順層斜坡潰屈變形物理模擬及影響因素敏感性分析

杜應(yīng)瓊， 任光明， 杜飛， 朱少帥， 余天彬

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都610059)

順層斜坡潰屈變形物理模擬及影響因素敏感性分析

杜應(yīng)瓊， 任光明， 杜飛， 朱少帥， 余天彬

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都610059)

利用物理模擬方法再現(xiàn)順層斜坡潰屈破壞過程，分析了發(fā)生潰屈型斜坡的臨界坡長與彎曲隆起高度的主要影響因素，并運(yùn)用優(yōu)勢分析方法論述了各單因素影響的主次關(guān)系。分析的結(jié)果說明：巖層的單層厚度、滑移面的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力、坡角和巖體的彈性模量是影響順層斜坡潰屈失穩(wěn)的主要因素，其影響程度的大小順序依次為巖層的單層厚度、滑移面的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角、坡角和巖體的彈性模量。

物理模擬；順層斜坡；潰屈破壞；臨界坡長；彎曲隆起高度

引言

順層巖質(zhì)斜坡潰屈失穩(wěn)機(jī)制的研究是評價(jià)和防治自然邊坡及已發(fā)生過的滑坡穩(wěn)定性的重要依據(jù)。目前對順層斜坡失穩(wěn)破壞機(jī)理、穩(wěn)定性的評價(jià)和分析的方法等方面已有較深入的研究。自二十世紀(jì)80年代至今，以孫廣忠教授為首的專家學(xué)者們[1-14]利用材料力學(xué)中的壓桿的穩(wěn)定理論、尖角突變理論和數(shù)值模擬等對順層斜坡的潰屈失穩(wěn)(滑移—彎曲)問題先后進(jìn)行了研究，并推導(dǎo)了理論公式，結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。本文結(jié)合某工程區(qū)內(nèi)發(fā)育的大型巖質(zhì)滑坡的潰屈(滑移—彎曲)破壞機(jī)制分析，選取典型恢復(fù)剖面對順傾向巖層滑坡形成機(jī)制進(jìn)行了物理模擬，并結(jié)合中滑坡滑移彎曲的臨界長度和隆起高度的計(jì)算式[3,6]，論述了臨界長度和彎曲隆起高度的主要影響因素，并結(jié)合優(yōu)勢分析探討了各影響因素的主次關(guān)系。

1 順層斜坡潰屈破壞過程的物理模擬

1.1底摩擦試驗(yàn)原理

底摩擦試驗(yàn)是以摩擦力模擬重力場，進(jìn)行在重力場作用下天然邊坡、開挖邊坡、填方路堤和隧道圍巖的變形破壞過程和變形破壞機(jī)制模擬研究，模擬再現(xiàn)工程巖土體從變形、破壞到失穩(wěn)的全過程。試驗(yàn)時(shí)，摩擦帶速度由顯示器顯示，摩擦帶施加給模型的摩擦力采用傳感器測量顯示，通過轉(zhuǎn)動(dòng)模型下面的橡皮帶，使模型邊坡持續(xù)受到坡體應(yīng)力的作用，同時(shí)用間斷拍照的方式記錄模型邊坡變形失穩(wěn)破壞發(fā)展的全過程。

本文選取某工程區(qū)內(nèi)發(fā)育的大型巖質(zhì)滑坡的恢復(fù)剖面如圖1所示，利用底摩擦模型法進(jìn)行物理模擬研究。

圖1 恢復(fù)后的滑坡剖面

1.2實(shí)驗(yàn)材料

通過大量的對比研究，本文選取硫酸鋇(BaSO4)、石英砂(SiO2)、石膏(CaSO4)、甘油、水五種原料，按一定配比進(jìn)行配制。同時(shí)，可在平整的試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧仙嫌玫秳澇闪芽p的辦法(可在縫中充填滑石粉)模擬巖層層狀結(jié)構(gòu)面。

根據(jù)底摩擦試驗(yàn)儀器的條件，選取幾何比例尺為1∶1000，利用已配制好的模型的材料及適當(dāng)?shù)母鲗拥闹颇毫?，制成待試?yàn)的原始邊坡剖面模型(圖2(a))。

圖2 順層斜坡潰屈破壞物理模擬過程

1.3實(shí)驗(yàn)成果及分析

試驗(yàn)開始后，隨著摩擦皮帶輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，模型淺表部首先發(fā)生較明顯的輕微差異性層間錯(cuò)動(dòng)，且各巖層間的錯(cuò)動(dòng)由坡體表面往坡內(nèi)減弱，在坡腳附近巖層發(fā)生輕微彎曲隆起，并在層間有微弱的架空現(xiàn)象出現(xiàn)(圖2(b))。伴隨試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，在坡腳前緣巖體應(yīng)力集中，坡體內(nèi)各巖層間的錯(cuò)動(dòng)范圍增大，在彎曲隆起的轉(zhuǎn)折部位，彎曲的各巖層形成的類似褶曲形態(tài)的各巖層出現(xiàn)不同程度的折斷現(xiàn)象(圖2(c)、圖2(d))。隨著坡體內(nèi)各巖層的繼續(xù)蠕變，在坡體巖層彎曲隆起的下端，巖層變形的加劇導(dǎo)致巖層折斷，促使了巖層的另一組潛在破裂面的出現(xiàn)，從而使得斷口向坡內(nèi)一側(cè)變大，向坡外消失。隨著時(shí)間的增長，巖層彎曲隆起處和折斷部位出現(xiàn)了兩組連續(xù)的破裂面，此時(shí)斜坡前緣表面巖層發(fā)生了傾倒破壞現(xiàn)象，坡體后緣不僅出現(xiàn)了不同程度的拉裂縫，而且在局部位置還有拉裂陷落帶的出現(xiàn)(圖2(e)、圖2 (f))。當(dāng)坡體形成的滑移面與坡腳部位發(fā)育的緩傾角的剪裂面貫通，斜坡巖體在層間的軟弱面及其下部緩傾角的剪裂面控制下，容易形成大小各異的滑坡體或具有多級(jí)滑面的主、次滑體。

從模擬試驗(yàn)現(xiàn)象可知，該類斜坡演變形成滑坡的過程屬于典型的潰屈(滑移—彎曲)變形破壞模式，針對此類滑坡在形成與發(fā)展過程中潰屈破壞的臨界坡長和彎曲隆起高度，其影響因素的影響程度大小不一。

2 順層斜坡潰屈破壞的臨界長度和彎曲隆起高度的影響因素分析

順層滑坡潰屈破壞(滑移—彎曲)物理模擬說明：其形成與發(fā)展過程是邊坡巖層單層厚度、巖體變形模量、滑面的力學(xué)性質(zhì)和坡角等多因素共同作用的結(jié)果。其中，邊坡巖層單層厚度、巖體變形模量、滑面的力學(xué)性質(zhì)和坡角等因素對潰屈破壞的臨界坡長和彎曲隆起高度的各影響因素的影響程度是不同的。李樹森、任光明等[3,6]結(jié)合典型的滑移—彎曲型斜坡調(diào)查，推導(dǎo)出了順層潰屈型滑坡發(fā)生變形潰屈的臨界坡長和彎曲隆起高度的計(jì)算式：

χ=0.25lcr

(2)

式中：lcr為臨界坡長，χ為隆起高度，γ為巖體容重，E為彈性模量，h為巖體厚度，α為坡角，φ為層面內(nèi)摩擦角，c為粘聚力，n為板梁處于臨界狀態(tài)對應(yīng)的彎曲變形形式，當(dāng)n=2時(shí)，板梁潰屈臨界狀態(tài)的彎曲變形為全波，故取n=2較合理[15]。

2.1臨界長度和彎曲隆起高度的單因素分析

由式(1)可知，影響順傾巖層臨界長度lcr和彎曲隆起高度χ的主要因素是巖層單層厚度h，邊坡滑移面的內(nèi)摩擦角φ、內(nèi)聚力c，彈性模量E，重度γ和坡度α。

根據(jù)式(1)，在給定的基本參數(shù)條件下(E=5 GPa，φ=30°，c= 0.012 MPa，α= 40°，γ=26 kN/m3，h=1.0 m)各單因素對臨界長度lcr的影響如圖3所示。

圖3 臨界長度與各因素的關(guān)系

由圖3可知：臨界長度隨滑移面的內(nèi)摩擦角、凝聚力、巖體的彈性模量以及巖層單層厚度的增大而增大，隨坡角的增大而減小。由式(2)可知，彎曲隆起高度與臨界坡長成正比，故彎曲隆起高度也隨巖層單層厚度、滑移面凝聚力和內(nèi)摩擦角以及巖體彈性模量的增大而增大，隨坡角的增大而減小。

2.2臨界長度和隆起高度影響因素優(yōu)勢分析

綜合考慮巖體各因素對潰屈破壞的臨界坡長和彎曲隆起高度的影響程度和主次關(guān)系，對臨界長度和彎曲隆起高度進(jìn)行影響因素優(yōu)勢分析，主要的影響因素稱為優(yōu)勢因素。優(yōu)勢分析主要是依據(jù)系統(tǒng)相關(guān)的變量與系統(tǒng)特征變量之間的關(guān)聯(lián)度大小尋求優(yōu)勢因素。

根據(jù)式(1)、式(2)得出在不同的巖體力學(xué)參數(shù)條件下邊坡發(fā)生潰屈破壞的臨界坡長lcr與隆起高度χ，以順傾巖層滑移彎曲的臨界長度lcr和隆起高度χ為系統(tǒng)特征變量，選取tanφ，h，α，E和c[7]作為相關(guān)變量，臨界長度lcr和隆起高度χ詳見表1。

表1 潰屈破壞的臨界坡長和彎曲隆起高度與各相關(guān)變量的關(guān)系

根據(jù)表1，經(jīng)計(jì)算得臨界坡長與各相關(guān)變量的關(guān)聯(lián)度為：ri=(0.5556，0.7038，0.6116，0.6470，0.6297)，即r2>r4>r5>r3>r1；彎曲隆起高度與各相關(guān)變量的關(guān)聯(lián)度為：ri=(0.5540，0.7124，0.6160，0.7058，0.6360)，即r2>r4>r5>r3>r1。

根據(jù)優(yōu)勢計(jì)算分析結(jié)果表明：在巖體彈性模量E，巖層的單層厚度h，巖層的傾角α，滑移面的粘聚力c和摩擦系數(shù)tanφ這5個(gè)因素中，對臨界長度lcr和斜坡彎曲隆起高度χ的影響程度由大到小的順序依次為：巖層的單層厚度、滑移面的內(nèi)聚力、滑移面的摩擦系數(shù)、巖層的傾角和巖的彈性模量。

3 結(jié)論

(1)本文應(yīng)用物理模擬試驗(yàn)方法對某工程區(qū)一順層滑坡恢復(fù)剖面進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，該類順層巖質(zhì)斜坡在坡腳無臨空的條件下形成了典型的潰屈變形破壞。斜坡坡體上部呈現(xiàn)出沿著控制坡體的軟弱面(或軟弱帶)順層滑動(dòng)，下部沿著緩傾角的剪裂面做切層滑動(dòng)。說明該類斜坡的失穩(wěn)變形破壞可以形成規(guī)模大小不等的滑坡體或者同時(shí)具有多級(jí)滑面的主次滑體。

(2)歸納了影響順層斜坡潰屈失穩(wěn)的臨界長度及彎曲隆起高度的主要因素，并應(yīng)用優(yōu)勢分析法探討了各影響因素的主次關(guān)系，這對于定性研究層狀邊坡潰屈穩(wěn)定性和分析其潰屈穩(wěn)定性時(shí)的參數(shù)取值都具有指導(dǎo)意義，同時(shí)在該類斜坡的防治處理中，可根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)措施，有效地提高邊坡的穩(wěn)定性。

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Physical Simulation of Consequent Slope Bulking Deformation and Its Influencing Factor Sensitivity Analysis

DUYingqiong,RENGuangming,DUFei,ZHUShaoshuai,YUTianbin

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu 610059, China)

The physical simulation method is used to reproduce the consequent slope bulking destruction process, the main influencing factors of the critical length and bending uplift location of outburst slope are analyzed, and the primary and secondary relations of influencing factors are discussed through predominance analysis. The results show that, in significant order, the thickness of a single rock layer, the cohesion and friction angle of sliding surface, the elastic modulus of rock mass and the slope angle are the major influencing factors to the bulking and instability of consequent slope.

physical simulation; consequent slope; outburst failure; critical length of slope; bending height of uplift

2014-06-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41072229)

杜應(yīng)瓊(1987-)，女，貴州畢節(jié)人，碩士生，主要從事巖土體穩(wěn)定性及工程環(huán)境效應(yīng)方面的研究，(E-mail)duyingqiong198@163.com

1673-1549(2014)06-0068-04

10.11863/j.suse.2014.06.17

TU457

A