巖石高滑坡發(fā)育的動力過程及其穩(wěn)定性控制方面的研究，建立了卸荷條件下巖石高滑坡發(fā)育的動力過程及三階段演化模式，提出了其時間和空間演化的基本序列以及不同演化階段巖石滑坡變形破壞的發(fā)育特征及穩(wěn)定意義。戴自航等［6］進行了滑坡失穩(wěn)機理的力學(xué)解釋，指出了摩爾－庫倫剪切屈服準(zhǔn)則在滑坡穩(wěn)定分析中存在的不足，并采用摩爾－庫倫屈服準(zhǔn)則和張拉－剪切復(fù)合屈服準(zhǔn)則對滑坡內(nèi)部最危險滑動面的形成機理進行了解釋。鄭穎人等［7］進行了地震滑坡破壞機制及其破裂面的分析探討，地震滑坡的破壞由滑坡潛在破裂區(qū)上部拉破壞與下部剪切破壞共同組成，并給出了地震滑坡破壞面位置的確定方法。余飛等［8］進行了順層巖質(zhì)滑坡漸進破壞及失穩(wěn)機理的數(shù)值模擬研究，利用數(shù)值模擬方法得到了滑坡滑移臨滑狀態(tài)下的位移場、應(yīng)力應(yīng)變場、結(jié)構(gòu)面上的解除狀態(tài)、層間滑移距離以及接觸摩擦力的分布規(guī)律，其破壞為最初的層間錯動、發(fā)展為順層蠕滑、最后在坡底剪出而破壞。程強等［9］進行了典型紅層軟巖軟弱夾層剪切蠕變性質(zhì)研究，認為紅層軟巖軟弱夾層具有明顯的蠕變特性，在滑坡剪切強度參數(shù)選取中應(yīng)考慮軟弱夾層蠕變的影響，并建議軟弱夾層長期剪切強度可取短期剪切強度的75%。張清照等［10］進行了結(jié)構(gòu)面的剪切蠕變特性研究，根據(jù)實驗結(jié)果提出了結(jié)構(gòu)面剪切蠕變經(jīng)驗公式，并討論了Burgers 模型對于描述結(jié)構(gòu)面剪切蠕變特性的參數(shù)特征等等［11］。因此，本研究將以不同載荷作用下邊坡體潛在滑移帶內(nèi)巖體的剪切蠕變力學(xué)模型來研究邊坡的失穩(wěn)滑移機理，對不同載荷作用下紅砂巖剪切蠕變力學(xué)特性與失穩(wěn)破壞演化規(guī)律進行系統(tǒng)的研究，并試圖解釋一些邊坡發(fā)生時的現(xiàn)象及其機理。

1 研究方案

1.1 試驗原理與設(shè)備

為更好地模擬邊坡體潛在滑移帶內(nèi)巖體的受力狀態(tài)，試驗時采用的剪切蠕變試驗原理為限制性剪切蠕變模型，試驗原理如圖1 所示。

本研究進行的試驗研究中采用的主要儀器設(shè)備為自行研制開發(fā)的“一種軟弱煤巖材料剪切蠕變實驗裝置(已獲實用新型專利)”，該設(shè)備可提供的最大剪應(yīng)力為60 MPa，精度為±0.1 MPa;該設(shè)備可以完成軟弱煤巖材料的剪切試驗研究、蠕變試驗研究和剪切蠕變試驗研究;設(shè)備配備有可放大1 000 倍顯微鏡，并可通過編制的數(shù)據(jù)采集處理軟件“煤巖細觀力學(xué)特性測控軟件(已獲軟件著作權(quán))”觀測巖體內(nèi)裂紋的動態(tài)演化規(guī)律，如圖2 所示。

圖2 煤巖細觀力學(xué)特性測控軟件界面Fig.2 Monitor software of coal or rock micromechanics properties

1.2 試驗方案

根據(jù)ISRM 的規(guī)定，選取具有代表性的紅砂巖為研究對象，并加工成為標(biāo)準(zhǔn)方形試樣進行試驗研究。實驗前，首先對試樣進行超聲波檢測和孔隙率測試，目的是通過檢測剔除超聲波波速和孔隙率異常試樣，以保證試驗研究所得結(jié)果具有較強的可比性。

在各級剪切蠕變載荷確定前，首先進行同一條件下紅砂巖的限制性剪切力學(xué)特性試驗，獲得如圖3 所示典型的剪切應(yīng)力－應(yīng)變特性曲線，然后再參照巖石全應(yīng)力－應(yīng)變特性曲線預(yù)測蠕變破壞規(guī)律的原理，確定4 個具有代表性的剪切蠕變試驗載荷水平，然后開展試驗研究。確定的剪切蠕變試驗載荷水平分別為17.23、22.97、28.71、34.46 MPa，分別為所用紅砂巖試樣剪切強度的43%、57%、72%、86%，如圖3 所示。

圖3 典型的紅砂巖剪切特性試驗曲線Fig.3 Typical shear test characteristic curve of red sandstone

2 試驗研究與分析

根據(jù)設(shè)計的實驗方案開展試驗研究，并將連續(xù)36 h 內(nèi)巖樣不再產(chǎn)生剪切蠕變應(yīng)變視為該載荷作用下紅砂巖剪切蠕變試驗的結(jié)束點，然后提高載荷到下一水平并繼續(xù)利用該試樣進行試驗研究。根據(jù)對各試驗結(jié)果的整理、分析，得到了典型的不同大小的載荷作用下紅砂巖試樣剪切蠕變力學(xué)特性試驗曲線，如圖4 所示。

分析所得試驗曲線可知:

(1)在各級蠕變載荷施加后，紅砂巖試樣均會有初始應(yīng)變產(chǎn)生，但隨著各級蠕變載荷的逐漸施加，產(chǎn)生的初始應(yīng)變呈先減小后增大趨勢(4 級試驗產(chǎn)生的初始應(yīng)變依次為:(40 ～45)×10－4、(3 ～5)×10－4、(5 ～10)×10－4、(5 ～10)×10－4，且以第二級載荷施加時產(chǎn)生的初始變形值最小，呈明顯非線性特點。這是因為在逐漸提升載荷大小過程中，試樣要經(jīng)歷一個限制性剪切試驗過程，此過程中將產(chǎn)生明顯的剪切變形;且所受的載荷大小不同時，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化也不同，試樣將經(jīng)歷壓密、新微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生這一復(fù)雜過程;但由于剪切蠕變試驗的不斷進行，試樣所處的狀態(tài)不斷調(diào)整，如再受到相同的額外載荷作用時，其產(chǎn)生的剪切變形也將發(fā)生變化，故呈先減小后增大趨勢;而第二載荷水平作用下產(chǎn)生的初始剪切蠕變值較小，則是由第二載荷水平值的選取決定，而從限制性剪切試驗特性曲線可知，第二級載荷大小正處于試樣壓密階段結(jié)束位置。

(2)在各級蠕變載荷施加后，產(chǎn)生初始應(yīng)變的速率隨著各級載荷施加呈現(xiàn)出先減小后增加的規(guī)律，但以第二級載荷施加時產(chǎn)生的初始變形速率最小，如圖5 所示。這是因為對于相同條件下的同一巖樣，在受到相同增量載荷作用時產(chǎn)生的變形速率大小將取決于試樣內(nèi)孔隙、裂隙數(shù)量和這些微結(jié)構(gòu)的尺度，而隨著剪切蠕變試驗的不斷進行，試樣的孔隙率和其內(nèi)微結(jié)構(gòu)的尺度也將經(jīng)歷一個先大后小再大的過程，而各級載荷水平的選取又處于試樣不同的狀態(tài)點，故導(dǎo)致初始應(yīng)變的產(chǎn)生呈現(xiàn)如此規(guī)律。

圖4 典型的不同大小載荷作用下紅砂巖剪切蠕變特性試驗曲線Fig.4 Typical shear creep test characteristic curve of red sandstone under different load

圖5 不同階段的紅砂巖剪切蠕變曲線Fig.5 Shear creep test characteristic curve of red sandstone in different creep step

(3)在各級蠕變載荷施加后，試樣產(chǎn)生明顯的剪切蠕變變形所持續(xù)的時間和產(chǎn)生的剪切蠕變變形量均呈增加趨勢。第一級載荷施加后基本在5 min 內(nèi)完成明顯剪切蠕變、產(chǎn)生的剪切蠕變變形量約為10×10－4;第二級載荷施加后基本在10 min 內(nèi)完成明顯剪切蠕變、產(chǎn)生的剪切蠕變變形量約為(10 ～15)×10－4;第三級載荷施加后基本在20 ～30 min 內(nèi)完成明顯剪切蠕變、產(chǎn)生的剪切蠕變變形量約為(20 ～30)×10－4;第四級載荷施加后試樣一直有明顯剪切蠕變產(chǎn)生，直至試樣破壞瞬間。這是因為在剪切蠕變載荷較小時，其對試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響也較小，即使作用時間較長，載荷也僅能影響試樣內(nèi)部一些尺度較大的孔隙裂隙結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致其緩慢變形而產(chǎn)生剪切蠕變變形;而隨著剪切蠕變試驗的持續(xù)進行和載荷水平的不斷提高，試樣內(nèi)部將產(chǎn)生新的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)，這將增加剪切蠕變載荷對試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化的影響，并在此載荷水平作用期間內(nèi)產(chǎn)生更大的剪切蠕變變形，直至最后發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(4)開展系統(tǒng)的試驗研究后發(fā)現(xiàn)，紅砂巖試樣在各級剪切蠕變載荷作用下，進入穩(wěn)定蠕變階段的蠕變應(yīng)變和累計蠕變應(yīng)變分別由50 ×10－4增加到110 ×10－4、由60 ×10－4增加到180 ×10－4，2 個特殊點處剪切蠕變表現(xiàn)出的規(guī)律呈二次曲線特征，如圖6 所示。這說明紅砂巖試樣在經(jīng)歷了不同大小剪切蠕變載荷的長期作用后，其內(nèi)部發(fā)生的變化相對緩和，試樣發(fā)生明顯的破壞失穩(wěn)前其內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚沒有出現(xiàn)較大的突發(fā)式調(diào)整。

(5)進行系統(tǒng)試驗研究后發(fā)現(xiàn)，存在2 個特殊的臨界剪切蠕變載荷值τ1、τ2，把紅砂巖剪切蠕變分為3 個類型:肯定不破壞、不一定破壞和肯定破壞，且文中涉及的試驗中τ1、τ2應(yīng)滿足以下條件:22.97 MPa＜τ1≤28.71 MPa、τ2＞28.71 MPa。當(dāng)試樣受到的剪切蠕變載荷小于τ1時，即使作用時間很長試樣也不會發(fā)生失穩(wěn)破壞;而試樣受到的剪切蠕變載荷大于τ2時，巖石試樣一定能夠在剪切蠕變載荷作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞;當(dāng)剪切蠕變載荷值介于二者之間時，試樣將可能在剪切蠕變載荷的長期作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞，發(fā)生破壞所需要的時間將取決于載荷大小、外界條件和試樣所受的應(yīng)力過程。

圖6 各階段特殊點剪切蠕變應(yīng)變值Fig.6 Value of shear creep of special points in different creep step

(6)在各級剪切蠕變載荷作用下，紅砂巖試樣內(nèi)部及表面均會產(chǎn)生新的微結(jié)構(gòu)，明顯的裂紋多產(chǎn)生于試樣剪切應(yīng)力作用線附近，裂紋尺度的發(fā)育程度將由剪切蠕變載荷的大小決定。這可能是因為雖然所采用的紅砂巖試樣的孔隙率為5%左右，但試樣在剪切蠕變載荷作用下可發(fā)生的彈性剪切變形較小，在不大的載荷作用下，特別是剪切蠕變載荷作用下，彈性剪切變形在第一階段剪切蠕變過程中就已經(jīng)充分完成，并發(fā)生了部分塑性變形，導(dǎo)致有細微的裂紋出現(xiàn)。試樣在剪切蠕變載荷作用下，通過1 000 倍顯微鏡觀測時試樣內(nèi)微裂紋發(fā)展情況如圖7 所示。

(7)在剪切蠕變載荷作用下，紅砂巖試樣的破壞類型表現(xiàn)為漸進式與突發(fā)式的結(jié)合。在剪切蠕變載荷作用前期，紅砂巖試樣內(nèi)部不斷變化，表現(xiàn)為試樣的變形和試樣表面微裂紋的出現(xiàn);隨著載荷的增大和作用時間的延長，新的微裂紋開始發(fā)育、發(fā)展，帶動裂紋周邊也出現(xiàn)明顯的次生裂紋并進一步貫通，最終形成主破裂面，導(dǎo)致試樣發(fā)生突發(fā)式失穩(wěn)破壞并發(fā)出較大的斷裂聲響。紅砂巖破壞類型如圖8 所示。

(8)在剪切蠕變載荷作用下，紅砂巖試樣發(fā)生剪切破壞時的破裂面并非平直剪切面，而多數(shù)呈有彎曲波浪形曲面形式，如圖8 所示。這一曲面形式恰與邊坡發(fā)生滑移失穩(wěn)時的滑移面形式基本一致。

圖7 剪切蠕變試樣裂紋演化過程(1 000 倍)Fig.7 Evolution of Crack in process of shear creep red sandstone(1 ×103)

圖8 紅砂巖剪切蠕變破壞形式Fig.8 Shear creep fracture models of red sandstone

3 對邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象的解釋

系統(tǒng)的試驗研究所得主要結(jié)論是否可以用來解釋邊坡體失穩(wěn)破壞前主要現(xiàn)象和失穩(wěn)破壞的誘因與機理，將決定紅砂巖剪切蠕變力學(xué)模型是否可以恰當(dāng)?shù)谋碚鬟吰率Х€(wěn)這一科學(xué)問題。故嘗試著用試驗研究所得結(jié)論解釋一些邊坡發(fā)生失穩(wěn)時的現(xiàn)象，并歸納誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的機理。

(1)一些邊坡發(fā)生的失穩(wěn)主要受控于時間因素。剪切蠕變作用下的紅砂巖，其產(chǎn)生的剪切蠕變變形主要由初始剪切應(yīng)變和剪切蠕變應(yīng)變組成，恒定應(yīng)力條件對外界的影響是由作用時間導(dǎo)致的，試樣是否會發(fā)生破壞，將取決于試樣在各級剪切蠕變載荷作用下發(fā)生的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的積累量;隨著受到的剪切蠕變載荷與τ1、τ2大小關(guān)系的不同，作用時間對試樣破壞的控制作用也不同。這正可以解釋部分邊坡發(fā)生失穩(wěn)受控于時間因素這一點，即外界條件基本恒定條件下，時間因素將成為導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)的主控因素。

(2)邊坡體產(chǎn)生一定變形后仍可穩(wěn)定運行。盡管在不同大小的載荷下紅砂巖試樣均產(chǎn)生了明顯的剪切蠕變變形，但只要此載荷水平小于某一值，盡管作用時間延長試樣仍能保持穩(wěn)定并不斷發(fā)生剪切蠕變變形，只要滿足外界條件不變且受到的剪切蠕變載荷小于τ2。這可以很好地解釋有些邊坡體滑移變形達到一定程度后，只要外界條件不發(fā)生變化，其仍能保持安全穩(wěn)定運行這一現(xiàn)象。

(3)穩(wěn)定邊坡體的運動過程基本分為2 個階段，快速變形階段和趨于穩(wěn)定階段，僅在邊坡失穩(wěn)發(fā)生瞬間存在急劇滑移階段。在剪切蠕變載荷水平作用下，紅砂巖試樣均經(jīng)歷了快速剪切蠕變和穩(wěn)定剪切蠕變2 個階段;而當(dāng)載荷水平大于τ2時，紅砂巖試樣可能繼續(xù)變形直至發(fā)生失穩(wěn)破壞。這可以用來解釋人工邊坡形成后先是快速變形、而后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象;若所受載荷水平大于τ2或者外界條件發(fā)生了變化，邊坡則將發(fā)生失穩(wěn)。

(4)外界條件變化后穩(wěn)定的邊坡體將繼續(xù)發(fā)生運動，甚至失穩(wěn)。盡管在不同載荷作用下，紅砂巖試樣產(chǎn)生了明顯的剪切蠕變變形，但只要此載荷值小于τ1，剪切蠕變變形達到一定值后就不會繼續(xù)發(fā)展;如再提高剪切蠕變載荷水平，又將重復(fù)產(chǎn)生上述過程，直至載荷值大于τ2。這可以很好地解釋邊坡(特別是人工開挖形成的邊坡)發(fā)生一定數(shù)量變形后又趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象，而外界條件如在此時發(fā)生變化，則邊坡體可能繼續(xù)產(chǎn)生變形，而其是否發(fā)生失穩(wěn)則取決于外界條件變化的程度。

(5)邊坡發(fā)生滑移時滑移帶附近具有豐富結(jié)構(gòu)，且這些結(jié)構(gòu)是在一個緩慢過程中積累形成的。紅砂巖受到剪切蠕變載荷作用時，試樣在剪切應(yīng)力作用線附近將產(chǎn)生明顯的微結(jié)構(gòu)發(fā)育區(qū)域，包括主裂紋和次生微裂紋，且隨著試驗的進行最終形成宏觀主裂紋，從而導(dǎo)致試樣失穩(wěn)破壞，如圖7 所示。這正可以解釋邊坡滑移時滑移帶內(nèi)形成的豐富結(jié)構(gòu)和主滑移面的形成原因。

(6)邊坡失穩(wěn)滑移多為剪切滑移，滑移面的剪切痕跡明顯，滑移面多為非平直剪切面。試驗研究中，紅砂巖試樣受到剪切蠕變載荷作用，逐漸產(chǎn)生剪切蠕變變形，當(dāng)此變形積累到一定數(shù)量后，試樣內(nèi)部將形成一個以次生細微裂紋為主的剪切帶，如圖7(b)所示。該剪切帶在上覆剪切蠕變載荷的繼續(xù)作用下將不斷發(fā)展，直至形成試樣的主控剪切破裂面，并導(dǎo)致試樣的剪切失穩(wěn)破壞，如圖7、圖8 所示。這一過程與邊坡內(nèi)形成滑移面的過程非常相似，且形式均為非平直剪切面。

(7)邊坡穩(wěn)定性的演化過程。在較小的剪切蠕變載荷作用下，盡管作用時間較長，紅砂巖試樣僅產(chǎn)生較大剪切蠕變變形，但不發(fā)生失穩(wěn)破壞，即滿足剪切蠕變載荷值小于τ1;而繼續(xù)增加剪切蠕變載荷時，試樣將重復(fù)上述變形過程，直至受到的剪切蠕變載荷大于τ2時，試樣發(fā)生剪切蠕變失穩(wěn)破壞。不斷增加的剪切蠕變載荷，可近似等效為邊坡外界條件的變化，而這一改變則可能就是邊坡發(fā)生失穩(wěn)滑移的最直接誘因，而邊坡潛在滑移帶內(nèi)巖石發(fā)生的剪切蠕變過程則是其孕育、發(fā)展的過程。

4 結(jié) 論

(1)不同載荷作用下紅砂巖試樣發(fā)生剪切蠕變時，剪切蠕變變形均包括初始剪切蠕變階段、穩(wěn)定剪切蠕變階段，而加速剪切蠕變階段是否存在決定于剪切蠕變載荷與特殊值τ2的關(guān)系;試樣產(chǎn)生的累計剪切蠕變變形量隨剪切蠕變載荷的增加呈增加趨勢。

(2)不同載荷作用下的紅砂巖試樣剪切蠕變過程中，存在2 個特殊的臨界剪切蠕變載荷值τ1、τ2，將紅砂巖剪切蠕變類型分為3 種，即肯定不破壞、不一定破壞和肯定破壞。

(3)不同載荷作用下的紅砂巖試樣剪切蠕變過程中，隨載荷的增加進入穩(wěn)定剪切蠕變階段和最大剪切蠕變變形2 個特殊點處產(chǎn)生的剪切蠕變變形呈逐漸增加趨勢。

(4)不同載荷作用下紅砂巖試樣剪切蠕變過程中，紅砂巖試樣的破壞帶形成過程表現(xiàn)為漸進式，破壞過程表現(xiàn)為漸進式與突發(fā)式結(jié)合，破裂面附近區(qū)域為裂紋結(jié)構(gòu)豐富區(qū)，破裂面并非平直剪切面。

(5)巖石的剪切蠕變力學(xué)模型可以用來解釋邊坡發(fā)生失穩(wěn)時的多種現(xiàn)象，邊坡潛在滑移帶內(nèi)巖石發(fā)生的剪切蠕變則是邊坡發(fā)生失穩(wěn)的內(nèi)在誘因。

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