推移式滑坡模型試驗推力加載方法的研究

夏 浩，雍 睿，馬俊偉

（1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院，武漢 430071；2.中國地質大學（武漢）工程學院，武漢 430074）

推移式滑坡模型試驗推力加載方法的研究

夏 浩1，2，雍 睿2，馬俊偉2

（1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院，武漢 430071；2.中國地質大學（武漢）工程學院，武漢 430074）

滑坡物理模型試驗過程中采用的加載方式常與所模擬的滑坡原型相關，為了準確模擬推移式滑坡的變形破壞過程，采取在模型坡體后緣施加推力的方式進行加載。為驗證該方法的可行性，以簡化的剛性滑塊為例，將推力加載方法與模型試驗中常用的傾斜模型加載方法進行對比分析。結果表明推力加載方法與傾斜模型加載方法相同，均可連續(xù)地改變安全系數。為研究整個坡體在后緣施加推力后其坡體內部的應力應變場與推移式滑坡的相似性，分別進行了數值模擬試驗與滑坡物理模型試驗。試驗結果表明，滑坡體隨著坡體后緣推力的增大，其剪切破壞逐漸由后緣向前緣發(fā)展，直至剪切面貫通發(fā)生滑動失穩(wěn)，其變形破壞特征與推移式滑坡特征基本吻合，驗證了后緣施加推力的方法模擬推移式滑坡變形破壞過程的可行性。

推移式滑坡；模型試驗；數值模擬；推力加載

2015，32（01）：112－116

1 研究背景

模型試驗作為研究滑坡破壞機理的有效方法，真實地模擬滑坡原型的變形破壞特征是其成功的關鍵。通常在邊坡模型試驗中，通過不同的加載方式獲得邊坡的失穩(wěn)破壞形式［1－3］。傾斜模型加載是一種常見的加載方法，周維垣等［4］采用逐步傾斜方式獲得了錦屏高邊坡穩(wěn)定三維地質力學模型的破壞模式，同時在這個試驗中提出模型整體轉動的角度可以作為評價邊坡安全度的指標。羅先啟等［5］在對石榴樹包滑坡機制進行研究時采用傾斜模型的方式模擬石榴樹包滑坡變形破壞機制。

對于推移式滑坡的破壞［6－8］，其往往是后緣一部分坡體率先出現剪切破壞，使施加在滑坡前緣的坡體推力加大，導致前緣坡體逐漸發(fā)生剪切破壞，直至剪切面在滑坡表面上貫通，出現滑動的過程。而傾斜模型加載的方法是通過抬升模型框架，不斷增大模型的傾斜角α，在增大坡體下滑力的同時減小阻滑力，完成加載的一種方式［9］。其加載是針對整個物理模型坡體的應力狀態(tài)的改變，但其最主要的變化趨勢是模型前緣的偏應力增大，前緣進入塑性變形的可能性增大，破壞的區(qū)域往往也是模型的前緣部分。此破壞方式與推移式滑坡所表現出的由后緣發(fā)生的累進性破壞不符。所以，傾斜模型對于推移式滑坡的模擬從原理上說，不能取得較好的結果。

因傾斜加載方法在滑坡物理模型中不能對推移式滑坡進行有效模擬，本文根據推移式滑坡的變形破壞特點，采用在模型后緣施加推力的方法對推移式滑坡變形破壞過程的模擬效果進行研究。首先通過理論分析和FLAC3D數值軟件的計算，驗證在模型后緣進行推力加載條件下，模擬推移式滑坡變形破壞的可行性。然后進行了滑坡物理模型試驗，采用MTS電液伺服加載系統對滑坡模型后緣進行加載，驗證后緣施加推力的方法對推移式滑坡模型模擬的可行性，為推移式滑坡的模擬提供參考。

2 后緣推力加載的理論分析

傾斜加載如圖1（a）［9］作為滑坡模型試驗中常用的加載方式，是因其可以連續(xù)地降低邊坡的安全系數，方便滑坡模型由初始狀態(tài)（此時，模型剛制作完成，安全系數通常較大）轉化至臨界狀態(tài)。因此，如果后緣推移式加載能連續(xù)地改變坡體的安全系數，則方案在理論上是初步可行的。

如圖1（b）所示，采用后緣施加推力的塊體安全系數：

式中：G為塊體重力；α為滑坡傾角；θ為傾斜加載抬升角度；c為滑動面黏聚力；A為滑動面積；T為后緣施加推力。

圖1 加載示意圖Fig.1 Sketch of loading

假設斜面上塊體為單位體積的立方體，G＝10 kN，α＝10°，c＝3 kPa，φ＝15°，分別計算α為10°，12°，14°，16°，18°，20°的工況下安全系數和后緣施加推力的安全系數變化圖，計算結果如圖2所示。

圖2 安全系數與傾斜角度、后緣推力關系Fig.2 Relation of safety factor w ith inclining angle and driving force

從圖3可以看出，當后緣推力可以連續(xù)變化時，坡體的安全系數是連續(xù)減小的，而本次試驗采用MTS電液伺服加載系統是可以滿足后緣推力連續(xù)變化的，因此通過后緣加載來模擬推移式滑坡的變形破壞特征是可行的。

3 推移式滑坡數值模擬過程分析

通過后緣推力加載可以減小坡體的安全系數，但整個坡體的應力、位移變化特征是否符合推移式滑坡破壞的特點，需要通過FLAC3D數值軟件進行模擬，分析模型坡體在加載過程中的應力、位移特征。

3.1 數值模型的建立

萊西市啟林農資于萍也表示，親土種植的理念符合我國當前農業(yè)發(fā)展的需求，親土1號土壤改良方案也受到了廣大農戶的追捧，越來越多的農戶主動前來購買，回頭客也越來越多。在市場競爭日益激烈的當下，親土1號已經成為農戶改良土壤一把利器！

為了減少試驗的盲目性與工作量，本文根據推移式滑坡的一般特點，利用FLAC3D軟件建立理想的推移式滑坡數值模型進行計算，模型長200 cm，寬為90 cm，后緣高度為125 cm，后部滑體厚度約35 cm，滑面傾角17°，具體模型見圖3。

圖3 數值模擬計算模型Fig.3 Sketch of numerical simulation model

數值模型計算邊界條件為模型前后邊界施加法向約束，滑床的左右邊界面施加法向約束，模型底端施加固定端約束。

本次數值試驗采用中國地質大學（武漢）工程學院已有的推移式滑坡相似材料參數成果進行計算。巖土體物理力學參數見表1。

表1 模型相似材料參數Table 1 Parameters ofmodelmaterials

3.2 加載方案

利用FLAC3D軟件內置的安全系數算法，在上述理想模型的滑體后緣施加荷載，施加的荷載與滑坡數值模型的安全系數關系見圖4。

根據上述計算結果，以及考慮到后續(xù)進行滑坡物理模型試驗的儀器條件，決定采取在坡體后緣逐級施加荷載的方案。設計荷載從200 N開始，先以ΔF1＝200 N分3級連續(xù)加至600 N，而后以ΔF2＝300 N分9級加載至3 300 N，整個加載過程總共12級荷載。

圖4 后緣推力與安全系數關系Fig.4 Relation between driving force and safety factor

3.3 計算結果分析

模型后緣逐級施加推力，具體計算結果見圖5。

圖5 加載過程中剪應變增量及x方向位移云圖Fig.5 Contours of shear strain increment and displacement in x-direction

由圖5（a）、圖5（b）可知，模型在后緣推力的作用下，滑坡后部坡體最先出現剪切破壞，產生向前滑動的位移，擠壓前緣坡體，而此時前緣坡體基本未受到后緣加載的影響。圖5（c）、圖5（d）顯示，隨著荷載加載到第10級，后緣坡體的位移與剪切破壞區(qū)較第5級荷載均增大，但未受推力影響的前緣坡體范圍與施加第5級荷載的范圍相同，說明此時推力主要由后緣長約110 cm的坡體承擔；圖5（c）顯示此時塑性區(qū)已基本貫通此區(qū)域，顯示該部分坡體即將出現剪切破壞，繼續(xù)增加荷載；圖5（e）、圖5（f）所示，滑坡整體發(fā)生破壞，此時剪切面已貫通，整個滑體均出現向前的位移。

可見，模型在后緣推力的作用下，率先引起后緣模型內部應力的變化，隨著推力的增大，后緣坡體逐漸發(fā)生剪切破壞，將無法抵抗的推力逐漸由前緣坡體承擔，直至剪切面貫通整個滑坡體出現整體滑動破壞，整個破壞過程與推移式滑坡破壞特征基本一致，說明這樣的應力場變化有利于模擬推移式滑坡的破壞機制。

4 應用實例

為了說明在滑坡物理模型后緣施加推力模擬推移式滑坡的模擬效果，采用中國地質大學（武漢）自行研制的室內滑坡物理模型試驗系統，根據上述理想模型尺寸制作了滑坡物理模型。

為了減少模型相似材料配制的工作量，考慮到數值模擬結果中基巖對試驗的影響較小，所以選擇磚石砌體并以砂漿抹面作為基巖材料。

滑體配比材料［10］主要由39%的江砂（過2 mm篩分）、49.1%的滑體土（過2 mm篩分）、11%的自來水、0.9%的膨潤土組成。

滑帶配比材料主要由60%的玻璃珠、32%滑體土、8%的自來水組成。

圖6是滑坡物理模型在進行推力加載前的形態(tài)，為了便于比較施加推力后的形態(tài)與變形前形態(tài)，在圖6中的鋼化玻璃上用藍色膠帶繪出變形前形態(tài)，并用方格網進行滑坡位移數據的測量，每一小格長度為10 cm。

圖6 滑坡模型加載前形態(tài)Fig.6 Section of slopemodel before loading

本次試驗采用MTS電液伺服加載系統?？紤]到模型坡體的應力傳遞特性和數值計算與實際物理模型試驗的誤差，按預定方案，試驗機荷載從200 N開始，先以ΔF1＝200 N分3級連續(xù)加載至600 N（各級均維持30 min），而后以ΔF2＝300 N分11級加載至3 900 N（各自維持60 min），整個加載過程總共14級荷載。

按上述加載方案進行試驗，發(fā)現滑坡物理模型在施加第12級荷載時破壞與數值試驗計算結果基本吻合。加載破壞后形態(tài)見圖7?；挛锢砟Ｐ图虞d破壞時的x方向位移與數值計算結果見表2。監(jiān)測點位置見圖3。

圖7 滑坡模型加載破壞后形態(tài)Fig.7 Section of slopem odel after loading

表2 物理模型試驗與數值試驗監(jiān)測點x方向位移數據對比Table 2 Comparison of displacement in x directionof themonitoring points between physicalmodel and numerical simulation cm

從表2可知，滑坡物理模型破壞時，坡體位移較數值計算結果偏大，其原因是滑坡物理模型制作過程中存在孔隙，導致在施加后緣推力時，孔隙率先閉合，這一現象可在采用MTS電液伺服加載系統施加每一級荷載的開始階段，荷載力無法持續(xù)升高得到論證。而數值計算則沒有考慮這一因素，導致數值試驗結果偏小。但試驗結果與數值計算結果的規(guī)律相同，都表現為監(jiān)測點位移隨著監(jiān)測點距滑坡后緣的距離增大而減小，這與推移式滑坡的破壞特征一致。證明這種方法應用于推移式滑坡物理模型加載破壞的模擬是可行的。

5 結 論

（1）模型試驗中加載方法的選取，是模擬滑坡模型破壞方式的關鍵，在滑坡模型后緣施加推力的加載方法，相比于傾斜模型加載方法，可以更好地進行推移式滑坡變形破壞的模擬。

（2）通過對滑坡模型后緣施加推力的數值模擬，發(fā)現坡體的破壞與推移式滑坡的破壞特征相吻合，表現為后部坡體率先發(fā)生剪切破壞，隨著推力的增大，剪切破壞區(qū)逐漸向滑坡前緣擴展，直至剪切面貫通出現破壞。因此，此加載方法可以用于推移式滑坡破壞機制的模擬。

（3）按照數值模型尺寸制作滑坡模型并進行試驗，得到了滑坡模型變形破壞全過程，對比發(fā)現：模型破壞與數值計算結果基本一致，說明后緣施加推力的加載方法可以在推移式滑坡的實際模擬過程中應用。

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［10］羅先啟，葛修潤.滑坡模型試驗理論及其應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2008：1－8.（LUO Xian-qi，GE Xiu-run.Theory and Practice of Landslide Model Test［M］.Beijing：China Water Power Press，2008：1－8.（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

長江科學院巖土重點實驗室參加第二屆海洋工程地質發(fā)展戰(zhàn)略研討會

第二屆海洋工程地質發(fā)展戰(zhàn)略研討會暨國家重大科研儀器研制項目“復雜深海工程地質原位長期觀測設備研制”啟動會于2014年11月1—3日在中國海洋大學召開，中國工程院龔曉南院士、中國科學院何滿潮院士出席會議，長江科學院副總工程師、水利部巖土重點實驗室主任程展林教授作為特邀嘉賓參加本次會議。參加本次研討會共有50余位工程地質領域的專家。

程展林在大會上作了“吸力桶式水下靜力觸探的研制及應用”特邀報告，重點介紹了長江科學院院研發(fā)的“吸力桶式水下靜力觸探儀”，報告引起了與會海洋工程地質界專家和多家單位的高度興趣和討論，對該設備的進一步改進及合作應用提出了許多具體建議。

11月2日，與會專家還參觀了國土資源部青島海洋地質研究所、國家海洋局第一海洋研究所大洋樣品館、中國海洋大學大型波浪海流模擬海洋工程實驗室、正在建設中的國家海洋科學技術實驗室和國家深海基地。

（摘自：長江水利科技網）

M ethod of Driving Force Loading in M odel Test of Landslide Caused by Thrust Load

XIA Hao1，2，YONG Rui2，MA Jun-wei2
（1.Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group，Wuhan 430071，China；2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Themethod of loading in landslide physicalmodel test is often related with the prototype.In this research we applied driving force at the back of the slope model to simulate the deformation failure of landslide caused by thrust load.To verify the feasibility of thismethod，we took simplified rigid slip mass for example and analysed the driving force loading and the inclined loading which are commonly used inmodel test for comparison.Results show that the back force loading could also change the anti-sliding safety factor of rigid slip mass continuously.Furthermore，we conducted numerical simulation and physicalmodel test to research the stress field and strain field of the slope model subjected to back force already.Results reveal that as the force applied at the back of the slopemodel increases，the shear failure of slope expands gradually from the back of the slopemodel to the front until the shear plane penetrates through the slope and the slope begins to slip.This failure process is consistent with the failure process of landslide caused by thrust load.Themethod of loading driving force is verified to be feasible in the simulation of landslide caused by thrust load.

landslide caused by thrust load；model test；numerical simulation；driving force loading

P642.22

A

1001－5485（2015）01－0112－05

10.3969/j.issn.1001－5485.2015.01.023

2013－08－20；

2013－08－30

國家重點基礎研究發(fā)展計劃973項目（2011CB710604）；中國地質大學（武漢）教學實驗室開放基金（SKJ2012139）

夏 浩（1989－），男，湖北武漢人，碩士，研究方向為滑坡物理模型試驗與巖土工程數值模擬，（電話）15972950903（電子信箱）511787791＠qq.com。