《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Correlation between macroscopic creep behavior and multi-scale pore characteristics of loess landslide soil: Experimental analysis and model prediction
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本研究针对黄土滑坡土体在蠕变过程中多尺度孔隙演化与宏观力学行为脱节的关键问题，通过开展三轴蠕变试验和核磁共振（NMR）测试，揭示了孔隙-渗透性-强度的链式反馈机制，并构建了考虑多尺度孔隙损伤的宏细观蠕变本构模型。该模型显著提升了蠕变变形的预测精度，为黄土滑坡长期稳定性评价及灾害预警提供了重要理论依据。
在我国黄土高原地区，滑坡灾害频发，严重威胁人民生命财产安全和重大工程建设。黄土作为一种具有特殊结构性的土体，其变形具有显著的时间效应，即蠕变特性。在长期荷载作用下，黄土边坡会发生缓慢而持续的剪切变形，这种变形是滑坡灾害演化的重要前兆。然而，传统的黄土蠕变研究多集中于宏观力学行为的描述，对于控制其蠕变行为的内部物理机制——尤其是多尺度孔隙结构的演化规律及其与渗透性、强度特性的关联机制——尚不明确。这限制了准确预测边坡长期稳定性和建立有效灾害预警模型的能力。为了解决这一关键问题，西安科技大学的研究团队在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》上发表了最新研究成果，系统揭示了宏观蠕变与多尺度孔隙特征之间的内在联系。
本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，对取自陕西延安地区黄土滑坡的原状土样进行了一系列不同围压（100, 200, 400, 600, 1000, 1500 kPa）和剪应力水平（0.4, 0.6, 0.8, 0.95）下的三轴蠕变试验，获取了宏观蠕变变形曲线。其次，利用核磁共振（NMR）技术，定量分析了蠕变过程前后以及蠕变过程中不同时间点土样的多尺度孔隙（大孔隙>1 μm，微孔隙≤1 μm）面积的变化规律。最后，基于试验结果，构建了以宏观孔隙面积为表征的局部粘结破损率参数，并结合二元介质模型理论，建立了宏细观蠕变损伤本构模型。
研究结果
3.1. 蠕变变形与力学关系特征
研究发现，黄土的蠕变曲线可分为衰减型和非衰减型两种。随着剪应力水平的增加，蠕变类型从衰减型向非衰减型转变，并呈现出典型的衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变三阶段特征。最终蠕变应变随剪切应力、平均应力和应力比的增加呈线性增长趋势。围压的增加会抑制蠕变变形，表现为线性关系的斜率减小。
3.2. 黄土滑坡土体的多尺度孔隙演化规律
3.2.1. 蠕变试验前后多尺度孔隙演化规律
NMR测试结果表明，随着应力水平的增加，蠕变后土体的总孔隙、大孔隙和微孔隙面积均呈现先减小后增大的演化趋势。在低围压（100和200 kPa）和高应力水平（0.95）下，大孔隙和总孔隙面积最终会超过初始状态，表现出剪胀现象。而在高围压下，多尺度孔隙面积均低于初始状态，表现为压缩。
3.2.2. 蠕变试验过程中的多尺度孔隙演化规律
在蠕变过程中（以400和600 kPa围压为例），初始阶段（1小时内），各尺度孔隙面积迅速减小，表明初始结构被压缩。在蠕变1至4小时，大孔隙面积继续减小，而微孔隙面积开始增加，表明大孔隙破碎向微孔隙转化。在600 kPa围压下，蠕变稳定后大孔隙面积出现显著增加趋势，反映了土粒的剪胀效应。
3.3. 宏观蠕变特性-多尺度孔隙演化关联机制
最终蠕变应变与大孔隙面积之间呈二次函数关系。随着蠕变应变的增加，大孔隙面积先减小后增大。应力比与大孔隙面积的关系也呈现出先减后增的趋势，且在低围压下变化更为剧烈。
4. 蠕变过程中多尺度孔隙-渗透性-强度关联机制
4.1. 多尺度孔隙演化-剪切强度-滑坡失稳链式机制
在衰减蠕变阶段（低应力水平），大孔隙比例减小，微孔隙比例增加，增强了土粒间的摩擦作用和剪切强度，对边坡稳定性产生正反馈效应。在非衰减蠕变阶段（高应力水平），尤其是加速破坏阶段，大孔隙比例急剧增加，导致强度降低，对边坡稳定性产生负反馈效应，最终诱发滑坡。
4.2. 多尺度孔隙演化-渗透性-滑坡失稳链式机制
在衰减蠕变阶段，孔隙压缩导致渗透系数降低，不利于水分入渗，提高了边坡稳定性。在非衰减蠕变阶段，尤其是大孔隙发育后，渗透系数显著增大，加剧了降雨入渗和孔隙水压力上升，从而降低抗滑力，诱发滑坡。
5. 宏细观蠕变本构模型
5.1. 损伤参数方程
基于大孔隙面积与蠕变应变/应力比的定量关系，构建了以宏观孔隙面积变化为表征的破损率参数（b），其演化符合指数规律。
5.2. 宏细观蠕变本构模型
基于二元介质理论，将土体视为由粘结元件和摩擦元件组成。总蠕变应变由两部分叠加而成。粘结元件的蠕变采用考虑弹性与粘弹性的模型描述，摩擦元件的蠕变采用基于过应力理论的粘塑性模型描述。通过Mori-Tanaka方法建立了宏观应力与微观元件应力之间的关联，最终推导出宏细观蠕变损伤本构模型。
5.3. 模型验证
通过试验数据确定了模型参数，并将模型预测结果与实测蠕变曲线以及传统Burgers模型进行了对比。结果表明，新建模型能够更准确地预测衰减和非衰减型蠕变曲线，相对误差显著低于Burgers模型。此外，基于模型预测了黄土的长期强度曲线，发现长期强度随加载时间增加而显著降低并逐渐趋于稳定，强调了在边坡稳定性分析中考虑强度时效性的重要性。
结论与意义
本研究通过系统的试验和理论分析，明确了黄土蠕变过程中多尺度孔隙的演化规律及其对宏观力学和渗透特性的控制作用。研究揭示了蠕变过程中存在的“孔隙演化-强度-稳定性”和“孔隙演化-渗透性-稳定性”两条重要的链式反馈机制，阐明了黄土滑坡从缓慢变形到急剧失稳的物理本质。所建立的宏细观蠕变本构模型，因考虑了基于孔隙演化的损伤机制，显著提升了对黄土蠕变行为的预测能力。该研究成果为深入理解黄土滑坡的时效性演化机理、准确评价边坡长期稳定性以及发展科学的灾害预警方法提供了重要的理论和实验依据，对黄土高原地区的防灾减灾和工程建设具有重要的指导意义。未来的研究可进一步考虑非饱和状态下的水-力耦合效应，以更全面地揭示复杂环境下的滑坡灾变过程。
