黏性土剪切蠕變特性研究進展*

陳茂 張家明 龍鄖鎧

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

滑坡災害的啟動往往經歷了長期、緩慢的蠕變過程，土體結構從初始變形到完全破壞的過程中伴隨著一套復雜的蠕變本構關系。誘發滑坡災害的因素主要分為內、外兩個方面，一方面是滑帶土的礦物成分、顆粒級配以及微觀結構等內部因素，另一方面則是自然侵蝕、降雨和地下水、庫水位變化以及人類活動等[1-5]外界成因，而外界因素也主要是土體內部應力環境的改變[6]。降雨、地下水及水位變化等外界環境不斷改變滑帶的應力場和滲流場狀態，從而影響坡體的整體穩定性。比如，三峽庫區侏羅系順層滑坡主要是由于特殊的動水效應引起的蠕變失穩[7]；白家包滑坡則是由于庫區水位迅速下降改變了土體應力場狀態，降低了坡體整體穩定性，在同周期降雨條件下加快了坡體變形，最終發生蠕變破壞[8]。

土體蠕變是滑坡演變的早期狀態[9]，其與應力環境密切相關。三峽庫區馬家溝滑坡由于庫水位變化導致坡體滲流場狀態發生改變，影響了滑帶土的應力場分布特征，從而誘發坡體發生蠕動型滑坡失穩[10]；位于湖北省巴東縣信陵鎮的臨江坡體，由于移民搬入以及避險搬出等特殊人類活動改變了土體內部的應力路徑，從而影響了漸進性滑坡的變形和穩定[11]。

隨著全球基礎投資建設規模的不斷擴大，剪切蠕變誘發的自然或工程滑坡災害也越發頻繁，已經造成了大量的經濟損失和人員傷亡，所以針對既有研究成果，開展黏性土剪切蠕變的研究具有科學的理論意義和實際的工程效益。本文主要從黏性土的剪切蠕變性質(試驗方法、蠕變階段及變形特征)、力學強度特征(分類、影響因素、演變關系)以及蠕變本構模型(理論成果、元件模型、經驗模型)等幾個角度進行綜述，并對其中一些方面進行探討分析。最后針對當前存在的問題提出了建議與展望，以期能為黏性土剪切蠕變的研究提供科學理論依據。

1 剪切蠕變試驗研究方法

根據既有學者研究成果，由于復雜的室外條件，黏性土剪切蠕變特性的研究方法常采用室內環剪試驗[12]、三軸壓縮試驗[7,13-14]以及直剪蠕變試驗[15-16]。通過整理分析文獻資料[12-18]，對黏性土剪切蠕變試驗方法做出總結(見表1)。

表1 黏性土剪切蠕變試驗方法

2 黏性土蠕變階段及變形特征

針對黏性土蠕變階段及變形特征，已有許多學者做了相關討論。研究表明：黏性土在蠕變過程中呈現階段性變化特點，且伴隨著衰減變形與非衰減變形特征。龍建輝等[18]以應力狀態和含水率為控制變量，采用三軸蠕變試驗和直剪蠕變試驗研究了黃土坡黏性土蠕變階段特征，結果表明：研究區黏性土蠕變過程經歷了3個階段，即等速階段、加速階段以及蠕變破壞階段；周靜靜等[19]采用直剪蠕變試驗分析黏性土蠕變性質時，認為試樣在每一級荷載作用下都經歷了衰減階段、穩態階段，最后在破壞偏應力作用下進入加速蠕變階段；田文[20]采集了該研究區含粗顆粒的黏性土進行三軸蠕變試驗，將黏性土蠕變過程劃分為瞬時蠕變階段、衰減蠕變階段和穩態蠕變階段3 個部分。

根據既有研究成果，黏性土蠕變過程呈現著復雜的階段性變形特征。總體說來，黏性土從變形開始到最終破壞的過程可依次劃分為瞬時變形階段、衰減蠕變階段、穩態蠕變階段以及加速蠕變破壞階段等4個部分，且在這一過程中伴隨著衰減蠕變和非衰減蠕變的變形特征(見圖1)。

圖1 變形隨時間變化曲線

在荷載作用瞬間，土體中的部分水分子被排擠溢出，產生大量孔隙結構，這為土體顆粒位置變化騰出了場地空間。所以，荷載作用下的土顆粒三維空間位置不斷發生調整，孔隙被不斷填充，導致土體結構變形瞬間增大[14]，見圖中0A段。在土體自重和外界環境的疊加效應下，土顆粒空間位置繼續發生調整相互揉搓以適應土體骨架內的新應力鏈環境，最終趨于一個相對平衡穩定狀態，即蠕變速率不斷衰減[10,14]，見圖中AB段。在經歷瞬時蠕變和衰減蠕變階段之后，土體結構內部應力環境處于基本穩定狀態，黏性土蠕變速率趨于一個接近于零的常數，土體變形緩慢，歷時周期漫長[7,10,13-14]，見圖中BC段。經歷長期的低速穩態變形后，土體內部應力等級累積達到破壞程度時，黏性土就會進入加速蠕變破壞階段，土體內部結構規律發生紊亂，宏觀上產生明顯的破壞變形，呈似流體狀態[17,21-22]，見圖中CD段。而CD段嚴格上可細分為兩個部分，一是發展著塑性變形但還未誘發破壞的CE段，二是微裂隙劇烈發展導致破壞變形的ED段[23]。

在黏性土剪切蠕變過程中，不同的變形階段表現出不同的蠕變速率。即在黏性土蠕變過程中伴隨衰減蠕變(AB段)和非衰減蠕變變形特征(BC段和CD段)。

3 黏性土力學強度特征

3.1 抗剪強度指標

黏性土抗剪強度指標控制著滑坡蠕變機理，其力學強度特征與斜坡整體形態和活動狀態密切相關[24]。影響斜坡穩定性的強度指標主要包括：峰值強度、殘余強度、啟動強度、完全軟化強度以及長期強度等5個方面[25]。

3.2 抗剪強度指標影響因素

黏性土在經歷長期復雜應力作用后，土體的蠕動變形與力學強度特征具有時間效應關系[10,26]。影響黏性土力學強度特征的因素可以概括為：水化作用(水的弱化作用、含水率及水的化學成分)、土體先期變形量和時間效應、土體的礦物成分和粘粒含量、土體結構的內部連結特征、土體的粒度分布特征以及塑性指數等[27]。于是，針對黏性土5種力學強度特征值影響因素及關系進行分別討論：

對于黏性土峰值強度的研究，龍建輝[28]認為其本質就是研究c值的特征規律。而c值的影響因素主要有有效法向應力、粘粒含量、粘土礦物和應力狀態、密實度、剪切移動速率以及含水率等。研究表明：峰值強度與超固結比、有效法向應力、剪切速率、密實度等呈正相關性，而與含水率、粘粒含量呈負相關性。遇水后發生漲縮現象的親水性粘土礦物可弱化黏性土峰值強度。不同應力狀態下的土體強度指標也存在差異，一般認為軸對稱應力狀態和三向應力狀態的峰值強度大于平面應力狀態[26]。

經歷大變形之后的黏性土，其內部結構出現重新組合的現象，土體顆粒間的摩擦力和咬合力通過不斷調整抵抗外界應力場變化，最終趨于一個較穩定的狀態，此時所達到的最小穩定狀態的強度即為殘余強度。而殘余強度的影響因素主要為：土的礦物結構成分、顆粒體積大小、粘粒含量、塑性指數Ip、有效法向應力等[26-27]。研究表明：殘余強度與粘粒含量、塑性指數呈負相關性，而與有效法向應力呈正線性關系。呈扁平或類扁平狀粘土礦物的殘余強度小于次角狀或針狀顆粒的粘土礦物。

在滑坡發育過程中，由于復雜多變的應力狀態，黏性土啟動強度常是一個不易確定的指標，其量值可能等于峰值強度、殘余強度、軟化強度以及長期抗剪強度，但也有可能介于上述強度指標之間[25]。龍建輝[28]引入“啟動含水率”這一特征含水率來反算確定了土體的啟動強度。結果表明：啟動含水率接近于塑性含水率，可認為塑性含水率對應的強度即為啟動強度。

SKEMPTON A W[29]認為經歷峰值階段后的強度下降原因可歸結于兩點：首先是土體含水量的增加，其次是由于粘土顆粒與剪切方向平行的重定向。對于軟化強度的研究，有關學者[26]認為由于含水率與土體中吸附粘聚力和加固粘聚力的關系，導致土體結構間的聯結力發生弱化。所以，土體在飽和狀態下的軟化強度與φ值密切相關，其影響因素主要有：粘粒粒級、粘粒形狀、液塑限指標、飽和含水率、粘粒粒徑級配分布以及有效正應力等。研究表明：黏性土完全軟化摩擦角隨粘粒粒級、液限的增大不斷減小，而含水率與其相關性不大。摩擦角的變化也受粘性形狀的影響，即粘粒的片狀化發育使得φ值不斷減小。

黏性土長期強度往往控制著滑坡的變形，其影響因素主要受土體含水量、密度、粒度成分、礦物成分、化學組分、試驗條件等控制。研究表明：長期強度值隨土體含水量增加而減小，但與密度呈正相關性。黏性土粒度成分影響著c、φ值，土體中細顆粒含量越多，c值越大，而φ值越小。親水性礦物由于特殊的吸水脹縮性，會導致土體強度不斷弱化[30]。

3.3 力學強度指標演變關系特征

黏性土從變形開始到加速破壞的過程中，各強度特征之間密切相關。龍建輝[28]針對涇陽南塬黏性土的峰值抗剪強度、完全軟化強度以及殘余強度之間的演變關系做了研究(見圖2)。對于非飽和土而言，經歷峰值強度后的強度指標在不斷降低，可化分為兩個階段：第一階段是土體內部含水率增加弱化了結構間的粘聚力，導致結構體強度逐漸喪失，最后達到軟化點進入完全軟化階段；第二階段是由于土體中部分顆粒與剪切方向平行排列所導致，土顆粒經過漫長的調整后強度不斷降低，最終達到殘余強度狀態。黏性土在蠕變過程中，其力學強度指標在不斷降低，經歷長期動水作用和剪切破壞，土體結構穩定性逐漸減弱。

圖2 黃土滑坡滑帶土強度特征參數相互關系示意

4 黏性土蠕變本構模型

4.1 蠕變本構模型理論成果

土體的蠕變模型宏觀上分為3類[31]，即經驗-半經驗模型、基于一般流變理論的元件模型以及黏彈塑性模型。經驗-半經驗模型常采用半對數或雙對數坐標系來表達應力-應變-時間關系[32-33]。一般流變理論模型主要通過元件模型(Maxwell模型、Kelvin模型以及Burgers模型)建立數學方程表達式來表征土體蠕變特征[31,34-35]。黏彈塑性模型源于經典塑性理論，普遍認為蠕動勢和塑性勢具有一致性。本章基于蠕變本構模型研究成果，開展對經驗模型與元件模型的討論。

4.2 經驗模型

對于經驗模型的研究，國內外相關學者已開展了大量的研究，針對不同的變形特征建立對應的蠕變模型能更好的模擬和監測滑坡的位移動態。陳晶晶等[36]針對清江古樹滑帶土引入Mesri模型和Singh-Mitchell模型描述了土體的蠕變特性，研究表明該模型由于參數少、適應性強能很好的表達土體的應力-應變關系；王琛等[37]以三峽庫區古滑坡為研究對象，建立了描述黏性土變形的Singh-Mitchell經典蠕變方程，即變形函數關系采用指數函數描述，時間函數關系采用冪函數描述。

根據文獻[23]及經驗模型研究成果，描述土體應變-時間關系(時間函數)常采用冪函數、指數函數、對數函數或者雙曲線函數，而描述應力-應變關系(變形函數)宜采用冪函數或雙曲線函數。典型的經驗模型有Singh-Mitchell模型和Mesri模型，兩者的變形函數分別采用指數函數和雙曲線函數，而時間函數則都采用冪函數[38]。

4.2.1 Singh-Mitchell經典蠕變模型

SINGH A等[39]在單級常應力加載和排水不排水三軸壓縮試驗的基礎上，提出了可描述20%～80%剪應力水平范圍的應力-應變-時間經驗關系。認為可采用指數函數描述土體應力-應變關系，應變-時間關系采用冪函數能很好的描述土體的蠕變特性，寫成應變率-應力水平-時間關系，可表示為

ε=AreαDr(t1/t)m

(1)

式中，ε為任一時刻t的軸向應變速率；t為受荷時間；Dr=(σ1-σ3)/(σ1-σ3)f，為剪應力水平，(σ1-σ3)f可由常規三軸排水壓縮試驗獲取；Ar為單位參考時間t1， (σ1-σ3)=0時的應變速率；m為lnε-lnt關系圖中直線的斜率；α為應變速率對數與剪應力關系圖中線性段的斜率。式(1)即經典的Singh-Mitchell蠕變模型，只需確定Ar，α和m這3個參數。

在m≠1且初始應變ε0=0時，式(1)積分可推導為

ε=BeβDr(t/t1)m

(2)

式中，B=Art1/(1-m)，β=α，λ=1-m。故Singh-Mitchell蠕變模型需要確定的是B、β及λ這3個參數。

4.2.2 Mesri經典蠕變模型

Mesri經典蠕變模型中應力-應變關系采用雙曲線函數描述，而應變-時間關系則采用冪函數來描述，其蠕變方程可表示為

(3)

式中，ε為軸向應變；t為蠕變時間；Eu切線模量；Su為抗剪強度；Rf為破壞應力比；Dr=(σ1-σ3)/(σ1-σ3)f，定義為剪應力水平；t1為參考時間；λ為試驗常數。

當t=t1時，式(3)可表示為

(4)

4.3 元件模型

黏性土在蠕變過程中呈現多階段的變形特征，不同階段土體表現出不同的蠕變規律。故在不同階段選用合理的蠕變模型能更準確的模擬黏性土的變形特性。于是，在瞬時變形階段黏性土產生彈性變形，此土體的蠕變特征可以用彈性元件來模擬。隨著應力等級和時間效應的累積，黏性土的變形逐漸步入衰減階段，蠕變速率不斷減小。該階段的蠕變特性適用于Kelvin體來模擬。將上述彈性元件和Kelvin體串聯起來即可描述瞬時和衰減階段的蠕變特征。隨著應力條件不斷改變，剪應力大于長期強度，土體蠕變進入長期穩態階段，最后達到加速失穩破壞階段。于是，在彈性元件和Kelvin體的基礎上再串聯一個黏性元件即可描述穩態變形階段的蠕變特征。將彈性元件和黏性元件串聯起來就可以建立描述瞬時變形和勻速變形階段的Maxwell體[40]。

根據既有元件模型研究成果，本節主要討論典型元件模型(Maxwell體、Kelvin體及Burgers模型)在蠕變變形中的應用。元件模型是由基本元件在不同組合情況下形成的，用以模擬土體的蠕變效應。常見的基本元件有彈簧、黏壺和滑片，分別用于描述土體的彈性、黏性及塑性變形。由彈簧和黏壺并聯形成的元件模型，即Kelvin體，見圖3(a)，主要用于模擬土衰減階段的蠕變特征[6,24]；而由兩者串聯則形成Maxwell體，見圖3(b)，主要描述土體瞬時和勻速變形階段的蠕變特性。Burgers模型是由Maxwell體和Kelvin體串聯形成(圖4)，其可以反映土蠕變過程中的減速和穩定變形特征[41]。

(a) Kelvin

圖4 Burgers 模型

4.4 元件模型與經驗模型對比

根據已有研究成果，將黏性土蠕變本構模型劃分為經驗模型和元件模型進行對比分析(見表2)。

表2 黏性土蠕變本構模型對比

續表2

5 展望與建議

(1)蠕變本構模型可以很好的描述黏性土體在整個蠕變階段的變形特征。從微觀和宏觀角度出發，建立全面的蠕變本構模型體系能更好的表征土體蠕變過程。研究表明：目前國內外學者對于蠕變模型的建立多集中在宏觀模型，從細微觀角度建立微觀模型的研究理論成果較少，但微觀結構常控制著土體的宏觀變形。所以，今后的研究應多集中于微觀模型的建立，完善蠕變模型系統以更加全面地分析土體變形特征。

(2)黏性土從初始變形到加速破壞伴隨著多階段的蠕變特性，根據不同階段的變形特征建立對應的蠕變模型能更準確地反映土體的變形過程。研究表明：當土體進入加速蠕變階段時，其內部結構應力場環境復雜多變，導致該階段元件模型的建立仍是一個較大的技術空白。于是，基于既有成果，加快蠕變階段模型的建立是未來的研究方向。

(3)新技術和研究方法的應用是今后促進剪切蠕變發展的一項重要手段。改進現有試驗設備儀器在實際應用中的不足以及完善試驗操作過程中的技術方法，同時引進一些比較前沿的技術手段：比如應用于微觀結構方面的CT技術、數字圖像測量以及紅外光譜分析技術等，而應用于模型建立方面的物理、數學以及計算機技術等都是今后剪切蠕變研究發展方向。

6 結論

(1)黏性土的變形破壞是一個長期緩慢的過程，土體呈現出復雜的蠕變階段和變形特征，即土體從初始變形到破壞的過程經歷了瞬時變形、衰減蠕變、穩態蠕變以及加速蠕變破壞等4個階段，并伴有衰減蠕變和非衰減蠕變變形特征。

(2)由于室外復雜的環境條件，黏性土剪切蠕變特性研究方法常采用室內環剪試驗、三軸壓縮試驗以及直剪蠕變試驗。

(3)黏性土整體穩定性和活動狀態與土體抗剪強度指標(峰值強度、殘余強度、滑坡啟動強度、完全軟化強度以及長期強度等5個方面)密切相關。影響黏性土力學強度特性的因素有：水化作用(水的弱化作用、含水率及水的化學成分)、滑土體先期變形量和時間效應、滑土體的礦物成分和粘粒含量、滑體結構的內部連結特征、滑土體的粒度分布特征以及塑性指數等。

(4)建立合理的蠕變模型能更好的反映土在變形過程中的蠕變特征。既有研究表明：Maxwell體能較好的反映土體在瞬時和勻速階段變形特征，Kelvin體可以模擬滑土體在衰減過程中的蠕變特性，由Maxwell體和Kelvin體串聯形成的Buergers模型可以反映滑土體在蠕變過程中的衰減和穩態變形特性。

(5)基于剪切蠕變性質的研究成果，今后的研究方向集中于以下幾個方面：微觀模型的研究；新技術和研究方法的應用和改進；建立可描述加速蠕變階段的元件模型。