基于物理模擬的某邊坡危巖體穩(wěn)定性分析

翟崇　黃瑩　譚嬋娟

【摘 要】巖石邊坡通常具有復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和變形破壞機(jī)理， 其變形與失穩(wěn)破壞是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)過程。本文以相似原理為基礎(chǔ)， 采用底摩擦試驗(yàn)的方法深入研究了西南某巖質(zhì)邊坡的變形破壞模式， 探索邊坡變形的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

【關(guān)鍵詞】巖質(zhì)邊坡；底摩擦試驗(yàn)；相似原理；穩(wěn)定性分析

0 前言

物理模擬研究方法應(yīng)用于斜坡巖體的穩(wěn)定性分析具有兩個(gè)突出的意義：能夠直接觀測(cè)和記錄研究對(duì)象的變形、破壞演變過程；可以通過實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析獲得研究對(duì)象的變形演變過程中各階段的應(yīng)力分布狀態(tài)和由于變形與局部破壞導(dǎo)致的應(yīng)力重分布情況。物理模擬試驗(yàn)方法很多， 如光敏軟材料模型的光測(cè)應(yīng)力分析、軟材料模型變形試驗(yàn)、相似材料模型試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)等， 但上述模擬方法均不夠直觀，顯性不好， 也就是說需要進(jìn)行繁瑣的計(jì)算或轉(zhuǎn)換。針對(duì)這種情況， 本文介紹一種重力作用下的邊坡穩(wěn)定問題的底摩擦模型試驗(yàn)?zāi)M方法。

1 工程地質(zhì)條件

研究邊坡地處貴州高原向湘西丘陵過渡地帶的北部邊緣，位于武陵山脈與大婁山山脈之間。邊坡主要受到溶蝕作用，地貌上體現(xiàn)為溶蝕低山，同時(shí)有部分侵蝕地貌分布。邊坡巖性主要為粉砂巖、泥頁巖和灰?guī)r，受河流侵蝕作用，變形較大為地質(zhì)災(zāi)害提供了條件。根據(jù)出露的地層巖性及地下水在含水介質(zhì)中的賦存特征，危巖體區(qū)地下水類型可分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水三類。

2 物理模擬

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

本次試驗(yàn)采用成都理工大學(xué)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)室和四川大學(xué)根據(jù)底摩擦試驗(yàn)的基本原理，在多年探索和經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上共同設(shè)計(jì)的一套全自動(dòng)化底摩擦試驗(yàn)儀，如圖1所示。儀器的模板尺寸為800mm×1000mm；調(diào)速范圍為0～100r/min；摩擦力為0～1000N。該儀器具有可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)控橡皮帶的轉(zhuǎn)速；摩擦力可以直接從觀測(cè)儀上獲??；可根據(jù)試驗(yàn)要求隨時(shí)增減橡皮帶轉(zhuǎn)速來調(diào)控摩擦力；試驗(yàn)過程中可以隨時(shí)暫停以便觀察試驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 底摩擦試驗(yàn)儀

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

底摩擦試驗(yàn)法主要基于相似原理，以摩擦力在摩擦方向上的分布與重力場(chǎng)相似的性質(zhì)，利用模型和底面之間的摩擦力來模擬模型體積力（重力）[1]。模擬的原理簡(jiǎn)圖如圖2。底摩擦試驗(yàn)原理即將研究對(duì)象的剖面制成模型C，平放在可以持續(xù)移動(dòng)的底板B上，并使原剖面的深度方向與底板移動(dòng)方向X一致。隨著底板持續(xù)移動(dòng)，模型也隨之移動(dòng)。在底板移動(dòng)方向有一固定框架，當(dāng)模型受到這一固定框架D的阻擋時(shí)，在模型C與底板B接觸面BC上每一點(diǎn)就形成摩擦阻力F：

F=（p+γΜ t）μ

式中：p——作用于模型法向單位面積上的壓力；

γM——模型材料的容重；

t——模型的厚度；

μ——模型與橡皮帶接觸面滑動(dòng)摩擦系數(shù)。[2]

圖2 底摩擦試驗(yàn)原理示意圖

根據(jù)圣維南原理[3]，當(dāng)模型足夠薄時(shí)，認(rèn)為摩擦力均勻作用在整個(gè)厚度上，可以相當(dāng)于原型物體在天然狀態(tài)下受到的重力作用。此外，模型試驗(yàn)還需要在幾何條件、受力條件和摩擦系數(shù)等方面滿足相似原理[4]。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

試驗(yàn)時(shí)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)模型下面的橡皮帶，使模型斜坡持續(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變形破壞發(fā)展的全過程。這種方法的特點(diǎn)是試驗(yàn)可根據(jù)情況隨時(shí)暫停下來，以便觀測(cè)試驗(yàn)過程的各個(gè)細(xì)節(jié)，這也是其他許多方法所不能辦到的。

上部灰?guī)r中產(chǎn)生lf1、lf2和lf3三條裂縫，三條裂縫產(chǎn)生的原因基本相同，都是因?yàn)橄虏康哪囗搸r在重力的作用下壓縮從而導(dǎo)致上部灰?guī)r拉應(yīng)力集中而產(chǎn)生。lf2發(fā)展到上部灰?guī)r厚度的一半，這條裂縫控制斜坡整體變形破壞，隨著深度的不斷發(fā)展，將會(huì)發(fā)生塑流-拉裂[5]-剪斷式滑坡；lf3在坡肩部位存在拉應(yīng)力集中，因此沿陡傾外裂隙產(chǎn)生拉裂，會(huì)在崖頂部位形成危巖體，進(jìn)而發(fā)展成為崩塌，這與斜坡實(shí)際變形特征相符合。見圖3。

圖3 變形過程圖

3 穩(wěn)定分析計(jì)算

邊坡穩(wěn)定性受多種因素影響，穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算包括許多的邊界條件和物理力學(xué)參數(shù)，但準(zhǔn)確的確定參數(shù)和邊界條件是相當(dāng)困難的。邊坡目前存在三處明顯危巖體，本研究穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算主要針對(duì)典型危巖體WY1、WY2和WY3，通過計(jì)算并分析它們的穩(wěn)定性。危巖體穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算，目前尚未有合理的方法，此次穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算采用《巖土工程勘察設(shè)計(jì)手冊(cè)》和《三峽庫區(qū)危巖體穩(wěn)定性計(jì)算方法及應(yīng)用》中的計(jì)算方法來進(jìn)行計(jì)算。

WY1、WY2和WY3，根據(jù)以上的數(shù)值和物理模擬以及實(shí)際情況判斷WY1和WY2為傾倒式破壞，而WY3為墜落式破壞。穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算應(yīng)考慮各種力的最不利組合。在雨季，張開的裂縫可能會(huì)有雨水填充，應(yīng)考慮靜水壓力。在考慮以上因素的情況下，傾倒式崩塌危巖體穩(wěn)定性系數(shù)采用《三峽庫區(qū)危巖體穩(wěn)定性計(jì)算方法及應(yīng)用》中的計(jì)算方法來進(jìn)行計(jì)算。墜落式崩塌危巖體穩(wěn)定性系數(shù)按照《巖（下轉(zhuǎn)第44頁）（上接第9頁）土工程勘察設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的計(jì)算方法來計(jì)算。

該區(qū)地震基本烈度屬小于Ⅵ度區(qū)，地殼相對(duì)穩(wěn)定，故本次穩(wěn)定性計(jì)算不考慮地震力對(duì)危巖穩(wěn)定性的影響。因此選擇自然和暴雨兩種條件作為穩(wěn)定性計(jì)算的工況：

工況1：天然狀態(tài)下WY1、WY2和WY3均不考慮靜水壓力。

工況2、3、4：暴雨?duì)顟B(tài)下，WY1和WY2考慮裂縫充水高度達(dá)裂縫深度的1/4、1/2和2/3高度分別進(jìn)行計(jì)算。WY3裂縫較狹窄且較淺并且在山體頂部，考慮暴雨時(shí)充水高度與裂縫深度相等。

4 結(jié)論

綜合斜坡和危巖體穩(wěn)定性定性分析及定量分析結(jié)果，天然狀態(tài)下斜坡整體和危巖體都較為穩(wěn)定，暴雨對(duì)穩(wěn)定性影響較大，尤其是斜坡整體穩(wěn)定性和WY1、WY2穩(wěn)定性受到很大影響。主要因?yàn)樗黾恿藥r石溶重，增加了斜坡下滑力，并且WY1和WY2受裂縫充水水壓力作用更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。雖然WY3天然和暴雨?duì)顟B(tài)下穩(wěn)定性都較好，考慮其三面臨空，頂部有裂縫，一旦裂縫發(fā)展到一定深度將會(huì)突然墜落破壞，危害較大。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馮文凱，石豫川，柴賀軍，等.緩傾角層狀高邊坡變形破壞機(jī)制物理模擬研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，2004，17（2）：32-36.

[2]袁文忠.相似理論與靜力學(xué)模型試驗(yàn)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1998.

[3]董云，黃湖鋒，柴賀軍，等.閻宗嶺土石混填路基變形破壞機(jī)制的底摩擦試驗(yàn)?zāi)M[J].中南公路工程學(xué)報(bào)，2006，31（4）：4-8.

[4]胡修文，唐輝明，劉佑榮.三峽庫區(qū)趙樹嶺滑坡穩(wěn)定性物理模擬試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（12）：2089-2095.

[5]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1981.314-346.

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