層間錯動帶破壞模式及其剪切蠕變試驗研究

施秀山 SHI Xiu-shan；楊海洋 YANG Hai-yang

（①紅河州地方公路管理處，蒙自 651100；②紅河紅發(fā)交通投資有限公司，蒙自 651100）

0 引言

層間錯動帶是在多期構(gòu)造作用下，巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)因剪切錯動形成的特殊薄層，其工程地質(zhì)特征比上下巖層差，具有遇水易軟化，強度低變形大等特點，常是控制滑坡、巖體失穩(wěn)、地面塌陷等各類工程地質(zhì)問題的重要因素[1-2]。層間錯動帶破壞是比較常見的，例如：由于層間錯動帶的液化作用，并在強震作用下，2008年汶川大地震導(dǎo)致大光包滑坡沿著錯動帶發(fā)生滑動[3]；白鶴灘水電站由于發(fā)育數(shù)條不同規(guī)模的層間錯動帶，嚴(yán)重影響著區(qū)域圍巖的穩(wěn)定性[4-5]。

針對層間錯動帶剪切蠕變特性的討論，目前已有諸多研究成果，徐鼎平等[6]通過室內(nèi)剪切蠕變試驗，分析了層間錯動帶的剪切蠕變特性，討論了試樣的不均勻性及擾動、試樣尺寸、黏粒含量、初始飽和度對抗剪強度的影響；陳興周等[7]開展了分級荷載作用下的剪切蠕變力學(xué)試驗，研究了錯動帶的長期強度參數(shù)和長期蠕變特性，提出了考慮加速蠕變過程中力學(xué)參數(shù)損傷演化的蠕變本構(gòu)方程；韓鋼等[8]以白鶴灘水電站的層間錯動帶為研究對象開展剪切蠕變試驗，從層間錯動的蠕變特性、蠕變速率及長期強度等角度進(jìn)行了討論，結(jié)果表明，研究區(qū)層間錯動帶具有明顯蠕變特征。郝小紅等[9]依托與金沙江某大型水電站工程，采用室內(nèi)試驗和現(xiàn)場變形試驗研究了層間錯動帶的變形機制，得到了水文、帶內(nèi)物質(zhì)及含量是影響層間錯動帶變形的主要因素。劉強等[10]基于FLAC3D軟件模擬了層間錯動帶在不同位置出露時的穩(wěn)定性，最后得到了當(dāng)層間錯動帶位于拱線與拱頂之間時，其對圍巖的穩(wěn)定性影響最大。

關(guān)于層間錯動帶蠕變特性的探討，既有報道的研究成果還相對較少。因此，本文以云南尋甸某邊坡中存在的層間錯動帶為研究對象，開展了不同固結(jié)壓力下的剪切蠕變試驗，并分析了層間錯動帶在不同剪應(yīng)力作用下蠕變特性。該研究成果可為含層間錯動帶巖體的邊坡穩(wěn)定性分析及日后工程防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)提供具有科學(xué)價值的理論依據(jù)。

1 層間錯動帶破壞模式

層間錯動帶的破壞模式與其應(yīng)力條件、巖體質(zhì)量及臨空面的組合形式相關(guān)，具體可將其劃分為拉裂破壞、掉塊以及層間剪切滑移破壞3類[11]。

1.1 拉裂破壞

如圖1所示，層間錯動帶與臨空面呈極大角度相交，且其傾角較小，在施工開挖過程中，外力破壞了原生巖體的應(yīng)力場平衡狀態(tài)，導(dǎo)致臨空一側(cè)巖體在沒有約束力的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)局部的拉裂破壞。

圖1 拉裂破壞

1.2 掉塊破壞

如圖2所示，層間錯動帶相交于上部巖體裂縫，將上部較差巖體切割成許多較小的巖塊，在自身重力作用或施工擾動過程中，會沿臨空一面發(fā)生滑落，導(dǎo)致局部巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，失去原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

圖2 掉塊破壞

1.3 剪切滑移破壞

如圖3所示，層間錯動帶一般位于臨空面的中上部，貫穿整個巖體結(jié)構(gòu)，與臨空面呈較大角度相交，形成一組不利的組合系統(tǒng)，在上部巖體自重以及外荷載作用下，常常沿著錯動帶發(fā)生滑移破壞，造成整個巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)。

圖3 層間剪切滑移破壞

2 蠕變試驗

2.1 試驗土樣

本次試樣土樣取自云南尋甸某邊坡工程，按照土工試驗標(biāo)準(zhǔn)[12]，可得到土樣的基本物理指標(biāo)如表1所示。

表1 層間錯動帶基本物理指標(biāo)

2.2 加載方式

目前，針對巖土體室內(nèi)蠕變試驗加載方式一般分為分別加載和分級加載兩種[13]。所謂分別加載方式就是在試驗設(shè)備、試驗條件完全相同的條件下，對土體開展不同應(yīng)力條件下的剪切蠕變試驗，最終得到不同剪應(yīng)力水平下的蠕變?nèi)^程曲線。而對于分級加載方式而言，其指的是在試驗過程中采用在同一試樣上逐級施加荷載，待上一級荷載作用后試樣變形進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后再施加下一級荷載，最終直至土樣發(fā)生破壞。根據(jù)現(xiàn)有研究成果及室內(nèi)條件，本文采用分級加載方式對層間錯動帶開展室內(nèi)剪切試驗。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，試樣進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)為以變形量不大于0.01mm/d。

2.3 試驗方案

①對試樣進(jìn)行常規(guī)快剪試驗，得到土樣在不同固結(jié)壓力下的抗剪強度及其指標(biāo)，如表2所示。

表2 層間錯動帶抗剪強度及其指標(biāo)

②基于公式τi=τf/n（其中n為加荷級數(shù)，通常為5~7，τf為各豎向正應(yīng)力下的抗剪強度），確定土樣的各級剪應(yīng)力。本文以豎向正應(yīng)力為200kPa為例，則試樣的水平剪應(yīng)力為8kPa，16kPa，24kPa，32kPa，40kPa。

3 試驗結(jié)果

3.1 蠕變曲線

本文以豎向正應(yīng)力為200kPa的試驗結(jié)果為例，分析層間錯動帶的蠕變特性，其應(yīng)變-時間曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，層間錯動帶試樣呈階梯狀上升形式，并在最后一級剪應(yīng)力條件下發(fā)生破壞，曲線呈現(xiàn)急速上升的趨勢。

圖4 200kPa豎向正應(yīng)力下的蠕變?nèi)^程曲線

圖5為經(jīng)過“陳式法”[15]處理后得到的200kPa下土體的分別加載曲線，由圖可得到層間錯動帶試樣表現(xiàn)出典型的蠕變特性。表現(xiàn)為：首先，在剪應(yīng)力施加瞬間，施加荷載主要是由于土體內(nèi)部顆粒骨架承受，從而導(dǎo)致土體顆粒發(fā)生彈性變形和顆粒間孔隙位置不斷調(diào)整引起的塑形變形，該階段稱為瞬時彈塑性變形階段；然后，隨著剪應(yīng)力的持續(xù)作用，試樣內(nèi)部土體的應(yīng)力狀態(tài)不斷調(diào)整變化，顆粒可變形尺寸及顆粒間土體的空間大小逐漸減小，達(dá)到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，該階段稱為衰減變形階段；其次，當(dāng)土體內(nèi)部應(yīng)力條件達(dá)到一個基本穩(wěn)定狀態(tài)時，土體宏觀上變現(xiàn)出極小的變形量，此時的土體衰減速率趨向0，該階段稱為穩(wěn)態(tài)變形階段；最后，當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到土體的峰值強度時，土體發(fā)生破壞，蠕變曲線表現(xiàn)出突增現(xiàn)象，該階段稱為土體的加速變形階段。

圖5 200kPa豎向正應(yīng)力條件下的分別加載蠕變曲線

3.2 剪切蠕變速率

研究表明，蠕變速率對邊坡工程的長期穩(wěn)定性具有顯著作用。基于蠕變速率的數(shù)學(xué)定義，在不同豎向正應(yīng)力條件下層間錯動帶的剪切蠕變速率如公式（1）所示。

根據(jù)式（1）得到錯動帶試樣在200kPa下的剪切蠕變速率-時間曲線，如圖6所示。由圖可知，當(dāng)施加的水平剪切荷載較小時，錯動帶試樣的剪切蠕變速率逐漸衰減并最終趨向于0；當(dāng)剪應(yīng)力逐漸增大至破壞強度時，土體出現(xiàn)加速破壞現(xiàn)象，蠕變速率出現(xiàn)急劇上漲，其蠕變曲線呈“U”型狀。

圖6 200kPa固結(jié)壓力下土樣剪應(yīng)變率-時間曲線

4 結(jié)論

層間錯動帶是一種結(jié)構(gòu)疏松、性狀較差的特殊軟弱結(jié)構(gòu)面，常影響著巖體邊坡的穩(wěn)定性。因此，本文在敘述層間錯動帶破壞模式的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)剪切蠕變試驗，并得到以下結(jié)論：①從巖體控制理論的角度出發(fā)，層間錯動帶的破壞模式可分為拉裂破壞、掉塊以及層間剪切滑移破壞3類。②層間錯動帶具有明顯的蠕變特性，在荷載作用下，土體的蠕變曲線呈現(xiàn)出階梯式上升趨勢。在衰減蠕變階段，在低應(yīng)力水平條件下，隨著時間的推移，蠕變速率逐漸減小并最終趨于某一穩(wěn)定值，隨后進(jìn)入似穩(wěn)態(tài)變形階段；在高應(yīng)力水平條件下，蠕變速率激增，土體發(fā)生破壞，呈現(xiàn)出加速破壞特征。③在剪切應(yīng)力作用下，試樣呈現(xiàn)出階段式蠕變特征。在低應(yīng)力作用下，試樣經(jīng)歷了瞬時、衰減及穩(wěn)態(tài)變形階段，而當(dāng)剪應(yīng)力水平增大至峰值強度時，土體發(fā)生破壞線性，蠕變速率出現(xiàn)激增現(xiàn)象，呈“U”型狀。④該試驗可為存在層間錯動帶的邊坡穩(wěn)定性分析提供參考，對分析和解決相關(guān)地質(zhì)問題、減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有重要意義。