基于滑带土流变特性的黄土坡滑坡长期变形及时变稳定性研究

基于滑带土流变特性的黄土坡滑坡长期变形及时变稳定性研究滑坡是我国三峡库区主要的地质灾害类型之一,其演化过程受外部动力条件和内部岩土体力学性质的综合影响。

库水位波动和降雨入渗是库岸滑坡产生的主要外在动力因素,不仅会改变滑坡应力场,进而影响滑坡的变形和稳定性,还会造成岩土体力学强度的不断劣化。

在滑坡内部,岩土体自身的变形具有明显的时间效应,呈现出显著的流变特性,在滑坡的整体变形中发挥着重要作用。

考虑岩土体流变特性的滑坡长期变形和时变稳定性研究对水电工程的开发和运营极其重要。

滑带作为滑坡中力学性质最弱的部位,控制着滑坡的整体变形和演化过程,其流变效应在滑坡研究中显得尤为重要。

研究表明土体流变特性由其本身的矿物组成、孔隙水、有机质含量和颗粒排列等因素决定,因此微观层次上的滑带土研究是解释其流变行为不可或缺的部分。

在库岸滑坡的长期演化过程中,受库水位波动及降雨的影响,滑带土的力学强度在自身流变特性和外界干湿循环的影响下随时间逐渐衰减。

因此,有必要掌握滑坡变形不同阶段的滑带土强度参数及其劣化规律。

本文选取三峡库区典型库岸滑坡黄土坡滑坡作为研究对象,基于滑带土流变特性对滑坡的长期变形和时变稳定性进行了充分研究。

根据现场监测数据分析了该滑坡的变形特征;通过室内三轴蠕变试验探讨了原状滑带土的流变特性,提出了能描述应力应变时间三者关系的流变本构模型;采用数值模拟的方法,分析研究了库水位波动条件下的滑坡渗流场的动态变化;基于滑带土的流变特性,对库水位波动条件下的滑坡长期变形进行了研究,并在时变稳定性计算时考
虑了滑带土的强度劣化。

研究通过采用工程地质调查、现场监测、室内试验以及数值模拟相结合的手段,为滑坡稳定性评价提供了真实可靠的依据。

主要研究内容和研究成果如下:(1)根据现场监测的变形数据揭示,滑坡地表和滑带在滑动方向上具有相同的变形规律,滑坡前
缘的变形速率最大,中部次之,后缘最小。

变形速率在高水位时缓慢增长,在库水位下降时急速增大。

黄土坡滑坡目前处于蠕滑变形阶段,
库水位波动改变了滑坡的地下水渗流场,使得滑坡变形特征与库水位波动紧密相关。

在库水位上升期间,库水向内补给滑坡渗流场,浸润线呈内凹型倾向坡内。

反之,在库水位下降时,地下水向坡外渗流补给库水,浸润线呈外凸型指向长江。

与此同时,库水位下降造成内外水头差不断增加,由此产生的渗透力增大了滑体的下滑力,从而降低滑坡稳
定性。

(2)黄土坡滑坡滑带土为粉质粘土夹碎石,主要由方解石、绿泥石、伊利石、石英和长石组成。

通过对滑带土力学性质的试验研究发现,其峰值强度参数为c=12.0 kPa,φ=26.4°,残余强度参数为c=9.3 kPa,φ=23.23°。

根据三轴蠕变试验的位移-时间曲线发现,滑带土蠕变包括两个变形阶段,即初始蠕变阶段和衰减蠕变阶段。

试验过程并没有出现加速变形阶段,结合三轴压缩试验结果可知由土体结构变化引起的应变软化在蠕变变形中起主导作用。

蠕变变形量及变形速率受偏应力影响较大,并在高低应力下均呈相似变化特征。

由蠕变试验计算而得的滑带土长期强度为c=8.13 kPa,φ19.2°,相较于其峰值强度分别衰减了32.25%、27.3%,这是由蠕变过程中颗粒位置的重新排列造成,且时间效应在粘聚力衰减上体现的更为明显,内摩擦角值的
降低表明土体颗粒在剪应力作用下经历了明显的重新排列。

基于上述研究,提出用粘弹性元件模型作为滑带土流变本构模型,并根据蠕变
试验数据拟合出了模型参数。

(3)黄土坡滑坡呈牵引式滑坡特点,其变形机制与库水位波动紧密相关。

在库水位上升期间,滑坡前缘和中部的滑体变形均出现明显的回弹现象。

在库水位的整个波动过程中,塑性区主要集中在浅层滑带和深层滑带处,并由浅层滑带剪出口向滑坡后缘发展。

塑性区的演化过程可分为四个阶段,首先水位下降的初期在坡脚处产生了卸荷作用,使得滑坡剪出口附近产生瞬时的弹塑性变形;随后坡体内部应力开始重新调整,此阶段变形主要为滑体的变形;随着库水位的持续下降,滑坡的整体变形主要由滑带控制,且蠕变变
形从滑带中逐渐扩展至滑体;最终随着坡内应力调整的完成,滑坡变
形在滑带土流变效应的控制下以稳定的速率发展。

在实际工程中,滑坡变形总是滞后于库水位的变化,现场监测数据显示滞后时间约为30天,滞后原因是滑坡渗流场和应力场在库水位下降期间需要花费很长时间进行调整。

(4)在滑坡时变稳定性评价中综合考虑了滑带土的流变特性和其强度劣化的影响,并选取变形-时间曲线上的位移突变点
作为滑坡失稳破坏的准则。

滑坡的加速变形阶段呈缓慢加速、快速加速、和急剧加速变形特点。

滑坡的整体稳定性与库水位的变化密切相关,稳定性系数随着库水位上升而逐渐增大,并在175 m水位时达到最大值;在库水位下降至145 m过程中,稳定性系数逐渐减小至最小值。

在只考虑滑带土强度劣化的条件下,滑坡稳定性系数随着时间呈指数型衰减,并在强度劣化17次后小于1;当考虑滑带土流变特性后,滑坡
稳定性系数在强度劣化11次小于1,由此可知滑带土流变特性加剧了滑坡的变形失稳。

论文的主要创新点如下:(1)依托黄土坡大型试验场,采取了滑带土原状试样,在此基础上开展了系统的滑带土试验研究,
从微观层面上解释了其宏观性质。

通过三轴蠕变试验,对原状滑带土
的流变特性进行了研究,进而建立了流变本构方程。

研究成果充分考
虑了滑带土的原状结构及粗颗粒的影响,结论更为真实可靠。

(2)根据非饱和-饱和渗流理论,采用有限元法对库水位波动条件下的滑坡渗
流场变化进行了研究。

在此基础上,通过数值模拟实现了库水位和滑
带土流变特性对滑坡变形的综合影响分析,对滑坡长期变形特征和失
稳机制进行了讨论。

(3)研究在考虑库水位周期性波动条件下,对滑坡时变稳定性展开了研究。

将干湿循环引起的滑带土强度劣化纳入到了滑坡稳定性计算中,同时选取位移-时间曲线的变形突变点作为稳定
性分析中的失稳判据,对黄土坡滑坡的变形失稳特点进行了详尽探讨。