順層斜坡潰屈機(jī)制與早期識(shí)別研究*

湯明高　馬　旭　張婷婷　黃潤(rùn)秋　李九乾

(①地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))　成都　610059)(②四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院　成都　610017)

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順層斜坡潰屈機(jī)制與早期識(shí)別研究*

湯明高①馬旭①?gòu)堟面芒冱S潤(rùn)秋①李九乾②

(①地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))成都610059)(②四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院成都610017)

本文采用物理機(jī)制模型、數(shù)值模擬和理論計(jì)算相結(jié)合，分析研究了順層斜坡滑移—彎曲變形機(jī)制，提出了順層斜坡產(chǎn)生滑移—彎曲變形的地質(zhì)和力學(xué)條件、臨潰狀態(tài)判別與早期識(shí)別標(biāo)志。研究認(rèn)為：巖層傾角>20°是滑移—彎曲變形產(chǎn)生的必要地質(zhì)條件。斜坡前緣巖層彎曲隆起是臨潰狀態(tài)的早期判識(shí)標(biāo)志。巖層傾角、單層厚度、臨界坡長(zhǎng)和潰屈深度之間相互制約和影響。巖層傾角越大，越易產(chǎn)生潰屈，且潰屈層數(shù)和深度越大； 斜坡臨界坡長(zhǎng)與巖層傾角呈負(fù)冪函數(shù)變化規(guī)律； 層間黏結(jié)作用產(chǎn)生的共彎效應(yīng)影響彎曲巖層的整體抗彎剛度，從而制約潰屈深度并對(duì)斜坡最終潰屈狀態(tài)起著決定性作用。該成果對(duì)于早期防范和識(shí)別地質(zhì)災(zāi)害具有重要價(jià)值。

地質(zhì)災(zāi)害順層斜坡潰屈機(jī)制早期識(shí)別底摩擦試驗(yàn)數(shù)值分析

0　引　言

順層巖質(zhì)斜坡是一種常見的斜坡類型。從斜坡結(jié)構(gòu)來(lái)看，易產(chǎn)生滑動(dòng)變形，是巖質(zhì)斜坡中危害最大的一類(孫廣忠， 1988； 黃潤(rùn)秋等， 2007)。其變形模式主要有3種： (1)順層—滑移，當(dāng)斜坡前緣完全臨空時(shí)產(chǎn)生，其形成條件和機(jī)制較簡(jiǎn)單，容易判別。(2)切層—滑移，當(dāng)未完全臨空時(shí)前緣巖體被剪斷而發(fā)生。(3)滑移—彎曲(也稱為潰屈)，其形成條件和機(jī)制較復(fù)雜，具有隱蔽性，因此造成巨大生命財(cái)產(chǎn)損失的不乏實(shí)例，而且多為大型滑坡，如黃河上游李家峽水電站壩前左岸的2#滑坡、雅礱江二灘水電站壩前的霸王山古滑坡、三峽庫(kù)區(qū)范家坪滑坡、成昆線上的鐵西古滑坡、湖北秭歸的雞鳴寺滑坡等。對(duì)于潰屈型滑坡，不少學(xué)者(Li et al.，1990； 李樹森等， 1995； 任光明等， 1998)通過(guò)變形機(jī)制分析認(rèn)為會(huì)經(jīng)歷3個(gè)主要階段：滑移—輕微彎曲→強(qiáng)烈彎曲—隆起→滑面貫通—整體失穩(wěn)。也有學(xué)者(嚴(yán)明等， 2005)認(rèn)為在整體失穩(wěn)之前存在一個(gè)中間狀態(tài)(碎裂—散體化)。如果從變形破壞特點(diǎn)來(lái)看碎裂—散體化尚屬于強(qiáng)烈彎曲—隆起階段。同時(shí)以孫廣忠(1988)為代表的學(xué)者采用壓桿穩(wěn)定理論進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，此后研究者(Wang， 1998； 劉小麗等， 2002； 蔣良濰等， 2006； 馮君等， 2010)基于能量法的彈性板(梁)理論、彈塑性板的翹曲理論等，通過(guò)理論推導(dǎo)建立了失穩(wěn)破壞的力學(xué)判據(jù)。但是理論計(jì)算對(duì)地質(zhì)原型進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化，不能很好地與斜坡變形機(jī)制相結(jié)合，其在推導(dǎo)過(guò)程中基于假設(shè)而建立的數(shù)學(xué)公式，具有一定的理論價(jià)值，但尚難以準(zhǔn)確的表述其復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)過(guò)程。對(duì)于機(jī)制與力學(xué)計(jì)算分析相結(jié)合的問(wèn)題，劉鈞(1997)認(rèn)為順層斜坡是在縱、橫力聯(lián)合作用下而產(chǎn)生的彎曲變形破壞。魏玉峰等(2009)在分析苗家壩水電站何家滑坡成因機(jī)制時(shí)也有述及，但均未作深入分析。本文認(rèn)為斜坡潰屈破壞(滑移—彎曲)是斜坡演化過(guò)程中產(chǎn)生的順坡向應(yīng)力和垂直坡面應(yīng)力共同作用的結(jié)果，因此將斜坡機(jī)制分析與壓桿、彈塑性梁(板)理論分析相結(jié)合，可以相互彌補(bǔ)其局限性。于是采用物理機(jī)制模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論計(jì)算分析相結(jié)合的方法，進(jìn)一步探討了中緩傾外順層斜坡潰屈機(jī)制，特別是查明了其關(guān)鍵狀態(tài)，通過(guò)控制和影響其潰屈破壞的關(guān)鍵因子及其相互作用關(guān)系分析，提出了中緩傾外順層斜坡潰屈破壞的早期識(shí)別指標(biāo)和標(biāo)志，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)具有重要價(jià)值。

1　滑移—彎曲的斜坡地質(zhì)模型

通過(guò)滑移—彎曲型典型滑坡實(shí)例分析，建立了地質(zhì)模型(圖1)，主要地質(zhì)特征如下：

圖1　滑移—彎曲斜坡地質(zhì)模型Fig. 1　Geological model of buckling of bedding slope

(1)巖層傾角：傾角范圍15°～50°； (2)巖層厚度：厚度范圍0.2～2.0m； (3)斜坡長(zhǎng)度：>臨界坡長(zhǎng)； (4)巖性：泥灰?guī)r、砂板巖、頁(yè)巖、千枚巖等； (5)臨空條件：前緣受阻，即坡角≤巖層傾角。

2　試驗(yàn)與模擬方案

2.1試驗(yàn)方案

2.1.1試驗(yàn)設(shè)備及原理

底摩擦模型試驗(yàn)是定性分析巖體變形破壞規(guī)律的重要方法之一。本次試驗(yàn)采用地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)研制的自動(dòng)化底摩擦儀。優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)試驗(yàn)情況暫停，以便觀測(cè)試驗(yàn)過(guò)程的各個(gè)細(xì)節(jié)和現(xiàn)象。其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(lái)模擬重力。以相似原理為基礎(chǔ)，為使試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈锢憩F(xiàn)象與地質(zhì)原型相似，應(yīng)滿足相似關(guān)系(石豫川等， 2003)。

2.1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、參?shù)及方案

為了分析順層斜坡潰屈機(jī)制及控制因子關(guān)系(主要為巖層傾角、單層厚度)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案如下：

按組合共進(jìn)行如下18個(gè)模型試驗(yàn)(圖2)。

圖2　模型示意圖(以20°為例)(單位：cm)Fig. 2　Schematic diagram of the model(cm)

(1)巖層傾角а： 15°、20°、25°、30°、35°、40°； (2)巖層厚度h： 0.5m、1.0m、1.5m； (3)坡長(zhǎng)L： 80m； (4)相似比C： 1︰100。

圖3　不同巖層傾角和單層厚度斜坡模型試驗(yàn)的滑移—彎曲變形特征Fig. 3　The characteristics of buckling of bedding slope in the model test of different dip angle and layer thicknessa. H=0.5m，θ=20°； b. H=0.5m，θ=25°； c. H=0.5m，θ=30°； d. H=1.0m，θ=20°； e. H=1.0m，θ=25°； f. H=1.0m，θ=30°； g. H=1.5m，θ=20°；h. H=1.5m，θ=25°； i. H=1.5m，θ=30°

模型材料采用硫酸鋇、石膏、石英砂、甘油、水、硼酸等按質(zhì)量配合比拌制，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析得到的模型材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　模型材料物理力學(xué)參數(shù)Table1　Parameters of materials

材料容重/kN·m-3泊松比μ抗壓強(qiáng)度σc/MPa摩擦角/(°)黏聚力/MPa體積模量/GPa剪切模量/GPa巖石270.233030103.332層面///150.01//

2.2模擬方案

結(jié)合底摩擦模型試驗(yàn)，開展了對(duì)應(yīng)的18個(gè)模型的數(shù)值分析。分析采用離散元軟件UDEC，其在該領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是研究不連續(xù)巖體變形破壞的理想工具，可以模擬大位移、旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)、變形破壞乃至塊體分離，能比較真實(shí)地模擬節(jié)理巖體中的非線性變形特征(Griffiths et al.，1999； 雷遠(yuǎn)見等， 2006)。為了對(duì)比分析，數(shù)值模型尺寸與底摩擦模型試驗(yàn)所代表的原型一致，參數(shù)選取相同，采用了彈塑性摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型。

3　試驗(yàn)現(xiàn)象和模擬結(jié)果分析

圖4　不同巖層傾角和單層厚度斜坡模擬分析的滑移—彎曲變形特征(單位：m)Fig. 4　The characteristics of buckling of bedding slope in numerical analysis of different dip angle and layer thicknessa. H=0.5m，θ=20°； b. H=0.5m，θ=25°； c. H=0.5m，θ=30°； d. H=1.0m，θ=20°； e. H=1.0m，θ=25°； f. H=1.0m，θ=30°； g. H=1.5m，θ=20°； h. H=1.5m，θ=25°； i. H=1.5m，θ=30°

模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬效果較好，兩者現(xiàn)象較吻合，并可以相互印證 (圖3 和圖4)。

3.1巖層傾角對(duì)斜坡變形破壞的影響

巖層傾角是影響和控制順層斜坡滑移—彎曲變形的關(guān)鍵因素。其作用表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

(1)巖層傾角15°時(shí)，斜坡基本沒有產(chǎn)生變形； 當(dāng)巖層傾角為20°時(shí)，斜坡產(chǎn)生了輕微變形； 當(dāng)巖層傾角為25°～40°時(shí)，斜坡巖層產(chǎn)生蠕動(dòng)變形、且在巖層下部出現(xiàn)彎曲(圖3、圖4)。通過(guò)斜坡彎曲部位的變形監(jiān)測(cè)分析 (圖5)：當(dāng)巖層傾角≤20°時(shí)，斜坡前緣基本穩(wěn)定、沒有產(chǎn)生隆起變形。因此認(rèn)為對(duì)于層厚0.5～1.5m的順層斜坡，當(dāng)巖層傾角>20°時(shí)，才可能產(chǎn)生滑移—彎曲變形。這一指標(biāo)是判別緩傾外順層斜坡是否發(fā)生潰屈的重要地質(zhì)條件。

圖5　斜坡模型分析中隆起變形-時(shí)步曲線Fig. 5　The curve of deformation and time in the front of the slope model

圖6　斜坡模型前緣臨潰變形與巖層傾角關(guān)系Fig. 6　The relationship curve between the deformation and dip angle

(2)通過(guò)15°、20°、25°、30°、35°和40°等差序列巖層傾角斜坡變形破壞數(shù)值模擬分析得出：巖層傾角越大越容易產(chǎn)生滑移—彎曲變形，滑移—彎曲變形過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間越短 (圖5)，斜坡臨潰位移量隨巖層傾角的增大而增加 (圖6)。

(3)當(dāng)斜坡高度一定、巖層的單層厚度相同時(shí)，隨著巖層傾角的增加，斜坡的潰屈層數(shù)增加，也就是隨著巖層傾角的增大，斜坡的潰屈深度會(huì)隨之增加(潰屈深度指前緣出現(xiàn)明顯彎曲變形的巖層厚度，其等于彎曲變形的巖層層數(shù)×單層厚度)(圖3、圖4 和表2)。

表2　不同巖層傾角斜坡潰屈層數(shù)統(tǒng)計(jì)Table2　Statistics of buckling layer of the different dip angle slope

單層厚度/m數(shù)值分析(彎曲層數(shù))物理模型(彎曲層數(shù))25°30°35°40°25°30°35°40°0.5678855671.0344423341.523332333

3.2單層厚度對(duì)斜坡變形破壞的影響

不同單層厚度的斜坡模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示 (圖3、圖4 和表2)：

(1)當(dāng)巖層厚度為0.5m時(shí)。①巖層傾角<20°的斜坡模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬均沒有發(fā)生明顯位移，與理論計(jì)算結(jié)果一致(理論分析結(jié)果見表3和4，圖11，下同)。②巖層傾角25°時(shí)，數(shù)值模擬顯示出現(xiàn)變形的巖層共6層，模型試驗(yàn)顯示出現(xiàn)變形的巖層為5層，理論計(jì)算則為8層。③巖層傾角30°時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果變形巖層為7層，模型試驗(yàn)顯示變形巖層為5層，理論計(jì)算則為9層。

表3　巖層傾角與臨界坡長(zhǎng)關(guān)系Table3　Relationship between dip angle and critical length of slope

層厚0.5mа/(°)1520253035404550n010533222lcr/m85.656.137.73124.522.720層厚1.0mа/(°)1520253035404550n03211111lcr/m89.161.440.73526.725.622.7層厚1.5mа/(°)1520253035404550n05322111lcr/m95.663.445.738.630.528.726

表4　臨界坡長(zhǎng)與潰屈層數(shù)(深度)關(guān)系Table4　Relationship between buckling depth and critical length of slope

層厚0.5mа/(°)nlcr/mnlcr/mnlcr/mnlcr/m201095.611101.812107.913113.825556.1663.4770.2876.725983.01089.11194.912100.630337.7445.7553.0659.930766.4872.6978.51084.2層厚1.0mа/(°)nlcr/mnlcr/mnlcr/mnlcr/m150———————20595.66107.97119.68130.725363.4476.7589.16100.630245.7359.9472.6584.235243.6357.2469.3580.440126.5242.0355.1466.740577.4687.4796.98105.9層厚1.5mа/(°)nlcr/mnlcr/mnlcr/mnlcr/m20389.14108.05125.26141.425263.4383.04100.65116.730137.7259.9378.5495.1

(2)當(dāng)巖層厚度為1m時(shí)。①巖層傾角<20°的斜坡模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬均未出現(xiàn)明顯變形，與理論計(jì)算相同。②巖層傾角25°時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果顯示3層發(fā)生變形，模型試驗(yàn)結(jié)果為2層出現(xiàn)變形，理論計(jì)算結(jié)果為4層。③巖層傾角30°時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果顯示4層發(fā)生變形，模型試驗(yàn)結(jié)果為3層出現(xiàn)變形，理論計(jì)算結(jié)果為4層。

(3)當(dāng)巖層厚度為1.5m時(shí)。①巖層傾角<20°時(shí)，斜坡模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬均未見明顯位移，理論計(jì)算也是如此。②巖層傾角25°時(shí)，數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果顯示斜坡2層巖層發(fā)生了彎曲，與理論計(jì)算結(jié)果一致。③巖層傾角30°時(shí)，數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果顯示斜坡3層巖層發(fā)生彎曲，與理論計(jì)算結(jié)果一致。

(4)從材料力學(xué)角度分析，單層厚度越小、單一巖層抗彎剛度越小、越易彎曲； 且滑移—彎曲變形易于發(fā)生在單層厚度<1.5m的順層斜坡，這一點(diǎn)與已有研究觀點(diǎn)是一致的(李樹森等， 1995； 任光明等， 1998； 朱玉平等， 2004； 杜應(yīng)瓊等， 2014)。但本文研究顯示在斜坡高度和巖層傾角相同的條件下，不同層厚的順層斜坡的潰屈深度基本相同，例如25°時(shí)的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析結(jié)果在3m左右，其他傾角時(shí)其潰屈深度總體來(lái)看是比較接近的(當(dāng)然試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一定誤差)(表2)。分析認(rèn)為當(dāng)滑移部分的巖層發(fā)生彎曲時(shí)，由于層間黏結(jié)作用而具有共同抗彎的效應(yīng)(在此稱之為“共彎效應(yīng)”)。因此單層厚度對(duì)產(chǎn)生滑移—彎曲變形的那部分巖層整體抗彎剛度影響不大，而潰屈深度(彎曲層數(shù)×層厚)對(duì)斜坡滑移—彎曲巖層整體抗彎剛度及最終潰屈狀態(tài)起決定性作用。這一認(rèn)識(shí)對(duì)于該類斜坡災(zāi)害防治具有重要的參考價(jià)值。

3.3順層斜坡滑移—彎曲變形破壞過(guò)程

通過(guò)地質(zhì)、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析與歸納，認(rèn)為順層斜坡潰屈經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段 (圖7)：

圖7　順層斜坡滑移—彎曲變形破壞過(guò)程Fig. 7　The failure process of creep-buckling of the bedding slope

圖8　不同臨空條件下的順層斜坡變形Fig. 8　Bedding slope in different free-face conditions

(1)順層蠕滑階段 (圖7a)。當(dāng)上覆巖層克服層間摩阻力而出現(xiàn)剩余下滑力時(shí)，上覆巖層才開始向下蠕滑，繼而產(chǎn)生層間錯(cuò)動(dòng)和坡頂下沉現(xiàn)象。

(2)前緣隆起彎曲階段 (圖7b)。隨著坡腳應(yīng)力集中程度的加大，巖層開始出現(xiàn)彎曲變形，斜坡前緣坡面開始隆起?；趲r石蠕變力學(xué)理論分析認(rèn)為在這種斜坡應(yīng)力環(huán)境條件下此時(shí)的斜坡最終發(fā)生潰屈已不可避免。因此斜坡坡腳巖層出現(xiàn)彎曲變形這一關(guān)鍵狀態(tài)可以作為順層斜坡潰屈破壞早期識(shí)別的重要標(biāo)志。

(3)強(qiáng)烈彎曲—破壞(潰屈)階段 (圖7c)。當(dāng)巖層彈性彎曲變形達(dá)到一定程度時(shí)，巖層會(huì)出現(xiàn)塑性變形、折斷或錯(cuò)斷，進(jìn)而逐層發(fā)展至最終破壞。

4　潰屈條件及關(guān)鍵因子作用分析

4.1潰屈產(chǎn)生條件

對(duì)于不同臨空條件的順層斜坡，可能發(fā)生順層滑移、切層滑移或滑移—彎曲(圖8)。當(dāng)巖體沿著軟弱面有滑動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在圖8-①的臨空條件下，臨空面完全切穿滑體軟弱面，滑體會(huì)沿軟弱面自由滑出； 在圖8-②的臨空條件下，雖然滑體的變形受到一定限制，但滑體有可能剪斷坡腳處巖體而發(fā)生切層滑動(dòng)； 在圖8-③的臨空條件下滑體前緣受阻無(wú)自由滑出的空間，在剩余下滑力的作用下可能發(fā)生滑移彎曲—變形破壞。在此主要討論第③種情況。

軟弱巖體具有蠕變特性(楊天鴻等， 2003)，在上覆巖層剩余下滑力作用下，一旦坡腳巖層出現(xiàn)了“彈性彎曲變形”，在其斜坡應(yīng)力環(huán)境條件下，隨著蠕變發(fā)展，最終發(fā)生潰屈是不可避免的。據(jù)此推導(dǎo)其力學(xué)條件如下：

所建立力學(xué)模型(圖9)，斜坡長(zhǎng)度為l，滑移段長(zhǎng)度為l1，彎曲巖體長(zhǎng)度為l2，巖層層數(shù)為n，單層厚度為h，巖層傾角為α。巖體容重為γ，彈性模量為E，層間內(nèi)摩擦角為φ，黏聚力為c，則有：

圖9　順層斜坡滑移—彎曲力學(xué)模型Fig. 9　Mechanics model of buckling of bedding slope

(1)首先斜坡發(fā)生滑移—彎曲變形的前提條件是存在剩余下滑力，分析可得下滑力：

(1)

(2)巖層彈性彎曲的臨界下滑力Fcr，根據(jù)壓桿穩(wěn)定的歐拉公式計(jì)算可得：

(2)

(3)綜上可知，斜坡巖層發(fā)生滑移—彎曲變形時(shí)應(yīng)滿足F≥Fcr，即：

(3)

若同時(shí)滿足上述條件，理論上則可以判斷斜坡會(huì)發(fā)生滑移—彎曲變形。在此需要注意，斜坡切向應(yīng)力影響因素較多，其值尚難以采用公式定量表述，如果存在較大切向分力則臨界坡長(zhǎng)比這一公式計(jì)算稍小。

4.2關(guān)鍵致災(zāi)因子相互作用關(guān)系

在機(jī)制分析和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，在此進(jìn)一步分析影響因子相互關(guān)系。以物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬代表的斜坡為例，采用上述理論可以計(jì)算分析臨界坡長(zhǎng)、巖層傾角、潰屈深度(或巖層層數(shù))等。

如果斜坡巖層傾角為30°，將表1中模型材料及層面力學(xué)參數(shù)代入式(1)，可得剩余下滑力：

F=(7.23nh-10)l1

(4)

對(duì)于二維模型，參考孫廣忠(1988)推導(dǎo)的理論公式計(jì)算臨界坡長(zhǎng)：

(5)

4.2.1臨界坡長(zhǎng)、巖層傾角和層厚關(guān)系

根據(jù)式(4)和(5)計(jì)算分析巖層傾角30°時(shí)的潰屈變形層數(shù)與斜坡臨界坡長(zhǎng)。同理可分析計(jì)算其他巖層傾角和層厚的斜坡(表3和圖10)。

圖10　斜坡巖層傾角與臨界坡長(zhǎng)關(guān)系Fig. 10　Relationship curve between dip angle and critical length of slope

分析顯示 (表3 和圖10)：隨著巖層傾角的增加，斜坡潰屈的臨界坡長(zhǎng)呈現(xiàn)負(fù)冪函數(shù)變化，與臨界坡長(zhǎng)理論公式表達(dá)一致。同一巖層傾角下，層厚較小的所需斜坡臨界坡長(zhǎng)相對(duì)較小，但是影響不大。相對(duì)來(lái)說(shuō)，潰屈深度才是真正影響斜坡彎曲部分整體抗彎剛度的主要因素，進(jìn)而影響到斜坡潰屈的臨界坡長(zhǎng)，因此影響斜坡臨界坡長(zhǎng)的主要因素是巖層潰屈深度。據(jù)此分析認(rèn)為當(dāng)斜坡高度和巖層傾角相同的條件下，不同層厚的順層斜坡的潰屈深度和臨界坡長(zhǎng)基本一致。

4.2.2臨界坡長(zhǎng)與潰屈破壞深度關(guān)系

同理分析可得其相互關(guān)系見表4和圖11。

圖11　不同層厚時(shí)潰屈深度與臨界坡長(zhǎng)關(guān)系Fig. 11　Relationship between buckling depth and critical length of slopea. 層厚0.5m， b. 層厚1.0m， c. 層厚1.5m

在坡長(zhǎng)相同的情況下，隨著巖層傾角的增加，斜坡巖層潰屈層數(shù)(潰屈深度)增大。在潰屈深度相同的情況下，巖層傾角越大，產(chǎn)生初始潰屈破壞的所需臨界坡長(zhǎng)越小，即越容易產(chǎn)生潰屈破壞。工程實(shí)踐中，當(dāng)斜坡巖層中存在軟弱面時(shí)，且?guī)r體沿軟弱面具有向下滑移趨勢(shì)，那么巖層(軟弱面)傾角越大，斜坡潰屈的臨界坡長(zhǎng)越小，越容易發(fā)生潰屈破壞。

5　結(jié)　論

本文采用物理機(jī)制模型、數(shù)值模擬和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，克服了單一分析方法的局限性，從不同角度層次較為系統(tǒng)地分析研究了順層斜坡滑移—彎曲(潰屈)變形破壞過(guò)程和機(jī)理，研究探討了其關(guān)鍵致災(zāi)因子關(guān)系及早期識(shí)別指標(biāo)，得出了如下結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

(1)順層斜坡滑移—彎曲(潰屈)變形破壞過(guò)程可分為順層—蠕滑→前緣隆起—彎曲→強(qiáng)烈彎曲—破壞3個(gè)階段。當(dāng)斜坡演化進(jìn)入第二階段后，在其斜坡應(yīng)力環(huán)境條件下最終發(fā)生潰屈將不可避免，前緣隆起彎曲可以作為順層斜坡臨潰狀態(tài)早期識(shí)別的重要標(biāo)志。

(2)巖層傾角是影響和控制順層斜坡滑移—彎曲變形的關(guān)鍵因素。巖層傾角越大越容易產(chǎn)生滑移—彎曲變形； 隨著巖層傾角的增加，斜坡巖層潰屈層數(shù)(潰屈深度)增大。巖層傾角>20°是判別緩傾外順層斜坡是否會(huì)發(fā)生潰屈變形的重要地質(zhì)條件。

(3)單層厚度越小、單一巖層的抗彎剛度越小，越易彎曲，這一點(diǎn)是共識(shí)。但是本文研究認(rèn)為由于層間黏結(jié)作用而具有共同抗彎的效應(yīng)(在此稱之為“共彎效應(yīng)”)，在斜坡高度和巖層傾角相同的條件下，單層厚度對(duì)產(chǎn)生滑移—彎曲變形的那部分巖層整體抗彎剛度影響不大，而潰屈深度(彎曲層數(shù)×層厚)對(duì)斜坡滑移—彎曲巖層整體抗彎剛度及最終潰屈狀態(tài)起決定性作用。

(4)斜坡潰屈臨界坡長(zhǎng)隨著巖層傾角的增加而減小，呈現(xiàn)負(fù)冪函數(shù)變化趨勢(shì)。巖層傾角相同時(shí)，單層厚度小的所需臨界坡長(zhǎng)也小，但是單層厚度對(duì)臨界坡長(zhǎng)的影響不大，其主要影響因素是巖層潰屈深度。當(dāng)斜坡高度和巖層傾角相同的條件下，不同層厚的順層斜坡的潰屈深度和臨界坡長(zhǎng)基本一致。

(5)在坡長(zhǎng)相同的情況下，斜坡潰屈層數(shù)(潰屈深度)隨著巖層傾角的增大而增加。潰屈深度相同的情況下，巖層傾角越大，越容易產(chǎn)生潰屈破壞。

(6)順層斜坡潰屈的早期識(shí)別包括地質(zhì)條件和力學(xué)條件分析識(shí)別。地質(zhì)條件為中軟巖順層斜坡，存在軟弱夾層，層厚不大于2.0m、巖層傾角20°～50°且不小于斜坡坡度。力學(xué)條件可通過(guò)理論分析推導(dǎo)的滑移—彎曲變形的力學(xué)判據(jù)進(jìn)行分析。

(7)對(duì)于巖性(彈性模量)和滑移面力學(xué)強(qiáng)度的影響還有待進(jìn)一步研究。一般來(lái)說(shuō)主要發(fā)生于泥灰?guī)r、砂板巖、千枚巖、頁(yè)巖等中軟巖，潛在滑移面指存在軟弱夾層。

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EARLY RECOGNITION AND MECHANISM OF CREEP-BUCKLING OF BEDDING SLOPE

TANG Minggao①M(fèi)A Xu①ZHANG Tingting①HUANG Runqiu①LI Jiuqian②

(①State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection(Chengdu University of Technology)，Chengdu610059)(②Institute of Survey and Design of Sichuan Jiaotong， Chengdu610017)

This paper analyzes the mechanism of buckling failure(slipping-bending) of the bedding slope. It uses physical mechanism model， numerical simulation and theoretical analysis. It presents the forming geological and mechanical conditions， the critical failure state discrimination and early identification marks of buckling failure. It finds that the rock stratum dip angle greater than 20°is a very important geological conditions for the formation of slipping-bending. The curved uplift in the leading edge of the slope is an early sign before buckling failure. The dip angle of rock slope， the single layer thickness， the critical slope length and the depth of the buckling interact each other. The larger the rock dip angle， the more prone to produce the slipping and bending， and the more the number of layer and depth of buckling. There is a change law of negative power function between the critical slope length and the rock stratum dip angle. The flexural rigidity of bending layer and the buckling depth of bedding slope are influenced by the co-bending effect produced by the interlayer bonding. The co-bending effect plays a key role on the ultimate buckling of the bedding slope. The results have an important value for early prevention and recognition of geological hazard．

Geological hazard， Bedding slope， Creep-buckling failure， Early recognition， Experiment of bottom friction， Numerical simulation

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.014

2015-09-09;

2016-01-17.

973計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB733202)，國(guó)電猴子巖水電科研專題，中國(guó)電建集團(tuán)科技項(xiàng)目(AQ2013-01-01)資助.

湯明高(1978-)，男，博士，副教授，主要從事工程地質(zhì)與巖土工程教學(xué)科研. Email: tomyr2008@163.com

P642.22

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