庫水作用下滑坡土體滲流與蠕變耦合試驗研究

王 力,孫文鐸,王世梅,胡秋芬,陳玙珊,南芳蕓

(1.三峽大學 三峽庫區地質災害教育部重點實驗室,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學 土木與建筑學院,湖北 宜昌 443002; 3.中國地質大學(武漢) 湖北巴東地質災害國家野外科學觀測研究站, 武漢 430074); 4.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,南京 210024)

0 引 言

大量實例表明,水庫蓄水后,庫水長期反復大幅度漲落加劇了庫岸滑坡災害的發生,但滑坡變形演化失穩并不是立即發生的,大都經歷了一個時間發展過程[1-3]。如美國Grand Coulee水庫自1941年開始蓄水后發生滑坡500起,近49%的滑坡發生在開始蓄水后2 a內,其余均發生在2～12 a之間[4];我國三峽水庫自2003年開始蓄水以來誘發變形的滑坡有151起,累積最大位移>1 000 mm的大型滑坡達14個,絕大多數滑坡變形隨時間在不斷增加。如三峽庫區樹坪滑坡累積位移已達4 000 mm有余[5],分析圖1中庫水位與地表位移監測曲線知,庫水位周期性的升降,地表位移變形速率也隨之增大和減小,且地表累計位移曲線的變化趨勢為連續形階梯上升。即使在庫水位穩定時期,此刻對應的地表位移仍保持繼續增大的趨勢。這就表明了在滑坡變形過程中,地表位移不僅會受到庫水位升降引起的滲流場變化影響,也會受到滑坡土體本身存在的蠕變效應的影響。庫水位變動誘發滑坡變形或失穩具有顯著的時間效應,其力學過程十分復雜,既包括地下水滲流產生的時間效應,也包括蠕變產生的時間效應,兩種時間效應相互疊加交織在一起。

圖1 樹坪滑坡庫水位及變形監測曲線Fig.1 Monitoring curves of reservoir water level and deformation of Shuping landslide

針對上述不足,本研究擬以三峽庫區典型滑坡為研究對象,利用自主研發的滲流與蠕變耦合試驗儀及改進后的GDS三軸儀,對滲流與蠕變相互影響展開系列試驗研究,揭示土樣滲流與蠕變耦合作用的物理特性,建立反映土體流固耦合效應的耦合橋梁,為后續構建滲流與蠕變耦合數學模型提供相關參數。

1 滲流對蠕變影響的試驗研究

本文在針對滲流與蠕變耦合力學過程的研究中,通過開展定水頭滲流試驗來探究滲流對變形的影響作用,并進一步揭示其影響規律與作用機理,對滲流與蠕變耦合過程的規律分析及機理研究具有一定參考意義。

1.1 試驗儀器和方法

試驗儀器采用自主研發并由南京土壤儀器廠生產的SRS-1型三聯滲流與蠕變耦合三軸試驗儀。該試驗儀器(圖2)將三軸蠕變儀的加載及測量系統和非飽和滲透試驗儀的滲流供水系統及滲流量測量系統有機結合在同一個試驗系統中。其優點在于既能測得試驗過程中土樣的體積變化又可測量滲透系數,該滲流與蠕變耦合三軸試驗儀可用于測定在一定的周圍壓力、主應力、滲透水壓力作用下的滲流與蠕變特性,進行滲流與蠕變相互作用下的變形機理研究。儀器由壓力控制系統(包括圍壓控制系統、軸壓加載系統、滲透水壓控制系統)、三軸壓力室、量測系統(包括孔壓、體積應變、軸向應變和滲流量量測系統)及數據采集系統等幾部分組成(結構示意圖見圖2)。

圖2 三聯滲流與蠕變耦合三軸試驗儀Fig.2 Seepage and creep coupling triaxial test instrument

試驗方法及操作步驟如下:

(1)制樣。試樣采用單向分層擊實法。土樣風干碾散,過2 mm篩,配成含水率15%的濕土狀,分為5層擊實,保持每層土樣質量相等,且每層接觸面刨毛。再將土樣裝入飽和器內,采用真空飽和方法飽和土樣。

(2)裝樣。裝樣時,需要先將儀器各連接管道內的空氣排出,再將提前制備的土柱試樣套在橡膠膜中放置并綁扎在壓力腔內部的底座上,最后通過注水口往壓力室內注滿無氣水。同時在試驗初期,施加20 kPa的圍壓對試樣進行預壓,使橡膠膜完全貼合于試樣之上。

(3)排水固結。逐級施加圍壓進行排水固結。固結排水穩定標準規定為:2 h固結排水量<0.1 mL。

胼胝體的嘴和膝部分別接受來自前交通動脈的胼胝體下動脈和胼胝體內側動脈的血液供應。胼周動脈是大腦前動脈(anterior cerebral artery, ACA)的延續，共發出4條分支是胼胝體體部的最主要供血動脈。胼周后動脈是一條小的穿支動脈，來自于大腦后動脈(posterior cerebral artery, PCA)供應胼胝體的壓部。研究發現胼胝體后方近壓部處有ACA和PCA吻合支。胼胝體同時接受前循環和后循環供血，因此單純的ACA或PCA阻塞并不會完全阻斷胼胝體的血液供應，而導致嚴重的胼胝體梗死[3, 5]。

(4)滲流。待試樣固結穩定后,施加滲透水壓,觀察滲流過程中土樣的體積變形規律。

考慮到滲透水壓施加初期,試樣變形較快,隨后變形逐漸趨緩,為充分反映這種變形特點,數據采集采取先小后逐漸增大的策略。

1.2 試驗土樣及方案

試驗所用土樣取自三峽庫區秭歸縣蓮花沱2號滑坡滑體,為位于消落帶位置的粉質黏土,滑坡工程地質剖面圖與取樣位置見圖3。試驗采用重塑樣,參考《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020),對土樣進行了基本物理力學性質試驗,結果見表1。

表1 某滑坡土體常規物理力學性質指標Table 1 Conventional physical and mechanical properties of soil mass of a landslide

圖3 蓮花沱2號Ⅰ-Ⅰ′滑坡工程地質剖面圖Fig.3 Engineering geological profile of Lianhuatuo No.2Ⅰ-Ⅰ′ landslide

針對滲透作用對土樣變形的影響規律的試驗方案設計如下:對試樣逐級施加圍壓至150 kPa,并在固結穩定后再施加100 kPa的滲透水壓。滲流對變形影響的穩定標準規定為:試驗過程中觀測土樣的體積變形量趨于穩定。

1.3 試驗結果

土樣的體積應變和孔隙比e隨時間t的變化結果如圖4所示?？梢钥吹皆?00 kPa滲透壓作用下,土樣的體積變形和孔隙比隨時間的變化規律較一致且具有同步性。土樣的體積變形可以分為快速膨脹回彈、穩定和緩慢壓密3個階段:

(1)膨脹回彈階段。在對土樣施加滲透壓初期,土體內部孔隙水壓力會在短時間內快速增大,這不僅會使其產生超孔隙水壓力,同時孔隙比也隨之增大,并在1 500 min達到峰值。此階段超孔隙水壓力對試樣的作用會使有效圍壓下降,即產生圍壓卸荷的作用,從而發生體積回彈變形。

(2)穩定階段。體積應變達到峰值后的1 500～2 000 min為土樣的短期穩定階段,此時隨著土體內部積累的超孔隙水壓力消散,滲流力作用與土樣內部有效應力下降造成的回彈變形效應處于平衡狀態,因此該階段土樣的變形未出現較大變化。

(3)壓密階段。穩定階段后隨著耦合作用的進行,土樣內部的有效應力減小至一定值后趨于穩定,與之相關聯的回彈變形也隨之穩定;但滲流力依然對土體滲流場產生影響,因而在此階段土樣體積應變在滲流作用下緩慢壓縮減小。

由此可知,圍壓和滲流力均會對土體積應變形產生影響,為了研究其各自作用過程的力學特性,還需分開探討滲流作用中滲流力和有效應力變化對土體的變形影響作用。

2 變形對滲流影響的試驗研究

2.1 試驗方案

試驗土樣與試驗儀器同前。 本試驗為研究不同應力作用下土樣的變形對滲透系數的影響, 試驗設計的總體思路為: 首先施加不同的圍壓對土樣進行排水固結, 待固結穩定即試樣變形穩定后, 再施加對應的滲透水壓進行滲流, 就可以測得土樣變形穩定后的滲透系數。 具體試驗方案詳見表2。 制樣、裝樣步驟同前, 由于多個試驗土樣在制作過程中會出現差異性, 為避免對試驗結果造成影響, 本試驗選擇在同一個土樣上施加圍壓條件。 即逐級對土樣施加固結圍壓時, 待一級圍壓下固結穩定后, 施加對應的滲透水壓, 至滲流穩定后測得此時土體的滲透系數, 并在此基礎上繼續進行下一級的固結滲透試驗。

表2 粉質黏土試驗方案Table 2 Experiment scheme for silty clay

2.2 試驗結果

按照表2的試驗方案,得到圍壓分別為50、100、150、200、250 kPa和對應的滲透壓分別為40、90、140、190、240 kPa時土樣孔隙比隨時間的變化規律,如圖5所示?？梢钥闯?開始時,土樣孔隙比隨時間的增長而逐漸增大,施加滲透壓初期孔隙比變化較快,但變化速率隨時間逐漸減小,最后趨于平緩穩定狀態。主要原因是土樣排水固結穩定后對土樣進行滲流,滲流時土樣中孔隙水壓力增大,根據太沙基有效應力原理可知,所施加圍壓一定即總應力不變,而孔隙水壓力增大,此時土顆粒間的有效應力將變小,土骨架將產生一定量的回彈,這將導致土樣孔隙比變大。

圖5 孔隙比隨時間的變化曲線Fig.5 Variation of void ratio with time

試驗得到土樣孔隙比和滲透系數的關系見表3,關系曲線見圖6。傳統做法獲取e-k(孔隙比-滲透系數)關系時未考慮滲流導致的孔隙變形,對于同樣的滲透系數,傳統做法對應的孔隙比與本研究相比較小。因此,沒有考慮滲流對變形影響的傳統做法并不能反映巖土體滲流時的真實流固耦合現象。

表3 土樣孔隙比和滲透系數的關系Table 3 Relationship between void ratio and permeability coefficient of soil samples

圖6 土樣的e-k關系曲線Fig.6 Relationship curves of e-k of soil samples

3 滲流與蠕變耦合試驗

3.1 試驗儀器及改進

考慮到上述試驗設備無法獲取精確以及連續的試驗結果,難以真實反映水庫滑坡土體的流固耦合效應。本項研究將對GDS三軸儀進行改進設計,以完成高精度控制和量測的滲流與蠕變耦合試驗,從而可以更為科學嚴謹地進行滲流與蠕變耦合作用的力學特性研究及分析。

改進設計的總體思路為:基于自主研發的非飽和滲透試驗儀[20]的基本原理,將GDS三軸儀設計成既能測得試驗過程中土樣的體積變化,又可測量滲透系數的滲流與蠕變耦合三軸試驗儀,可用于測定在一定的周圍壓力、滲透水壓力作用下的滲流與蠕變特性。改造后的滲流與蠕變耦合三軸試驗儀(圖7)主要由滲透水壓控制器、圍壓控制器、三軸壓力室、孔壓和體積應變量測系統、滲流量量測系統、數據采集系統等部分組成。

圖7 滲流與蠕變耦合三軸試驗儀實物照片Fig.7 Photo of seepage and creep coupling triaxial test instrument

滲透水壓控制器在軸壓控制器的基礎上改裝而成,通過塑料軟管與試樣上帽連接,用來測量與設置試樣所需要的滲透水壓目標值。滲透水壓控制器壓力量測的精度為0.1 kPa。滲透水壓控制器內的水體積變化量即為滲流進水量,其精度為1 mm3。滲流量量測系統則是在反壓控制器的基礎上改裝而成,通過塑料軟管連接試樣底座,當試驗開始時試樣中的水會通過底座與量測系統做交換,因而可以通過量測到的水體積變化量來獲取滲流量,其精度為1 mm3。為了實現該改裝方案,專門設計制作了配套的底座和試樣帽,如圖8所示。

圖8 設計制作的底座和試樣帽部件Fig.8 Photos of designed and manufactured base and sample cap

3.2 試驗方案及方法

試驗土樣同前,試驗的總體設計方案如下:逐級施加圍壓至100 kPa下固結完成,再施加90 kPa滲透水壓,直至試樣變形和滲透系數變化穩定。制樣、裝樣與排水固結步驟同前,滲流與蠕變耦合的方法如下:待試樣固結穩定后,施加90 kPa的滲透水壓進行滲流與蠕變耦合試驗,觀測土樣的體積變形和滲透系數的變化,直至土樣的體積應變和滲透系數穩定不變,即為滲流與蠕變耦合試驗結束。

3.3 試驗結果

進行90 kPa滲透壓作用下的滲流與蠕變耦合試驗,總歷時25 d,滲流與蠕變耦合階段歷時14 d。得到土樣體積應變、孔隙比e、滲透系數k隨時間t的變化規律,詳見圖9,同時得出滲流與蠕變耦合過程中土樣孔隙比e和滲透系數k的關系曲線見圖10。

圖9 耦合作用下土樣體積應變、孔隙比、滲透系數隨時間的變化曲線Fig.9 Time-dependent variations of volume strain, void ratio, and permeability coefficient of soil samples under coupling action

圖10 耦合作用下土樣孔隙比e與滲透系數k的關系曲線Fig.10 Relationship curves of void ratio e and permea-bility coefficient k of soil samples under coupling action

由圖9和圖10可以看出土樣的體積應變、孔隙比及滲透系數隨時間的變化規律較一致,土樣的孔隙比與體積應變的變化規律完全吻合。主要經歷了3個階段:施加滲透壓耦合初期的快速增大階段;變形或變化達到頂峰暫趨穩定后的緩慢減小階段;變形或變化緩慢趨于穩定階段。

圖9(a)表明,土樣在流變耦合作用下,其體積應變趨勢經歷了先快速增加到峰值,短期穩定后再到緩慢減小的過程。根據太沙基有效應力原理,施加在土樣上的圍壓一定,等同于總應力值不發生變化,前期的體積變化是由于滲流導致土樣內孔隙水壓力迅速增大,進而使土粒間有效應力降低,土體在宏觀上發生回彈變形,因此處于此階段土樣的體積迅速增大,并在2 560 min出現第一個小峰值;而在體積應變達到峰值后,會進入短期穩定階段,此時滲流力作用與土樣內部有效應力下降造成的回彈變形效應處于平衡狀態,因此該階段土樣的變形未出現較大變化。隨著耦合作用的進行,土樣內部的有效應力減小至一定值后趨于穩定,與之相關聯的回彈變形也隨之穩定;但滲流力依然對土體滲流場產生影響,因而在此階段土樣體積應變在滲流作用下緩慢減小?？傮w而言,在土樣的滲流與蠕變耦合試驗中,影響體積應變的主要因素可以認為是滲流力與土顆粒間有效應力,其中有效應力變化發揮了關鍵作用。因而在試驗初期有效應力的減小引起了土樣的回彈變形,并在回彈變形趨于穩定后才體現出滲流力的作用,即體積應變達到峰值后,先進入短期穩定的階段,隨后緩慢減小。

圖9(c)表明,在試驗過程中,土樣的滲透系數隨時間變化趨勢與體積應變隨時間變化趨勢相同,同樣經歷了類似的3個過程。但相較于體積應變在達到峰值前出現的3次小幅波動,滲透系數在達到峰值的過程中變化相對平穩,整體趨勢規律明顯。

圖10中土樣孔隙比與滲透系數的變化關系表明,二者在體積增大和減小階段的關系曲線基本吻合,其中出現的微小差別可能是土體微觀結構變化帶來的影響。

4 結 論

(1)隨著時間的增加,土樣的體積變形經歷了先快速增加到峰值,短期穩定后并緩慢減小的過程。此現象與應力路徑相關,在施加一定水頭給土樣后,初期土樣內部產生的超孔隙水壓力會使有效圍壓減小,圍壓卸荷作用進而導致土樣產生回彈變形;而后期隨著超孔隙水壓力的逐漸消散,其產生的回彈效應減弱,變形趨于穩定,僅有滲透力繼續作用于土體,使土樣體積變形緩慢減小。

(2)開展了不同固結應力作用下土樣變形對滲流作用影響的試驗,得到了滲流過程中土樣體積變化規律。同時得出滲流開始前及穩定后土試樣的e-k(孔隙比-滲透系數)關系曲線,對比分析后可知:考慮到變形影響的e-k關系曲線能更好地體現土體的流固耦合效應。

(3)為利用GDS三軸儀高精度特征,對其進行了改裝,利用改進后GDS三軸儀的高級加載模塊進行滲流與蠕變耦合試驗,得到試驗過程中體積應變、孔隙比及滲透系數隨時間的變化規律,確定了滲流與蠕變耦合動態過程中的e-k關系曲線,水庫滑坡流固耦合分析時采用此耦合橋梁更能反映滑坡穩定性的實際情況。