Scientific Journal of Earth Science September 2015, Volume 5, Issue 3, PP.41-46
Experimental Study of the Rheological Properties of Loess Q2 Furong Yan 1#, Fang Cui 1, Tingyin He 2
1. Deep mine construction open laboratory, Henan polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000, China 2. Henan Jiaozuo geological survey and design Co., LTD, Jiaozuo Henan 454000, China #
Email: yanfurong302@163.com
Abstract In order to study the the rheological properties under the condition of water content, to reveal the creep influence on slope stability, and provide theoretical exploration for the loess area, landslide hazard prediction and test accumulation, we conducted a series of 15 different moisture Q2 loess indoor triaxial creep test. Experimental results show that moisture content significant effect on the deformation and failure of soil ,with the increase of water content, soil samples in plastic failure, the obvious vertical displacement deformation, the load moment of a linear curve in low stress, when the stress level is greater than the yield limit, the stress strain curve obvious turning point, the creep deformation and deformation rate increases gradually, the curve gradually to the bending strain axis, showed significant nonlinear rheological characteristics, and with the development of time and the improvement of stress level, its nonlinear becomes more and more obvious. Keywords: Landslide; Loess Q2; Rheological Properties; Test; Moisture Content
Q2 黄土的流变特性试验研究 * 闫芙蓉 1，崔芳 1，何停印 2 1. 河南理工大学深部矿井建设开放实验室，河南 焦作 454000 2. 河南省焦作地质勘察设计有限公司，河南 焦作 454000 摘
要：为了研究不同含水量条件下的黄土的流变特性，以揭示蠕变对边坡稳定性的影响，并为黄土地区滑坡灾害预测
提供理论探索和试验积累，我们进行了 15 组不同含水量 Q2 黄土的室内三轴蠕变试验。试验结果表明：随着含水量的增 大，土样出现塑性破坏，竖向位移变形比较明显，说明含水量对土体的变形破坏影响显著；在加荷瞬间等时曲线在低应 力时呈线性，当应力水平大于屈服极限时，其应力应变曲线发生明显的转折，蠕变变形量与变形速率逐渐增大，等时曲 线逐渐向应变轴弯曲，表现出显著的非线性流变特征，且随着时间的发展和应力水平的提高，其非线性愈来愈明显。 关键词：滑坡；Q2 黄土；流变特性；试验；含水量
引言 黄土在西北地区广泛分布，其干旱半干旱的气候形成条件以及黄土自身的大孔隙架空结构和对水的结构 敏感性决定了黄土力学特性研究在黄土地区工程实践中的重要地位[1-3]。在许多情况下，土的蠕变强度对于土 工问题有着重要意义，例如土坡的稳定问题，破坏可能从土体的局部高应力水平区开始，向外逐步扩展，达 到土体剪切破坏即发生滑坡。土体的深层蠕变可经历很长时间，甚至几年，所以在进行边坡或滑坡稳定研究 时必须考虑土体的流变效应[4]
[5]
。为了研究不同含水量条件下的黄土的流变特性，以揭示蠕变对边坡稳定性
的影响，并为黄土地区滑坡灾害预测提供理论探索和试验积累，我们进行了室内黄土的三轴蠕变试验。 *
基金资助：受河南理工大学博士基金（72515/313)和深部矿井建设重点学科开放实验室基金（60705/001/013）支持资助。 - 41 http://www.j-es.org
1 试验方案 试验土样取自黄土分布比较典型地区陕北延安，土样的基本物理指标如表 1 所示，考虑到原状黄土的物 理力学特性具有较大的离散性，为方便对试验结果进行分析对比，采用单试件多级加载方式进行单轴蠕变试 验。试验结果按照 Boltzmann 叠加原理[6-8]处理，原状黄土的不同含水量是在实验室内利用水膜迁移法配置而 成的，试件尺寸为φ39.1×80mm。 表 1 天然状态下黄土的主要物理力学指标 土的类别
含水量 （%）
天然重度 （kN/m3）
干重度 （kN/m3）
液限 （%）
塑限 （%）
液性指数
塑性指数
压缩系数 (MPa-1)
离石黄土
12.9
19.1
16.9
27.6
17.4
-0.44
10.2
0.12
（1）分级加荷标准： 在分级加荷的蠕变试验中，确定加荷增量的方法为：先根据试验土的常规强度指标算出土的破坏应力值 φ φ = σ 1 σ 3tg 2 (45 + ) + 2ctg (45 + ) ，再根据拟定的加荷级数 8-10 级算出加荷增量，稳定加载标准（24 小时变形 2
2
不超过 0.005mm） 。 进行三轴不排水试验研究，相同围压，应选取相同加荷增量大小。 （2）时间和稳定标准：每级加载时间不小于 1000min，每小时蠕变速率小于 0.005mm。 （3）含水量的配备（水膜迁移法和风干法） 。 风干法：土样在空气中自然蒸发水量至实际含水量。 水膜迁移法：用注射器将所加水量缓慢、均匀滴入土样，然后将土样放入饱和器皿内，放置 2-3 天进行 养护，让水分自由均匀扩散，使土样达到要求的含水量。 计算需要添加或减少的水的质量： = mω
(ω − ω0 ) × 0.01 1 + 0.01ω0
× m0
（1）
配备 5 种不同含水量，从塑限启动含水率开始，依次累加。控制含水量依次为 9.7、16.3、20.1、24.2、 饱和，围压 100，200，300 共 15 组样。
2 试验结果整理 2.1 Q2 黄土的蠕变特性 从试验曲线图 1 中可以看出，延安方塔滑坡滑带土具有如下蠕变特性： （1）试样施加应力，产生一瞬时变形，随时间增长，变形也在增长，且应力水平越高，瞬时变形及蠕 变变形也越大。 （2）当应力水平高于某一临界值时，黄土蠕变变形以恒定速率发展。 （3）在较高应力作用下，会出现加速蠕变阶段，该阶段从产生到破坏历时短暂。 （4）同一围压下的黄土，随着含水量的增大，土体达到破坏性蠕变阶段的速度加快，瞬时变形也随之 增大，且在很低应力水平时即出现破坏，尤其饱和状态最为明显，这说明水是致使黄土长期强度降低，从而 导致滑坡的重要原因。 （5）同一含水量的黄土，随着围压的增大，瞬时变形也在增大，曲线的斜率越陡，从变形开始出现到 破坏所经历的时间就越长，这也是自然黄土边坡在一定状态下能长期保持稳定的原因。 （6）对不同含水量的 Q2 黄土土体蠕变破坏后的宏观观察（图 2）发现，离石黄土多压缩微胀，含水量 较小时出现脆性破坏，属于纯粹的剪切破坏；随着含水量的增大，土样出现塑性破坏，没有出现剪切破坏， - 42 http://www.j-es.org
竖向位移变形比较明显，说明含水量对土体的变形破坏影响显著。 ω=9.7%，σ3 =100kPa
0.256
4
0.304
3
0.348
ε（%）
0.396
2
0.444
1
0.492 0.54
0 400
600
800
0
200
400
t（min)
6
0.156
5
0.204
3
0.338
ε（%）
0.292 0.395
2
0.442
1
0.488 0.535
400
600
800
0.45 0.63
8
0.72
6
0.9
4
0.99
0.408 0.468
6
0.528 0.588
4
1.08
0.648 0.708
2
1.17
0
0.768 0.828
0
400
200
600
800
0
200
t（min）
t（min）
400 t（min）
ω=16.3%，σ3 =300
ω=24.2%，σ3 =100kPa
ε（%）
0.348
8
0.81
0
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
0.156 0.204 0.252 0.3 0.348 0.396 0.444
8
0.447
7
0.536
6
0.625
5
0.713 0.802
4
0.891
3
0.981
2 1 0
0
200
400
600
800
0
400
200
t（min） ω=16.3%，σ3 =200
600
饱和，σ3 =200kPa
0.288 0.348
20
0.404
8
0.466
6
0.525 0.584
4
0.642 0.792
2
0.828
0.282
15
0.321 0.361
10
0.396 0.444
5
0.466
0
0 0
200
400
600
800
t（min）
10
800
800
0.288
10
0.54
10
1000
600
ω=24.2%，σ3 =200
2
0
ε（%）
ε（%）
4
400
200
t（min）
12
0.247
200
0
800
ω=24.2%，σ3 =300
ω=20.1%，σ3=100
0
600
0.288 0.346 0.404 0.468 0.528 0.588 0.648 0.708 0.768 0.828
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
t（min）
ε（%）
200
ε（%）
0
0.54 0.63 0.72 0.81 0.9 0.99 1.08
ε（%）
ε（%）
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
ε（%）
0.204
5
ω=20.1%，σ3 =200
ω=20.1%，σ3 =300
0.164
6
0
200
400 t(min)
t（min）
图 1 不同含水量情况下 Q2 黄土的蠕变曲线簇
ω=24.2% ω=9.7% 图 2 Q2 黄土剪切破坏后的照片 - 43 http://www.j-es.org
600
800
600
800
2.2 Q2 黄土的等时应力应变特性 ω=9.7%,σ3 =200kPa
ω=9.7%,σ3 =100kPa
1 5
200
10
100
30
0 0
1
2
3
4
5
0min
500 400
σ(kPa)
σ（kPa）
0.5
300
60min 120min
300 200
240min
100 0
660min
6
σ(kPa)
0
400
ω=9.7%,σ3 =300kPa
700 600
420min 780min
0
2
4
ε（%）
6
8
800 700 600 500 400 300 200 100 0
0min 30min 60min 240min 420min 540min 120min
1
0.5
0
10
1.5
2
ε(%)
ε(%)
ω=16.3%,σ3 =200kPa 500
0min 10min
σ(kPa)
60min
300
240min 420min
200
540min
100
840min
0 2
4
6
8
60min 240min 420min
2
4
500 0min
300
10min
200
240min
σ(kPa)
σ(kPa)
400
60min 420min
100
720min
0 4
6
8
720min
0
10
0
2
4
10min 60min 240min
10min
400
240min
60min
200
720min
720min
0
1
2
3
4
0
5
1
2
σ(kPa)
240min 420min
0min
800
10min
600
60min
400
240min 420min 720min
0 8
6
10
0
2
4
ε(%)
8
6
10
400 350 300 250 200 150 100 50 0
0min 10min 60min 240min 420min 720min
0
12
1
2
饱和,σ3 =200kPa
饱和,σ3 =100kPa
200
400
σ(kPa)
500
0min
150
1min
100
5min
50
300
0min
200
5min 30min
100
10min
90min
0
0
0 0
2
4
6
8
3 ε(%)
ε(%)
250
4
ω=24.2%,σ3 =100kPa
200
720min
3
ε(%)
1200
4
0min
420min
420min
1000
60min
10
600
ω=24.2%,σ3 =300kPa
10min
8
800
0min
0
0min
6
ω=20.1%,σ3 =300kPa
ε(%)
800 700 600 500 400 300 200 100 0
σ(kPa)
σ(kPa)
200
1000
ω=24.2%,σ3 =200kPa
2
240min
60min
ε(%)
800 700 600 500 400 300 200 100 0
ε(%)
0
400
ω=20.1%,σ3 =200kPa
ω=20.1%,σ3 =100kPa
2
8
10min
ε(%)
ε(%)
0
6
0min
600
420min
720min
0
10
800
10min
σ(kPa)
0
1000 0min
σ(kPa)
σ(kPa)
400
ω=16.3%,σ3 =300kPa
800 700 600 500 400 300 200 100 0
σ(kPa)
ω=16.3%,σ3 =100kPa
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20
10
ε(%)
ε(%)
图 3 Q2 黄土的等时应力应变曲线 - 44 http://www.j-es.org
4
5
为了分析土的蠕变特性和蠕变过程中应力应变之间的关系，根据蠕变曲线得到等时应力应变关系曲线 （图 3） ，从曲线中可以看出，不同含水量黄土的应力应变等时曲线均为折线型，随着含水量的增加，曲线转 折点不甚明显，总体具有以下特点： （1）不同围压下的等时曲线随时间的增长而逐渐向应变轴偏移，说明应变随着时间的延长而增加，变 形模量随着时间的增长而逐渐减小； （2）在低应力水平条件下曲线可近似视为直线，表现为线性粘弹性特性，随着应力水平的逐渐增大， 曲线不再是直线变化，而是逐渐偏移应变轴，显示出明显的非线性特征，表现为非线性粘塑性特性； （3）在加荷瞬间等时曲线在低应力呈线性，在其他时刻的应力应变等时曲线几乎为一束曲线簇，具有 归一化现象，说明土体具有良好一致的蠕变变形特征； （4）当剪应力小于某一应力值时，应力应变曲线近似为一条直线，表现出近似的线性流变特性；当应 力水平大于屈服极限时，其应力应变曲线发生明显的转折，蠕变变形量与蠕变变形速率逐渐增大，等时曲线 逐渐向应变轴弯曲，表现出显著的非线性流变特征，且随着时间的发展和应力水平的提高，其非线性愈来愈 明显。
3 结论 （1）同一围压下的黄土，随着含水量的增大，土体达到破坏性蠕变阶段的速度加快，瞬时变形也随之 增大，且在很低应力水平时即出现破坏，这说明水是致使黄土长期强度降低，从而导致滑坡的重要原因。 （2）通过不同含水量的 Q2 黄土体蠕变破坏后的宏观观察发现，离石黄土多压缩微胀，含水量较小时出 现脆性破坏，属于纯粹的剪切破坏；随着含水量的增大，土样出现塑性破坏，没有出现剪切破坏，竖向位移 变形比较明显，说明含水量对土体的变形破坏影响显著。 （3）在加荷瞬间等时曲线在低应力呈线性，在其他时刻的应力应变等时曲线几乎为一束曲线簇，具有 归一化现象，说明土体具有良好一致的蠕变变形特征。 （4）当剪应力小于某一应力值时，应力应变曲线近似为一条直线，表现出近似的线性流变特性；当应 力水平大于屈服极限时，其应力应变曲线发生明显的转折，蠕变变形量与蠕变变形速率逐渐增大，等时曲线 逐渐向应变轴弯曲，表现出显著的非线性流变特征，且随着时间的发展和应力水平的提高，其非线性愈来愈 明显。
REFERENCES [1] Zudian Liu. Loess mechanics and engineering [M]. Xi 'an: shaanxi science and technology press, 1997 [2] Yichuan Xing. Development and outlook of loess mechanics study [J]. Journal of hydroelectric power, 2000, (71): 54-65 [3] Ding-yi Xie. The loess mechanical characteristics and application research of past, present and future [J]. Journal of underground rooms, 1999, 10(4): 273-284 [4] Dobrov, prediction of shear-creep-induced variation in parameters of clayey-soil masses over time[J]. Soil Mechanics and Foundation Engineering, 2003, 40(6): 206-214 [5] Hamoudy Ould Baba, Stephan Peth. large scale soil box test to investigate soil deformation and creep movement on slopes by particle image velocimetry[J]. Soil & Tillage Research, 2012, 125: 38-43 [6] Jun Sun. Geotechnical material flow and its engineering application, Chinese building industry press, 1999 [7] Evans s g, Degraff j v. Catastrophic landslides: effects, occurrence, and mechanisms[M]. Boulder, Colorado: The Geological Society of America, 2002 [8] Baoping Wen, Sijing Wang, Enzhi Wang. Deformation characteristics of loess landslide along the contact between loess and Neocene red mud stone [J]. Acta Geologica Sinica, 2005, 79(1): 139-151
- 45 http://www.j-es.org
【作者简介】 1
闫芙蓉（1976-） ，女，汉，博士，副教授，研究方向：岩土
工程，2010 年毕业于长安大学。Email: yanfurong302@163.com 2
3
何停印（1976-） ，男，汉，学士，工程师，研究方向：工程
勘察，西安地质学院毕业。Email: 370285858@qq.com
崔芳（1979-） ，女，汉，博士，讲师，研究方向：岩土工程，
2011 年毕业于北京科技大学。Email: cuixfang@163.com
- 46 http://www.j-es.org