黄土滑坡防治措施研究

黄土滑坡防治 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 研究 第 32 卷第 7 期Vol.32 No.7岩土 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学报 Chinese Journal of Geotechnical Engineering2010 年7 月July 2010 黄土滑坡滑带土的蠕变特性 1,3233龙建辉 ,郭文斌 ,李 萍 ,李同录 (1. 太原理工大学地球科学与工程系，山西 太原 030024;2. 西山煤电集团有限责任公司，山西 太原 030035; 3. 长安大学地质工程系，陕西 西安 710054) 摘要:从陕西泾阳泾河南塬 11 个新近发生和临滑的黄土滑坡不同深度位置采取原状土样，根据滑坡所处的地质环境 和灌溉水诱发条件，按不同应力水平和不同含水率情况，分别对滑带黄土和古土壤进行了三轴蠕变实验和直剪蠕变实验，获得了该类滑带土的蠕变特性:蠕变形变均包含等速蠕变、加速蠕变和蠕变破坏 3 个阶段，但从加速蠕变到蠕变 破坏均历时短暂;滑带土均表现为塑性破坏特征;滑带土发生蠕变破坏时对应的应变量ε 基本在 10%以下，随着含水 率的增加，蠕变破坏相应的应变量也随之降低;而直剪蠕变在不同含水率下的破坏应变量都在 4%以内;历时(t,0 min) 的应力–应变等时曲线族几乎为一束曲线簇，均具有“归一化”现象，反映出该区滑带土具有良好的一致的蠕变变形 特性。讨论了滑带土蠕变特性与边坡失稳时间预报模型之间的内在联系，为黄土滑坡的临滑预报作了实验研究和理论 探讨。 关键词:黄土滑坡;蠕变特性;三轴蠕变试验;剪切蠕变试验;失稳时间预测 中图分类号:TU43 文献标识码:A 文章编号:1000–4548(2010)07–1023–06 作者简介:龙建辉(1972– )，男，博士，主要从事地质工程方面的教学与研究。E-mail: longjinhei@163.com。 Creep property of soil in sliding zone of loess landslide 1, 3233LONG Jian-hui, GUO Wen-bin, LI Ping, LI Tong-lu (1. Department of Earth Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Xishan Coal Electricity Group Co., Ltd., Taiyuan 030035, China; 3. Department of Geological Engineering, Chang'an University, Xi'an 710054, China) Abstract: Soils at different depths are sampled from 11 recent or apt-to-be landslides located in Jingyang County along the Jinghe River. Considering their geological environment and irrigation conditions, triaxial creep tests and direct shear creep tests on these undisturbed soil samples separately under different stress levels and moisture contents are performed to study their creep property. The findings are as follows: the creep deformation consists of 3 stages, namely, constant speed creep, acceleration creep and creep rupture, and the period from the acceleration creep to the creep rupture is significantly short; the rupture of the soil in sliding zone is characterized by plastic destruction; the corresponding strain capacity ε of the creep rupture is basically below 10%, and with the increase of the moisture content, ε of the creep rupture accordingly decreases; the results of destruction strain capacity by the direct shear creep tests under different moisture content conditions are all below 4%; and the stress-strain isochronic curves under time (t>0 min) are nearly a bunch of series of curves and exhibit a “normalization” phenomenon, demonstrating that the soil in this sliding zone has consistent creep characteristics. The intrinsic relationship between the creep property and the prediction model of slope failure is also discussed. Experimental studies and theoretical discussions are given for forecasting loess landslides. Key words: loess landslide; creep property; triaxial creep test; direct shear creep test; forecast of slope failure 都应研究岩土体材料的蠕变特性。 0引言 研究滑带土蠕变用于滑坡时间预报方面，其重点 自然边坡和工程边坡的破坏与失稳，在许多情况是研究剪切变形速率与时间的关系，来讨论滑坡时间 下并不是一个简单的稳定状态问题，由稳定到失稳是 预报的可行性。自 20 世纪 60 年代日本学者 Saito 作 一个发展变化的历时过程:岩土体应力与变形随时间 ??????? 基金项目:国家自然科学基金项目变化发展就不断地调整，其调整的过程往往需要延续 (40772181) 一个较长的时期，这就是滑带土的蠕变过程，因此， 收稿日期:2009–03–23 无论是研究边坡稳定状态或是边坡的失稳时间预报， 了开创性工作以来，在滑坡时间预报方面已取得了不少下的滑带土蠕变规律，为不排水蠕变试验;再根据滑 [1-4][5] 新的进展，获得了很多预报成功的实例。王建锋带发育位置确定的围压取 200 kPa 和 300 kPa 两种， 对 Saito 模型和 Voight 模型的物理内核进行了详细剖 试验加载先根据原状土样天然含水率条件下的常规强 析，论证了这两类预测模型的生命力所在。中国学者 度指标预估土的破坏应力值，然后按拟定的 8,10 级 对滑带土的蠕变特性也作了大量实验研究和理论探索 计算出加荷增量。试验以低于滑坡“启动含水率”(滑 [6-15]，为滑坡体长期稳定性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 及滑移时间效应的研 坡启动强度对应的滑带土含水率)3%,5%为起始含 究提供了理论依据。 水率，按 4 种不同含水率对试样采用“水膜迁移法” 事实上，边坡岩土材料处在一定的自然环境中， 进行含水率预先配置，试样配置含水率后放置 2,3 d 在研究其蠕变特性中，是不能不考虑可改变其本质特 再进行试验，以保证水份在土样中充分浸入均匀，试 性的影响因子的，其中最基本的影响因子—水，它是 验结束后再重新测定其含水率。限于篇幅，兹以其中 几乎所有自然边坡失稳的直接诱因。因此，边坡岩土 的东风滑坡为例，对滑带黄土和古土壤试验成果进行 需把含水率引入到强度特性的研究当中来。本文将着 说明，其主要物理指标及试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 所确定的含水率如 重研究黄土滑坡滑带土在不同含水率条件下的长期强 表 1，2 所示。 表 1 试样主要物理指标度特性，试验包括三轴蠕变和直剪蠕变，来探寻长期 Table 1 Physical indices of soil samples 强度与滑坡失稳时间预测的可能性，为黄土地区的滑 -3坡灾害预测进行理论探索和试验积累。 试样w/% ρ/(g?cm) G e w /% w /% I s P L P 黄土 1 7.9 1.43 2.70 0.987 16.4 24.3 7.9 1 滑带土的三轴蠕变实验古土壤 2 16.5 1.48 2.70 1.021 16.8 27.2 10.4 古土壤 3 1.1 实验条件15.4 1.47 2.71 1.008 17.2 27.4 10.2 试验主要是探求滑带土不同含水率在正常围压 1.2 滑带土的蠕变特性(对应自然应力状态)下应变率随时间的变化规律。 对滑带两组古土壤和一组黄土的蠕变试验成果 试验加载方式采用单试件分级加载法。该法是利用一 进行整理，绘制成不同围压和含水率条件下的应变– 个土试样，由低到高逐次施加应力，试件在某一级荷 载下变形稳定后，不更换试样直接加载下一级更大的 时间(ε–t)曲线，其中 300 kPa 下的滑带古土壤 2 蠕变 应力继续试验，直到试样破坏为止。该法试验得到的 曲线见图 1。 试验结果经处理后可获得 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 蠕变曲线。 从蠕变曲线图可以看出，泾阳南塬黄土滑坡滑带 结合泾阳南塬黄土滑坡主要诱发因素为农田灌 土具有如下蠕变特性: 溉用水和大气降水，试验主要考虑水在正常应力条件 (1)整体来说，滑带土发生蠕变破坏时对应的 图 1 不同围压与含水率下的应变–时间曲线 Fig. 1 Stain-time curves (ε-t) under different confining pressures and moisture contents 第 7 期 龙建辉，等. 黄土滑坡滑带土的蠕变特性 1025 应变量ε基本上在 10%以下，随着含水率的增加，蠕 则相反，且蠕变破坏时对应的应变量黄土的较古土壤 的要小，其蠕变强度也低，这与直接剪切试验得到的 变破坏相应的应变量也随之降低。 强度结果相一致。 (2)对同一围压下的滑带土，随着含水率的增加， (6)对土体蠕变破坏后的宏观观察发现，滑带 土体达到破坏性蠕变阶段的速度加快，土的屈服强度 黄土多压缩微胀，鼓胀不明显，而古土壤压缩鼓胀明 也随之逐渐减小，蠕变破坏时对应的应变量也很小， 显(见图 2)，但两者同表现为塑性破坏特征。 这充分说明水是致使滑带土长期强度降低，从而导致 滑坡发生的重要原因。 (3)对同一含水率的滑带土，随着垂直压力的 增加(即随着滑带深度的加大)，土体达到破坏性蠕变 阶段的应变量也增大，滑带土的蠕变强度也相应增大。 这也说明了自然黄土边坡在一定状态下长期稳定的原 因。 (4)在蠕变破坏前，新加压力瞬间土体具瞬时 应变特征:即瞬时变形与应力水平呈正比。随着加荷 量的增大将出现等速蠕变阶段、加速蠕变阶段和蠕变 破坏阶段;蠕变形变三阶段中，从加速蠕变到蠕变破 图 2 滑带土蠕变破坏后的变形特征 坏历时短暂，个别情况甚至直接从等速蠕变跃到蠕变Fig. 2 Deformation characteristics of soil samples after rupture 破坏;滑带土的这一蠕变特性多发生在塑性含水率附 creep 近。 1.3 滑带土的等时应力应变特性 (5)滑带黄土与古土壤相比较而言，低含水率 应力应变的历时化过程能帮助我们更好地了解滑 带土的蠕变特性，同时，从滑带土的蠕变本构关系 下黄土较古土壤有较高的瞬时弹性特性，高含水率下 表 2 滑带土蠕变试验配水方案 % Table 2 Moisture contents of soil samples 黄土 1 古土壤 2 古土壤 3 σ/kPa 31-1 1-2 1-3 1-4 2-1 2-2 2-3 2-4 3-1 3-2 3-3 3-4 200 13.5 16.2 19.6 23.9 17.3 21.8 24.2 26.4 18.2 20.7 23.6 24.2 300 13.9 16.8 18.1 23.9 17.2 20.5 22.9 25.2 18.1 20.6 22.5 23.9 图 3 不同含水率下的等时应力–应变曲线 Fig. 3 Stress-strain isochronic curves under different moisture contents 2.2 滑带土的剪切蠕变特性 研究出发，可以建立适合滑带土蠕变特征的本构方程， 试验土样与三轴蠕变试样取自同一地点，具有相 为滑坡的时间预报从力学机理上提供了基础。 同的基本物理力学指标，试样尺寸为 10 cm×10 cm× 图 3 显示了一组不同含水率下的等时应力–应变 10 cm，含水率分别按 16.2%，20.5%，22.3%配制。试曲线。从滑带土的等时应力–应变曲线可以看出: (1)瞬间加荷(t=0 min)下，等时曲线在低应 验剪切盒上、下用黄油密封，在不增加剪力的情况下， 力呈线性，虽含水率增加线性斜率降低;历时(t > 保持水份不逸失。 根据成果绘制直剪蠕变曲线，其中应变时间曲线 0 min)的应力–应变等时曲线族几乎为一束曲线簇， 与三轴蠕变具相似性(图略)，应力–应变时间曲线如 具有“归一化”现象，这说明该区滑带土具有良好的 图 5 所示，可以得出滑带土具有如下蠕变特性: 一致的蠕变变形特征，这也为该区滑坡的时间预报研 (1)对于不同含水率条件的直剪蠕变试验，土 究提供了可能。 体达到蠕变破坏时对应的应变多在 4%以下。 (2)等时曲线在较低的应力下近视为一直线，表 (2)随着含水率的增加，土体破坏时的应变相现为线性黏弹性的特性，在高应力下显示为双曲线特 应增大，即需要一定的应变时土体才开始加速蠕变， 征，表现为土的非线性黏弹性的特性。 但其破坏应变量不超过 4%，这点和三轴蠕变不同， (3)不同含水率不同围压下滑带土的等时曲线都 三轴蠕变其应变量是随含水率的增加而减小的。随着时间的增长，应力应变等时曲线逐渐向应变轴偏 (3)随着含水率的增加，土体破坏时的强度降 移，说明应变随着时间的发展而增加。 低。 (4)直剪蠕变在低水平应力条件下为稳定的等 2 滑带土的直剪蠕变实验 速蠕变，且蠕变速率非常小;在接近土体屈服极限时，2.1 直剪蠕变仪的改进 剪切蠕变试验是在一垂直载荷作用下施加一不变 土体加速蠕变时间很短后迅速发生剪切破坏，这与三 的水平剪力，土体在水平剪力作用下随时间而变形不 轴蠕变结果相一致。 断增长，直至破坏。通过剪切蠕变试验可测定土的长 期抗剪强度和建立蠕变本构模型，这些参数和模型可 用于滑坡稳定性分析和失稳预测预报。 针对现有的实验仪器基本能保证竖向力的恒定， 但对水平剪力需要人为的不断调整，这势必会影响试 验结果的缺陷，设计首先考虑增大剪切盒的面积，将 传统的圆形改为方形，这样有利于按实际剪切面积计 算剪应力。剪切蠕变仪的垂直压力加载系统和水平剪 力加载系统均采用滑轮组机构，以滑轮组作为放大力 的施力体系。仪器能保证两个作用力的方向和大小， 试样面积为 10 cm×10 cm，施力范围为 0,6 kN，能 基本满足黄土滑坡一般深度范围内滑带土的直剪蠕变 实验要求。图 4 为改进后的仪器。 图 4 改进后的直剪蠕变仪 图 5 滑带土的直剪蠕变等时应力–应变曲线 Fig. 4 Improved direct shear creep apparatus Fig. 5 Stress-strain isochronic curves of soil samples 第 7 期 龙建辉，等. 黄土滑坡滑带土的蠕变特性 1027 (1)黄土滑带土在低应变时就发生蠕变破坏， 三轴蠕变破坏时轴向应变量ε 在 10%以下，剪切蠕变 蠕变模型与滑坡失稳时间预测3 破坏时的剪切应变在 4%以下，且随着含水率的增加， 滑带土的蠕变特性研究，除了探寻其长期强度研 蠕变破坏相应的应变量也随之降低。 究滑坡的稳定性外，更多学者认识到应根据滑坡运动(2)随着含水率的增加，土体达到破坏性蠕变 机理和物理过程来研究其蠕变模型来探求边(滑)坡 阶段的速度加快，土的屈服强度也随之逐渐减小，这 失稳时间预报的内在关系。事实上，只有建立在充分 充分说明水是致使滑带土长期强度降低，从而导致滑 掌握了滑带土的蠕变特性，模型参数物理意义明确、 坡发生的重要原因。 概念清晰的预报模型才能具有理论意义和实用价值。 图 6 显示了黄土滑坡不同蠕变曲线与相应的预 报模(3)对同一含水率的滑带土，随着垂直压力的 型之间的对应关系。模型中滑坡失稳预测时间参 数 tf 增加(即随着滑带深度的加大)，土体达到破坏性蠕变 具有明确的数理意义:当 t??表示滑坡将不会 发f22 阶段的应变量也增大，滑带土的蠕变强度也相应增大。生;而当 t?t时有位移 s??，ds/dt??，ds/dt? f 2 这也说明了自然黄土边坡在一定状态下长期稳定的原?同时成立，则滑坡发生。t应是位移时间曲线(st f 因。 曲线)的一个奇异点，或者说 t = t是 s - t 曲线的一 f (4)蠕变形变三阶段中，从加速蠕变到蠕变破 条垂直渐近线。由图可知，同样符合蠕变三阶段的经 坏历时短暂，甚至直接从等速蠕变跃到蠕变破坏;滑 验方程(指数模型)，在滑坡失稳时间预测方面具有很 带土的这一蠕变特性多发生在塑性含水率附近。 大的差异性，A 类曲线表示当 t?t(滑坡失稳预测时 f 为黄土滑坡的时间预报作了理论探索和试验积 22间)时有 ds/dt??，ds/dt??同时成立，但蠕变破 累。 坏阶段的时间非常短，土体以一种近似脆性破坏为主， 滑坡表现为崩塌破坏;具有 B 类蠕变特征的滑坡，土 参考文献:体加速蠕变阶段的时间略长，蠕变破坏多塑性破坏， [1] SAITO M, UEZAWA H. Failure of soil due to creep[C]// 常形成高速滑坡;C 类模型的主要特征是土体应力水 Proceedings of the 5th International Conference on Soil 平基本上等于或小于土体的长期强度，在土体整个蠕22变阶段有 ds/dt?c，ds/dt=0，滑坡以缓慢滑移为主。 Mechanics and Foundation Engineering, 1961: 315–318. 当然，在外在因素具备的条件下，可能诱发形成高速 SAITO M. Forecasting time of slope failure by tertiary [2] 滑坡。 creep[C]// Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Mexico City, 1969: 677–683. [3] VOIGHT B. Materials science law applies to time forecasts of slope failure[J]. Landslide News, 1989(3): 8–11. [4] FUKUZONO T. Recent studies on time prediction of slope failure[J]. Landslide News, 1990, 4: 9–12. [5] 王建锋. 两类经典滑坡发生时间预报模型的理论分析[J]. 地质力学学报, 2004, 10(1): 40 –50. (WANG Jian-feng. Theoretical analysis to two classic landslide prediction 图 6 滑坡蠕变曲线与预报模型分析models: Saito’s model and Voight’s model[J]. Journal of forecast Fig. 6 Analysis of relationship between creep curves and Geo-mechanics, 2004, 10(1): 40–50. (in Chinese)) models [6] 龙建辉, 李同录, 雷晓锋, 等. 黄土滑坡滑带土的物理特性 研究[J]. 岩土工程学报, 2007, 29(2): 289–293. (LONG Jian-hui, LI Tong-lu, LEI Xiao-feng, et al. Study on physical 4结论 property of sliding zone soil in loess landslip[J]. Chinese 滑坡的失稳发生受控于滑带土的蠕变特性，本文 通过对泾阳泾河南塬高速远程黄土滑坡滑带土(黄土 Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(2): 289–293. 和古土壤)的三轴不排水蠕变试验和直剪蠕变试验表 (in Chinese)) 明，三轴和直剪蠕变具有相同的规律，并具有以下特 [7] SAVAGE W Z, CHLEBORAD A F. A model for creeping flow 点: 特性研究[J]. 工程地质学报, 2001, 9(4): 345–348. (HAN in landslides[J]. Bul Assoc Engrg Geologists XIX, 1982(4): 333–338. Ai-guo, NIE De-xin, REN Guang-min, et al. Study on shear [8] SASSA K. Prediction of earthquake induced landslides[C]// rheologic behaviors of soil in slip zone of large-scale Proc 7th Int Symposium on Landslides. Rotterdam, landslide[J]. Journal of Engineering Geology, 2001, 9(4): 345 Balkema, 1996: 115–132. –348. (in Chinese)) [9] 殷坤龙, 晏同珍. 滑坡预测及相关模型[J]. 岩石力学与工 [13] 宋克强, 崔中兴, 袁建国, 等. 古刘滑坡的蠕变研究及其 程学报, 1996, 15(1): 1–8. (YIN Kun-long, YAN Tong-zhen. 预测[J]. 岩土 工程学报, 1994, 16(4): 56 –64. (SONG Forecasting of landslide and related models[J]. Chinese Ke-qiang, CUI Zhong-xing, YUAN Jian-guo, et al. Creep Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1996, 15(1): 1 research and forecast on Guliu landslide[J]. Chinese Journal –8. (in Chinese)) of Geotechnical Engineering, 1994, 16(4): 56 – 64. (in [10] 郑孝玉, 曹炳兰. 滑坡时间预报的实验研究[J]. 长春科技 Chinese)) 大学学报, 2000, 30(2): 170–173. (ZHEN Xiao-yu, CAO [14] 王世梅, 刘德富, 陈晶晶, 等. 某滑坡滑带土蠕变特性试 Bin-lan. Experimental study on time forecasting of 验研究[J]. 人民长江, 2005, 36(7): 66–68. (WANG Shi-mei, landslide[J]. Journal of Changchun University of Science LIU De-fu, CHEN Jing-jing, et al. Experimental study on and Technology, 2000, 30(2): 170–173. (in Chinese)) creep property of sideslip zone soil in some landslides[J]. [11] 王祥秋, 高文华, 杨林德, 等. 边坡滑移面软弱夹层时 Yangtze River, 2005, 36(7): 66–68. (in Chinese)) 间效应与相关特性的试验研究[J]. 湘潭矿业学院学报, [15] 程东幸, 刘大安, 丁恩保. 滑带土长期强度参数的衰减特 2002, 7(1): 65–68. (WANG Xiang-qiu, GOU Wen-hua, 性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(增刊 2): 5827– YANG Lin-de, et al. The non-linear hereditary creep 5834. (CHEN Dong-xing, LIU Da-an, DING En-bao. Study equation and the related characteristics analysis for on attenuation characteristics of long-term strength for intercated weak layer of slide-plan[J]. Journal of Xiangtan landslide soil[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Mining Institute, 2002, 7(1): 65–68. (in Chinese)) Engineering, 2005, 24(S2): 5827–5834. (in Chinese)) [12] 韩爱果, 聂德新, 任光明, 等. 大型滑坡滑带土剪切流变