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基于冪函數(shù)的邊坡巖體泥質(zhì)夾層長期強度直剪蠕變試驗研究

2018-01-24 03:24:24周曉飛孫金山劉貴應(yīng)李正川
安全與環(huán)境工程 2018年1期
關(guān)鍵詞:剪切應(yīng)力泥質(zhì)夾層

周曉飛,孫金山,劉貴應(yīng),李正川,易 兵

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院,武漢 430074;2.中鐵二院重慶勘察設(shè)計研究院有限責任公司, 重慶 400023;3.重慶城市綜合交通樞紐開發(fā)投資有限公司,重慶 400023)

巖質(zhì)邊坡中往往存在一定數(shù)量的軟弱結(jié)構(gòu)面,在巖體自重和降雨、地震等外在因素的作用下邊坡常沿此類軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動,進而導(dǎo)致滑坡災(zāi)害。軟弱結(jié)構(gòu)面一般都具有顯著的流變性,致使受其控制的邊坡也呈現(xiàn)出典型的流變變形和漸進失穩(wěn)特征。

目前,國內(nèi)外對巖體流變特性的研究已取得了一定的研究成果,但主要成果集中在巖石材料流變性質(zhì)的研究方面。巖體的流變性質(zhì)是巖體的重要特性之一,在力的作用下巖塊和結(jié)構(gòu)面均產(chǎn)生流變變形,巖體的長期強度一般取決于兩者的流變特性,在一些情況下結(jié)構(gòu)面的流變特性顯得更為重要。徐衛(wèi)亞等[1]對節(jié)理巖體的流變特性進行了研究,建立了節(jié)理巖體的剪切流變模型;朱珍德等[2]通過對巖石夾層剪切流變試驗結(jié)果的分析,獲得了巖體結(jié)構(gòu)面的長期強度參數(shù),并指出黏聚力對剪切流變的影響略高于內(nèi)摩擦角;李翔等[3]借助Flac3D軟件中的Burger模型對滑帶土室內(nèi)三軸蠕變試驗進行了數(shù)值模擬,獲取了滑帶土長期強度參數(shù);熊良宵等[4]采用廣義Kelvin模型、Burgers模型和六元件黏彈性流變模型,提出硬性結(jié)構(gòu)面的剪切流變模型及剪切蠕變試驗的數(shù)值分析方法;龐正江等[5]針對某電站典型代表性的巖層進行室內(nèi)巖石剪切流變試驗,選取擴展的Burgers模型建立流變方程,利用MATLAB工具函數(shù)fminsearch擬合試驗得到的μ-t非線性函數(shù)流變曲線,確定了巖體結(jié)構(gòu)面的流變參數(shù);李建偉等[6]在滑坡滑帶土蠕變試驗的基礎(chǔ)上,建立了反映滑帶土蠕變特性的Singh-Mitchell蠕變模型;趙寶云等[7]深入研究了重慶市某干線公路順層滑坡的垮塌機理,指出結(jié)構(gòu)面流變是該滑坡發(fā)生的主要原因,并提出了適用于分析軟弱結(jié)構(gòu)面的順層滑坡穩(wěn)定性問題的非線性黏彈塑性流變模型;朱賽楠[8]認為滑坡蠕滑變形失穩(wěn)的關(guān)鍵因素是軟弱夾層和巖溶帶的強度衰減,提出了雞尾山型滑帶軟弱夾層的三個演化階段,揭示了受軟弱夾層控制的層狀基巖滑坡的失穩(wěn)機理;簡文星等[9]從紅層巖土體蠕變特性研究入手,探討了在降雨作用下緩傾角紅層基巖滑坡的啟滑機制;陳沅江等[10]著重研究了結(jié)構(gòu)面粗糙突起阻滯作用和摩擦阻滯作用對結(jié)構(gòu)面蠕變過程的影響;曹運江等[11]針對壩區(qū)開挖高邊坡煤系地層軟弱結(jié)構(gòu)面開展了軟弱結(jié)構(gòu)面的時效變形特性研究,建立了各種類型軟弱結(jié)構(gòu)面的綜合時效本構(gòu)方程,獲取了壩區(qū)煤系地層軟弱結(jié)構(gòu)面的長期強度參數(shù)。但是,由于結(jié)構(gòu)面的流變性質(zhì)非常復(fù)雜,影響因素也很多,相關(guān)的研究成果還比較少,如今巖體滑坡、圍巖塌陷屢見不鮮,這些頻發(fā)的工程事故大多與巖體結(jié)構(gòu)面的流變特性有關(guān),因此開展對巖體結(jié)構(gòu)面剪切流變特性的試驗研究,對于整個巖體工程的長期穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)價值,而且能為巖體流變特性理論研究提供必要的基礎(chǔ)。為此,本文主要針對邊坡巖體中的泥質(zhì)夾層,通過泥質(zhì)夾層的室內(nèi)直剪蠕變試驗,在試驗的基礎(chǔ)上,采用冪函數(shù)描述泥質(zhì)夾層蠕變變形隨時間的變化情況,并確定了泥質(zhì)夾層的長期強度。

1 泥質(zhì)夾層剪切蠕變特征

通常泥質(zhì)夾層的抗剪強度是由室內(nèi)試驗將夾層試樣在規(guī)定時間內(nèi)破壞測得,然而,現(xiàn)實中的巖體沿泥質(zhì)夾層剪切破壞一般都是在很長一段時間之后發(fā)生的。泥質(zhì)夾層的長期強度是指夾層在強度范圍內(nèi)能夠長期穩(wěn)定存在的界限值。巖體的泥質(zhì)夾層具有遇水軟化和變形隨時間變化的特性,特別是對于含有大量黏土礦物的泥質(zhì)夾層,其蠕變變形更為明顯。圖1為泥質(zhì)夾層的剪切蠕變曲線。

圖1 泥質(zhì)夾層剪切蠕變曲線[12]Fig.1 Shear creep curve of the mudded intercalation[12]

由圖1可以明顯地看出泥質(zhì)夾層剪切蠕變的三個階段,即蠕變初始階段I(圖1中ab段)、蠕變穩(wěn)定階段II(圖1中bc段)、蠕變加速階段III(圖1中cd段)。

對應(yīng)于泥質(zhì)夾層的蠕變變形階段,泥質(zhì)夾層長期強度值即為夾層不發(fā)生蠕變加速階段的界限值。為了確定泥質(zhì)夾層的長期強度,本文擬通過對泥質(zhì)夾層進行直剪蠕變試驗,通過分析其蠕變變形特性,進而獲得其長期強度。

2 泥質(zhì)夾層的直剪蠕變試驗

2. 1 剪切蠕變加載方式

目前比較流行的蠕變加載方式有分樣加載和分級加載,兩種加載方式有各自的優(yōu)缺點。

分樣加載,即對試樣一次性加到某個蠕變荷載,然后維持恒定。優(yōu)點:沒有前期應(yīng)力歷史的影響;缺點:需一組同樣的試樣,難以避免結(jié)果離散性。

分級加載,即對一個試樣進行多級加載。優(yōu)點:只需進行一個試驗;缺點:上一級荷載對下一級荷載變形有影響。本次試驗擬采用分級加載的方式。

2. 2 試驗儀器

邊坡巖體泥質(zhì)夾層一般都處于一定的應(yīng)力水平下,為了使試驗更接近實際泥質(zhì)夾層的狀態(tài),本次試驗使用南京儀器廠生產(chǎn)的ZLB-三聯(lián)直剪流變儀。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)在土樣上施加一定法向壓力,同時在剪切面上施加一定的剪切力,并對土樣的剪切變形量進行測試。該儀器的試樣尺寸為φ61.8 mm×20 mm,最大剪切力為1.8 kN,最大法向力為1.8 kN。

2. 3 試樣制備

試樣取自巖質(zhì)邊坡紅黏土泥質(zhì)夾層,其基本參數(shù)見表1。

表1 試樣基本參數(shù)

為了使得泥質(zhì)夾層流變變形更為明顯,本次試驗采用飽和土體,并考慮到泥質(zhì)夾層一般都處于一定的應(yīng)力水平下,試樣采用以下方法制作:待土體飽和后,將飽和土體制作成直徑為61.8 mm、厚為20 mm的標準剪切試樣,并在150 kPa的法向荷載下固結(jié)24 h。

2. 4 試驗內(nèi)容

本次試驗共分為2組,試驗方案如下:

(1) 將標準剪切試樣分別在100 kPa、150 kPa、200 kPa的法向應(yīng)力作用下進行應(yīng)變式快剪直剪試驗,測得試樣在飽和固結(jié)之后的抗剪強度。

(2) 將標準剪切試樣在150 kPa的法向應(yīng)力作用下,采用分級加載方式對試樣進行剪切蠕變試驗,每級荷載的大小約為其抗剪強度的10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%。每隔一定的時間記錄剪切變形量,待試樣進入穩(wěn)定階段,卸載記錄回彈變形量。

2. 5 試驗結(jié)果

2.5.1 直剪試驗

通過直剪試驗,獲取了標準剪切試樣的抗剪強度參數(shù),即黏聚力c為14.19 kPa、內(nèi)摩擦角φ為8.3°。標準剪切試樣在150 kPa法向應(yīng)力作用下的抗剪強度為36.2 kPa,為接下來的分級加載荷載值提供了參考。

2.5.2 分級加載剪切蠕變試驗

試樣分級加載剪切蠕變變形的試驗結(jié)果,見圖3。對于土體分級加載蠕變變形數(shù)據(jù)的處理主要有兩種方法,分別是線性法和陳氏法,目前普遍采用陳氏法?!瓣愂稀碧幚矸椒ǖ膬?yōu)點在于采用作圖法可求得巖體真實蠕變變形過程的疊加關(guān)系,并能考慮土體的非線性蠕變變形特性。

圖2 試樣分級加載剪切蠕變變形(σ=150 kPa)Fig.2 Creep deformation under step loading (σ=150 kPa)

本文利用陳氏法對試樣分級加載蠕變變形數(shù)據(jù)進行了處理,其處理結(jié)果見圖3。

圖3 試樣分級加載剪切蠕變變形的疊加(σ=150 kPa) Fig.3 Superposition of creep deformation under step loading (σ=150 kPa)

3 泥質(zhì)夾層長期強度的確定

3. 1 剪切變形特征

試樣的剪切變形包括瞬時的彈性變形和與時間相關(guān)的蠕變變形,因此本文分開考慮其彈性變形和蠕變變形。不同剪切應(yīng)力比情況下,試樣達到穩(wěn)定階段的彈性變形量和塑性變形量見表2、圖4和圖5。

由圖4和圖5可以看出:試樣的彈性變形量基本上與剪切應(yīng)力比呈線性關(guān)系,對于給定的剪切應(yīng)力比,其彈性變形為定值;而對于蠕變變形產(chǎn)生的塑性變形量,隨著剪切應(yīng)力比的增大而呈現(xiàn)指數(shù)增長,可見隨著剪切應(yīng)力比的增加,蠕變剪切位移量更大,蠕變變形也更為明顯。

表2 不同剪切應(yīng)力比下試樣的彈塑性變形

圖4 不同剪切應(yīng)力比下試樣的彈性變形Fig.4 Elastic shear deformation under different shear stress ratios

圖5 不同剪應(yīng)力比下試樣的蠕變變形Fig.5 Creep shear deformation under different shear stress ratios

3. 2 蠕變變形-時間函數(shù)的確定

土體蠕變變形的復(fù)雜性主要是由于蠕變變形的時間相關(guān)性。一些學者通過現(xiàn)象學的研究建議采用大量的函數(shù)來描述土體蠕變變形速率曲線的函數(shù)關(guān)系,其中最普遍、最適用的就是冪函數(shù),如下式:

ΔL(t)Δt=Τ2Τ1+tp

(1)

式中:ΔL(t)為在Δt時間內(nèi)土體的蠕變變形量(mm);T1和T2為常數(shù)項;t為加載時間(min);p為冪函數(shù)的冪級次。

通過對公式(1)進行分析可知,對于不同范圍的冪級次p值,該函數(shù)呈現(xiàn)不同的形態(tài),分別對應(yīng)土體不同的蠕變狀態(tài)。通過對公式(1)進行時間積分,可得到土體蠕變剪切位移與時間的函數(shù),見表3。

表3 土體蠕變剪切位移與時間的函數(shù)

令公式(1)中T1=1,可得到土體蠕變剪切位移-時間函數(shù)的擬合式為

(2)

式中:L(t)為t時刻土體的蠕變變形量(mm)。

不同p值對應(yīng)的土體蠕變剪切位移-時間曲線見圖6。

圖6 不同p值對應(yīng)的土體蠕變剪切位移-時間曲線Fig.6 Curve of creep displacement-time under different p values

由圖6可見,當p>1時,對應(yīng)于曲線a,土體蠕變剪切位移最終趨于定值;當0

由于冪級次p值與不同應(yīng)力水平下土體的蠕變剪切位移-時間曲線具有良好的對應(yīng)性,且p=1對應(yīng)于土體蠕變剪切位移收斂與否的分界值,因此考慮到利用冪級次p值確定土體的長期強度。

3. 3 蠕變變形的擬合

將不同剪切應(yīng)力比下試樣的剪切變形量減去其初始彈性變形量,即為試樣的蠕變變形量。不同剪切應(yīng)力比作用下試樣蠕變剪切位移隨時間的變化曲線,見圖7。

圖7 不同剪切應(yīng)力比下試樣的蠕變剪切位移-時間曲線Fig.7 Curve of creep displacement-time under different shear ratios

由圖7可見,在13.51%的剪切應(yīng)力比作用下試樣基本沒有蠕變變形,較快地進入蠕變穩(wěn)定階段;但隨著剪切應(yīng)力比的增大,試樣的蠕變變形越來越明顯,其蠕變進入穩(wěn)定階段的時間也較長。

本文采用公式(2)對圖7中不同剪切應(yīng)力比下試樣的蠕變變形-時間曲線進行了擬合,其擬合曲線見圖8。其中,在86.48%的剪切應(yīng)力比作用下,加載120 min后試樣出現(xiàn)了加速蠕變階段,并在短時間內(nèi)發(fā)生了剪切破壞,其擬合曲線見圖9。

圖8 不同剪切應(yīng)力比下試樣的蠕變變形擬合曲線Fig.8 Fitting curve of creep deformation under different shear ratios

圖9 在86.48%的剪切應(yīng)力比下試樣的蠕變變形擬合曲線Fig.9 Fitting curve of creep deformation under shear stress ratio of 86.48%

由圖8和圖9可見,借助冪函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對試樣蠕變變形的擬合。

3. 4 泥質(zhì)夾層的長期強度確定

3.4.1 冪級次法

不同剪切應(yīng)力比作用下試樣的蠕變剪切位移-時間曲線的擬合參數(shù),見表4。

表4 不同剪切應(yīng)力比下試樣的蠕變剪切位移-時間曲線的擬合參數(shù)

根據(jù)表4中數(shù)據(jù),繪制p值隨剪切應(yīng)力比的變化曲線,見圖10。

圖10 不同剪切應(yīng)力比的冪級次p值Fig.10 p value under different shear stress ratios

由圖10可見,冪級次p值大小與剪切應(yīng)力比呈負相關(guān)關(guān)系,并將p=1作為蠕變剪切位移-時間函數(shù)是否收斂的分界值,即p=1對應(yīng)的試樣剪切應(yīng)力值就為其長期強度。通過作圖法,求得p=1對應(yīng)的剪切應(yīng)力比為82% ,因此試樣的長期強度為其抗剪強度的82%。

3.4.2 等時曲線法

目前確定巖體長期強度方法采用最多的是等時曲線法,根據(jù)泥質(zhì)夾層試樣直剪蠕變試驗數(shù)據(jù)繪制其剪切變形等時曲線,見圖11。

圖11 試樣的剪切變形等時曲線Fig.11 Isochronous curves of shear deformation

根據(jù)圖11試樣的剪切變形等時曲線的最大曲率,可求得泥質(zhì)夾層土體的長期強度為26.8 kPa,為實際抗剪強度的74%。

可見,使用不同方法求取邊坡巖體中泥質(zhì)夾層的長期強度具有一定的差別,冪級次判別法將p=1作為判別標準更為嚴格,對應(yīng)于絕對臨界失穩(wěn)狀態(tài),因此獲取的泥質(zhì)夾層長期強度較傳統(tǒng)等時曲線法獲取的長期強度要大一些。另外,邊坡巖體中泥質(zhì)夾層的蠕變變形容易受到人為和自然因素的影響,實際工程中還需要根據(jù)實際情況慎重進行巖土體結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性評價。

4 結(jié) 論

確定邊坡巖體結(jié)構(gòu)面長期強度對于邊坡等工程的長期穩(wěn)定性評價具有重要的意義。本文通過對邊坡巖體泥質(zhì)夾層的室內(nèi)直剪蠕變試驗研究,提出了借助冪函數(shù)確定泥質(zhì)夾層長期強度的方法,并與傳統(tǒng)等時曲線法進行了對比,得出結(jié)論如下:

(1) 不同剪切應(yīng)力比下,泥質(zhì)夾層的蠕變變形特征不同,在低剪切應(yīng)力比下,泥質(zhì)夾層的蠕變變形不明顯,且剪切應(yīng)力比越大,泥質(zhì)夾層蠕變變形越明顯。

(2) 借助冪函數(shù)對泥質(zhì)夾層蠕變剪切位移-時間曲線進行了擬合,確定了泥質(zhì)夾層在150 kPa法向應(yīng)力作用下的長期強度為其抗剪強度的82%,相較于傳統(tǒng)等時間曲線法獲取的長期強度要大一些。

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