優(yōu)勢裂隙傾角對反傾巖質(zhì)邊坡變形影響分析

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(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點試驗室，四川成都610059)

目前在國內(nèi)外研究反傾巖質(zhì)邊坡的理論主要分為塊體極限平衡理論和懸臂梁理論。塊體極限平衡理論，即G-B法，由Goodman等人提出，將傾倒體視為離散的矩形條塊，在靜力極限平衡的基礎(chǔ)上分析傾倒體的危險性[1]。懸臂梁理論則是孫廣忠等人在大量實踐及室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上建立的理論，將反傾巖質(zhì)邊坡概化成均質(zhì)的、平直的懸臂巖層疊加形成的平面體[2]。蔡靜森等人基于極限平衡法和懸臂梁理論分析巖層破壞分區(qū)及力學(xué)模式，提出破壞形成是由彎曲拉裂作用和壓縮剪切共同作用[3]。無論是懸臂梁理論或者G-B法都可以在一定程度上簡化反傾巖質(zhì)邊坡的理論模型。但是，考慮到巖體同樣包含了各種角度的結(jié)構(gòu)面裂隙，而兩種理論并沒有考慮這一情況。所以，筆者通過底摩擦試驗在前人的基礎(chǔ)上進一步研究當(dāng)反傾巖質(zhì)邊坡存在不同角度的裂隙時，其破壞模式、規(guī)模是如何受到裂隙角度的變化發(fā)生變化的。

1 反傾巖質(zhì)邊坡變形破壞分區(qū)

在大量的野外調(diào)查和室內(nèi)試驗中可以發(fā)現(xiàn)[3-5]，反傾巖質(zhì)邊坡發(fā)生變形破壞時，像是反傾巖質(zhì)邊坡的上部巖層發(fā)生劇烈的彎曲傾倒變形，進而推動下部巖層，將其剪斷，使得下部巖層更傾向于發(fā)生剪切破壞的破壞模式。因此，反傾巖質(zhì)邊坡發(fā)生彎曲傾倒現(xiàn)象是有一定的空間分布規(guī)律的。從坡頂?shù)狡履_，其上部巖層發(fā)生傾倒彎曲的角度逐漸減小，發(fā)生的變形破壞模式也不盡相同[6]。

圖1 反傾巖質(zhì)邊坡分區(qū)

參考前人的研究[1],本文將經(jīng)過坡腳，且垂直于層面的平面設(shè)為基準(zhǔn)面0，見圖1。此時，邊坡內(nèi)部應(yīng)有如下變形特征：順著巖層i向內(nèi)，破壞面L的位置越靠近基準(zhǔn)面0，巖層i變形幾何空間越受限，破壞模式越趨向于剪切破壞模式；反之，破壞面L越遠(yuǎn)離基準(zhǔn)面0，巖層i變形幾何空間越不受限，破壞模式越趨向于彎曲傾倒導(dǎo)致的拉破壞模式。

本文將反傾巖質(zhì)邊坡分為前緣以剪切破壞為主導(dǎo)的剪切滑移區(qū)、中后部以傾倒變形破壞為主導(dǎo)的傾倒破壞區(qū)和傾倒變形影響區(qū)(圖1)。在邊坡發(fā)生變形破壞時，由于剪切滑移區(qū)的破壞面位置極為靠近基準(zhǔn)面0，且破壞面和基準(zhǔn)面之間的巖層段的變形位移量較小。故本文假定前緣剪切滑移區(qū)的破壞面以下部位為固定無變形，只發(fā)生破壞面上的剪切破壞。而對于傾倒破壞區(qū)以及傾倒變形影響區(qū)而言，其發(fā)生變形破壞則是巖石發(fā)生彎曲形變而產(chǎn)生的拉破壞。

2 裂隙傾角對反傾巖質(zhì)邊坡的變形分區(qū)影響分析

由于前緣剪切滑移區(qū)的應(yīng)力模式可以視作三軸壓縮試驗的應(yīng)力模式。因此，結(jié)合前人研究[8]可知，三軸試驗以及單軸試驗中，裂隙傾角在40°～50°時，巖石試樣的單軸抗壓強度達到最低。考慮前緣剪切區(qū)的應(yīng)力特征，對巖層單軸抗壓強度改變量最大的裂隙傾角θ應(yīng)滿足如下關(guān)系式：θ∈[π-(α+50°)，π-(α+40°)],其中α為巖層傾角。此時邊坡變形破壞影響深度達到最大，剪切滑移區(qū)的區(qū)域厚度和占比達到最大。由于此處所指的單軸抗壓強度σc是前緣剪切區(qū)的應(yīng)力模式下的單軸抗壓強度σc，故本文引入反傾巖質(zhì)邊坡強度折減度λ的概念，λ的值與單軸抗壓強度σc的值相等。

3 底摩擦試驗設(shè)計及結(jié)果分析

本文通過底摩擦試驗來進一步驗證裂隙傾角對反傾巖質(zhì)邊坡變形分區(qū)影響分析。試驗采用的設(shè)備是成都理工大學(xué)的底摩擦試驗儀器。該儀器優(yōu)點在于50檔可控轉(zhuǎn)速的橡皮傳送帶，完全滿足本次試驗對摩擦力的精度需求，不會出現(xiàn)因轉(zhuǎn)速驟增或驟減，導(dǎo)致的摩擦力劇烈變化現(xiàn)象，避免模型被破壞。試驗儀器見圖2。

圖2 底摩擦試驗儀

3.1 底摩擦試驗概述及模型設(shè)計

本次試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計如下：模型底寬80 cm，頂寬50 cm，邊坡坡度70°，巖層傾角70°，層厚2 cm。以坡面為基準(zhǔn)面，沿層面向內(nèi)每5 cm做1個控制點，作為預(yù)制裂隙的基準(zhǔn)點。在基準(zhǔn)點上刻畫不同傾角的裂隙，裂隙長度1 cm。由坡腳到坡頂層面編號C1—C35，可保證每1個基準(zhǔn)點處的預(yù)制裂隙在邊坡變形破壞過程中的應(yīng)力模式不會改變，從而控制預(yù)制裂隙分傾角為單一變量，保證試驗的合理性。最終模型制備完成見圖3。

圖3 模型制備完成

按照對巖層單軸抗壓強度σc改變量最大的裂隙傾角θ關(guān)系式可知，層面為70°時，θ∈[60°,70°]。為此，本次試驗設(shè)計裂隙傾角角度為50°、60°、70°、80°、90°作為對比組。

本次試驗采用的試驗材料為：石英砂、白蠟油以及重晶石粉。試驗室經(jīng)過多次試驗得出材料配比及主要力學(xué)參數(shù)見表1、2。試驗運行時采用單反相機定時拍照，拍照時間間隔為30 s。

表1 材料配比

表2 主要力學(xué)參數(shù)

3.2 變形分區(qū)劃分依據(jù)

根據(jù)試驗結(jié)果，有：①彎曲拉裂縫特征呈上寬下窄的倒三角形，且裂縫分布呈一定的垂直性分布，上下巖層傾角變化較大；②剪切裂縫無明顯的規(guī)律性厚度變化，分布密集，呈蜂窩狀，且上下巖層傾角變化較小，存在一定的位移錯動；③剪切滑移區(qū)的破壞面傾角相對于傾倒變形破壞區(qū)較??；④中部的傾倒破壞區(qū)和后部的傾倒變形影響區(qū)無明顯區(qū)分標(biāo)識，且不影響本文討論的前緣剪切滑移區(qū)相對傾倒破壞區(qū)和傾倒變形影響區(qū)的大小，故本文并未區(qū)分傾倒破壞區(qū)和傾倒變形影響區(qū)的巖層區(qū)域。

故本文綜合前人研究[9]，破壞面形態(tài)、巖層彎曲變形程度以裂縫形態(tài)及展布規(guī)律等特征劃分Ⅰ區(qū)(前緣的剪切滑移區(qū))和Ⅱ區(qū)(中后部的傾倒變形破壞區(qū)及傾倒變形影響區(qū))。最終5組模型破壞結(jié)果(圖4)，圖中紅色線條為模型變形破壞的最終破壞面，即變形影響最深處；黃色線條為Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)的分界線。

a )結(jié)果一

b)結(jié)果二

c)結(jié)果三

d)結(jié)果四

e)結(jié)果五圖4 5組模型破壞結(jié)果

3.3 底摩擦試驗結(jié)果分析

本文主要通過5組試驗?zāi)Ｐ偷淖冃纹茐挠绊懛秶?、傾角對3個變形區(qū)域范圍的影響、模型完全破壞時的運行時間3個方面來分析試驗結(jié)果。

a) 模型的變形破壞影響范圍。模型的變形破壞影響范圍主要體現(xiàn)在模型發(fā)生變形破壞的深度以及發(fā)生變形破壞的巖層數(shù)量上。經(jīng)統(tǒng)計，巖層平均破壞深度見表3。

表3 巖層平均破壞深度

由表可知，當(dāng)裂隙傾角θ∈(60°,70°)時，模型平均破壞深度遠(yuǎn)大于其他角度的模型的巖層破壞深度，并且在70°角時的破壞深度達到最大，最大值為14.55 cm。但是，5組試驗?zāi)Ｐ妥冃纹茐臅r的破壞范圍、破壞的巖層數(shù)目、破壞深度都不相同。故本文還考慮了模型每層巖層破壞深度，見圖5。

圖5 每層變形破壞深度

對5組模型變形破壞后的每層破壞深度進行統(tǒng)計。整體而言，模型破壞深度從大到小為傾角70°模型深度最大，傾角60°模型次之，然后是傾角80°的模型、傾角50°的模型。巖層在裂隙傾角θ∈(60°,70°)時，由于裂隙對其的強度折減達到最大，使得模型后緣在第1次破裂面出現(xiàn)后，仍繼續(xù)發(fā)生傾倒變形破壞，從而出現(xiàn)二級破裂面，導(dǎo)致巖層破壞厚度激增，出現(xiàn)圖5中60°和70°曲線的陡增現(xiàn)象。

同時，對模型發(fā)生變形破壞的巖層數(shù)量進行統(tǒng)計可知，傾角70°模型發(fā)生變形破壞的層數(shù)也達到最大，從巖層4—33，共計30層發(fā)生變形破壞。傾角60°模型次之，然后是傾角80°、50°的模型，見表4。

表4 變形破壞層數(shù)

綜上所述，當(dāng)裂隙傾角θ∈(60°,70°)時，邊坡強度折減度λ值達到最小，變形破壞影響深度達到最大，與預(yù)期相符。

b) 變形分區(qū)影響。前文已將傾倒邊坡發(fā)生變形破壞的區(qū)域分Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)。由于5個模型最終發(fā)生變形破壞的總巖層厚度各不相同，故各分區(qū)的厚度變化不能直接體現(xiàn)裂隙傾角對其厚度的影響。故本文討論的是各分區(qū)厚度相對于最終發(fā)生變形破壞的總巖層厚度的占比的變化趨勢。對每個模型的Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)的巖層厚度在發(fā)生變形破壞的總巖層厚度的占比進行統(tǒng)計，見表5。

表5 各分區(qū)巖層厚度占比

由表可知，Ⅰ區(qū)的占比隨裂隙傾角呈先增大后減小的趨勢，在裂隙傾角θ∈(60°,70°)時，Ⅰ區(qū)的占比達到最大。裂隙傾角θ=60°時，占比最大值為56.5%，隨后逐漸減小。由此Ⅰ區(qū)的占比與反傾巖質(zhì)邊坡強度折減度λ值呈負(fù)相關(guān)。Ⅱ區(qū)的占比隨裂隙傾角呈先減小后增大的趨勢，在裂隙傾角θ=60°時，Ⅱ區(qū)的占比最小值為43.5%，隨后逐漸增大。由此Ⅱ區(qū)的占比與反傾巖質(zhì)邊坡強度折減度λ值呈正相關(guān)。因此，裂隙傾角對各分區(qū)巖層占比影響符合預(yù)期。

c) 模型變形破壞耗時。模型發(fā)生變形破壞耗時與裂隙傾角對反傾巖質(zhì)邊坡強度折減度λ值呈負(fù)相關(guān)。即反傾巖質(zhì)邊坡強度值達到最小時，模型最終破壞時的耗時達到最大，見表6。

表6 模型最終破壞時間

經(jīng)分析，模型雖然發(fā)生變形破壞的耗時與反傾巖質(zhì)邊坡強度折減度λ值呈負(fù)相關(guān)，但也與Ⅰ區(qū)發(fā)生變形破壞的總巖層厚度的占比呈正相關(guān)。由前文分析可知Ⅰ區(qū)主要以壓-剪破壞為主，Ⅱ區(qū)主要以拉破壞為主。而一般來說巖體的抗壓強度最大，抗剪強度次之，抗拉強度最小[10-11]。故Ⅰ區(qū)占比越大，模型變形破壞的耗時也越大。因此，當(dāng)裂隙傾角θ∈(60°,70°)時，模型破壞耗時反而最長。

4 結(jié)論

a) 裂隙的存在使得巖體呈現(xiàn)非均質(zhì)各向異性的特性且裂隙的傾角不同對巖體強度的折減也是不同的。在反傾巖質(zhì)邊坡中，裂隙傾角θ滿足關(guān)系式：θ∈[π-(α+50°),π-(α+40°)](α為巖層傾角)時，對反傾巖質(zhì)邊坡的整體強度折減達到最大。

b) 本文主要將反傾巖質(zhì)邊坡變形區(qū)域分為前緣以剪切破壞為主導(dǎo)的剪切滑移區(qū)、中部以傾倒變形破壞為主導(dǎo)的傾倒破壞區(qū)以及后部以傾倒變形破壞為主導(dǎo)的傾倒變形影響區(qū)。當(dāng)裂隙傾角θ對反傾巖質(zhì)邊坡的巖體強度折減達到最大時，即反傾巖質(zhì)邊坡強度折減度λ值達到最小值時，前緣以剪切破壞為主導(dǎo)的剪切滑移區(qū)在反傾巖質(zhì)邊坡的破壞區(qū)域中的占比達到最大，呈正相關(guān)；而中部以傾倒變形破壞為主導(dǎo)的傾倒破壞區(qū)以及后部以傾倒變形破壞為主導(dǎo)的傾倒變形影響區(qū)的占比達到最小，呈負(fù)相關(guān)。

c) 反傾巖質(zhì)邊坡發(fā)生最終破壞需要的時間主要與前緣以剪切破壞為主導(dǎo)的剪切滑移區(qū)的占比有關(guān)。剪切滑移區(qū)的占比越大，模型破壞所需時間越多，反之模型破壞所需時間越少。

本文只討論了一組優(yōu)勢裂隙的傾角對反傾巖質(zhì)邊坡破壞的影響，而天然狀態(tài)下的邊坡內(nèi)部裂隙其分布極為復(fù)雜，也擁有不止一組優(yōu)勢裂隙組。為深入認(rèn)識優(yōu)勢裂隙傾角對反傾巖質(zhì)邊坡，后續(xù)還要展開相應(yīng)的多組優(yōu)勢裂隙傾角組合對反傾巖質(zhì)邊坡變形破壞影響。