滑坡碎屑化運動物理模型相似材料特性研究

任占強，宋 章，林棋文，程謙恭,3，劉 毅，鄧凱豐，蒙 浩，涂 津

（1.西南交通大學地質工程系，四川 成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；3.西南交通大學高速鐵路運營安全空間信息技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 611756）

高速遠程滑坡是由大型巖崩或巖滑發(fā)展而來的體積巨大、運動距離極遠的超高速碎屑流，具有巨大的危害性，嚴重威脅著高山峽谷地區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全和工程建設活動，因此一直是國內(nèi)外學者研究的熱點和難點[1]。

物理模型試驗是研究高速遠程滑坡的重要手段之一。目前，對滑坡變形破壞模式及其穩(wěn)定性進行物理模型試驗的研究較多，學者們研制了多種類型的滑體相似材料。吳錦華等[2]在古滑坡泥灰?guī)r模擬相似材料試驗研究中以重晶石粉、石英砂、石膏和水為原料配制滑坡原巖相似材料，分析各因素對相似材料物理力學指標的影響規(guī)律；崔雪婷等[3]在研究用于黃土邊坡模擬的相似材料中，以黃土、河沙、石蠟油和水為原材料，并通過報恩寺滑坡的底摩擦試驗來驗證相似材料配比的可靠性；徐楚等[4]在水庫型滑坡試驗中以標準砂、滑體土、膨潤土和水為原料按照一定的比例制成模型相似材料，得到一種比較理想的水庫滑坡相似材料。肖先煊等[5]選用不同比例的碎石、黏土、砂來進行滑坡變形特征的物理模型試驗研究。但這些模型試驗相似材料的強度均比較高，只適用于特定條件下的滑坡物理模型試驗。目前也有用散體材料作為滑坡相似材料而進行室內(nèi)模型試驗的研究，如Sérgio[6]和Khosravi 等[7]選用不同粒徑的石英砂作為原材料，研究滑坡的破壞模式；Take 等[8]選用風化花崗巖土壤作為滑坡模型試驗的原材料，研究滑坡的形成機制。

由于高速遠程滑坡由于其巨大的體積和超遠的運動距離，在進行室內(nèi)小尺度物理模型試驗時，滑坡原型與模型的理論相似比極小，致使滑體相似材料的選取難以符合相似律并滿足試驗需求。王玉峰等[9-10]以謝家店子滑坡為原型，選用0.1～7 mm 棱角狀的石英砂作為滑坡-碎屑流模擬的相似材料，分析了高速遠程滑坡運動過程中碎屑流的裹氣流態(tài)化特性及堆積特征；郝明輝等[11]采用文家溝滑坡-碎屑流堆積物作為模型試驗材料，研究高速遠程滑坡-碎屑流的反粒序成因機制；鄭光等[12]在滑坡-碎屑流離心機斜槽試驗中，使用多種含水率的石英砂為原材料，模擬了不同重力條件下滑坡-碎屑流的運動過程；眭靜等[13]在研究碎屑流沖擊擋墻的力學模型試驗中選用單一粒徑的礫石作為模型材料，模擬碎屑流沖擊過程；Pulfer等[14]選用直徑為1.1 mm 的玻璃珠作為滑坡碎屑流的相似材料，研究顆粒的細觀運動過程及堆積形態(tài)。但這些模型試驗中選用的相似材料的初始狀態(tài)為碎屑流顆粒，與滑坡源區(qū)原巖的強度特性相比一般難以滿足相似率的要求。

另一方面，碎屑化過程是高速遠程滑坡運動時十分普遍的現(xiàn)象，是可能解釋滑坡遠程運動的潛在動力過程之一[15-19]。然而，極少有人在物理模型試驗中還原高速遠程滑坡的碎屑化過程，其主要原因在于相似材料配制的困難。目前常規(guī)的滑坡模擬相似材料，存在強度偏高、脆性較低等問題，無法模擬實驗室尺度下滑坡的解體破碎現(xiàn)象。Bowman 等[19]使用煤塊作為巖石相似材料，在離心機里模擬滑坡的撞擊破碎過程。由于煤塊的強度偏大，在50g重力條件下仍然只取得較低的破碎程度。Haug 等[20-21]使用土豆淀粉、石英砂等材料混合膠結，制成低強度巖石相似材料，用于塊體碎屑化過程斜板試驗。然而材料強度具有極大的不確定性和隨機性，影響了試驗結果的穩(wěn)定性。綜上所述，研制低強度高脆性巖石相似材料，使之適用于縮尺條件下滑坡碎屑化過程的模擬，是進行高速遠程滑坡碎屑化機理及其遠程運動效應研究的關鍵。然而至今尚未出現(xiàn)合理的巖石相似材料，即可在縮尺試驗中符合巖石的破碎特征，又具有足夠的強度穩(wěn)定性。

本文旨在提出一種適合于高速遠程滑坡碎屑化過程模擬的巖石相似材料。以重晶石、石英砂、羧甲基纖維素鈉、石膏、純凈水、甘油為原材料，混合配制巖石相似材料，通過相似材料的強度測試研究不同原材料配比對單軸抗壓強度、彈性模量、黏聚力以及內(nèi)摩擦角等相似材料力學參數(shù)的影響規(guī)律，建立兩者的擬合關系，從而提出適用于高速遠程滑坡縮尺物理模型試驗的、具有較低強度和較高脆性的巖石相似材料及其配比方案，以較好地模擬高速遠程滑坡運動過程中的破碎現(xiàn)象。

1 相似理論與材料模型

1.1 相似理論

相似理論是物理模型的基礎，進行物理模型試驗時要求模型與原型要滿足相似定律，即要滿足模型的幾何尺寸、邊界條件、荷載、材料的容重、強度及變形特性方面的相似[22]。根據(jù)量綱分析的方法確定相似判據(jù)[23]。

本文選取控制物理模型試驗設計的各主要物理量之間的關系為f（σ，E，ε，μ，c，φ）=f（l，γ，g），其中σ、E、ε、μ、c、φ、l、γ、g分別為應力、彈性模量、應變、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角、幾何尺寸、重度、重力加速度。

相似系數(shù)為模型與原型的比值，根據(jù)擬開展的高速遠程滑坡物理模型試驗，取幾何相似系數(shù)Cl=1/600，密度相似系數(shù)Cρ=1，重力加速度相似系數(shù)Cg=1，則計算可得該物理模型試驗中的主要物理量之間相似關系如表1所示。

表1 相似材料配制中主要物理量之間相似比Table 1 Ratios of the key parameters in the similar materials production

1.2 模型相似材料力學參數(shù)確定

對于模型相似材料力學參數(shù)的確定，不僅需要已知各物理量之間的相似比，而且還需要確定原巖的強度參數(shù)，根據(jù)相似原理，確定相似材料的強度參數(shù)范圍。大多數(shù)高速遠程滑坡由硬巖組成，以石灰?guī)r、砂巖、花崗巖為主要代表，以及部分巖性較為堅硬的變質巖。如謝家店滑坡滑體[24]巖性主要為正長花崗巖及黑褐色砂巖；西藏波密易貢滑坡[25-26]滑體由花崗巖、大理巖、板巖組成。四川茂縣新磨村高速遠程滑坡巖性主要為石英砂巖[27-28]，這些巖性的主要共同特點在于都具有較高的強度；其抗壓強度一般為100～250 MPa，黏聚力為30～50 MPa，內(nèi)摩擦角為45°～60°，彈性模量為40～69 GPa，泊松比為0.1～0.3。根據(jù)相似比可以得到模型相似材料的力學參數(shù)如表2所示。因此，根據(jù)相似定律，模型相似材料的力學參數(shù)在理論范圍內(nèi)即為符合高速遠程滑坡模型試驗要求。

表2 模型相似材料力學參數(shù)Table 2 The mechanical parameters of the similar materials

2 試驗準備

2.1 模型試驗材料的選取

根據(jù)相似原理可知，相似材料強度遠低于滑坡原巖的強度。綜合前人的研究成果[29-31]，本文采用重晶石、石英砂、石膏、羧甲基纖維素鈉、甘油按照一定的配比與水混合配制相似材料。重晶石、石英砂為骨料，石英砂的粒徑為60 目，重晶石粒徑為400 目；石英砂的作用是為了能夠更好地與石膏膠結，重晶石是用于控制相似材料的密度，二者混合后均勻性好，所得到的材料可以看作為均質材料。石膏作為膠結物與骨料有著良好的膠結特性，同時硬化后具有較高的脆性。甘油作為緩凝劑，防止在配制相似材料的過程中，由于烘干導致試樣失水過快而產(chǎn)生裂隙。羧甲基纖維素鈉廣泛應用于化工工業(yè)、食品工業(yè)等領域中，其作用為膠狀增稠劑、乳化劑等。在前期的嘗試性試驗中發(fā)現(xiàn)羧甲基纖維素鈉可以顯著提高材料的脆性、減少模型相似材料破碎后的粉塵，因此，在正式實驗中選用羧甲基纖維素鈉作為添加劑，其作用是增加顆粒之間的膠結程度，增加材料力學特征的穩(wěn)定性，從而控制材料的強度與脆性。

2.2 模型相似材料的試驗方案設計

相比于正交實驗，采用控制變量的方法，可以排除其它因素對試驗結果的干擾性，更加精確的判斷出每個因素與因變量之間的定量關系。因此，本試驗通過控制變量法，對不同配比條件下的相似材料的強度參數(shù)進行測試分析，從而研究不同原材料對巖石相似材料力學特性的影響。

試驗考慮重石比（A）、骨膠比（B）、羧甲基纖維素鈉含量（C）、拌合水量（D）、甘油含量（E）5 個因素，其中重石比是指重晶石與石英砂的質量比，骨膠比是指石英砂、重晶石的總質量與石膏的質量之比。每個因素設置5 個試驗水平共25 組試驗，其中羧甲基纖維素鈉、水、甘油為固體總質量的百分比，每組試驗制作5 個標準圓柱試樣和1 個矩形試樣分別進行單軸壓縮實驗和直剪實驗。以重石比7∶3、骨膠比30∶1、羧甲基纖維素鈉含量1.0‰、拌合水量22.50%、甘油0.5‰作為基礎工況，基于控制變量法，在其他四個因素不變的情況下，分析另一個因素對試驗結果的影響。例如在考慮重石比對試驗結果的影響時，則每組試驗的骨膠比、羧甲基纖維素鈉含量、拌合水量、甘油分別設定為30∶1、1.0‰、22.50%、0.5‰保持不變，重石比分別為10∶0、8∶2、6∶4 等。具體試驗方案見表3。

表3 模型相似材料配比方案Table 3 Matching schemes of the model materials

2.3 模型相似材料配制過程及試驗方法

配制質地均一的材料是試驗成功的關鍵，因此在配制過程的基本原則是盡可能進行精確測量和減少人為干擾。具體試樣配制過程為：（1）按照配比設計方案計算出每組試樣的原材料質量；（2）將稱取好的重晶石、石英砂、石膏、羧甲基纖維素鈉充分干拌混合均勻；（3）將添加有甘油的水加入到材料的混合物中充分攪拌，制成可塑性強的材料；（4）倒入到標準模具中振實成型并將其放置在45 ℃的烘箱中烘干12 h后成型脫模；（5）脫模后再放置在烘箱中烘干24 h，使試樣完全干燥。

相似材料的強度主要通過HTBW-1 彈性模量實驗機和電動四聯(lián)直剪儀測量得到。制作的試樣分別為直徑50 mm、高100 mm 和直徑61.8 mm、高20 mm的標準試樣。兩種標準試樣分別用于單軸壓縮試驗和直剪試驗。部分標準試樣見圖1。

圖1 部分標準試樣Fig.1 Part of the standard specimens

3 試驗結果及分析

3.1 模型相似材料試驗結果

待試樣完全干燥后，首先對每個試樣進行稱重和尺寸測量，計算出試樣的密度；隨后測量其物理力學參數(shù)。對于圓柱試樣，通過彈性模量試驗機測量試樣的單軸抗壓強度、彈性模量；對于矩形試樣，使用環(huán)刀和切土刀切出標準直剪試樣，通過電動四聯(lián)直剪儀測量標準直剪試樣在不同正向應力下的剪應力，進而求出試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角。試驗結果見表4。

表4 試驗結果Table 4 Experimental results

3.2 模型相似材料力學特性敏感性分析

采用控制變量的方法，考慮在不同水平下各因素對試驗結果的影響。對試驗數(shù)據(jù)結果進行敏感性分析，以此判斷各因素對模型相似材料的影響效應。其中敏感性分析是針對每一個因素采用極差和標準差作為評價指標，用于判斷各因素對模型相似材料力學特性的影響程度。通過對比不同因素的極差，可以分析出在試驗設置的水平范圍內(nèi)各個因素對試驗結果影響效應。標準差與極差作用相同，計算標準差是與極差的結果相互印證。

其中極差（R）、標準差（σ）的計算公式分別為：

式中：X—各物理參數(shù)；

μ—同一因素不同水平下各物理參數(shù)的均值。

（1）單軸抗壓強度

由圖2可知，在各因素的影響下，單軸抗壓強度分布范圍在0.115 4～1.473 MPa，其值隨各因素的變化趨勢為：①隨重石比中重晶石占比的減小，單軸抗壓強度變化范圍不大，但仍有先減小后增大的趨勢，在重石比為6∶4 左右達到最小值，其結果與周輝等[33]在低強高脆巖爆模型材料配比試驗研究中得到抗壓強度大小在石英砂重晶石含量為40%時抗壓強度均達到最小的結論基本相符。②在骨膠比為15∶1～35∶1的范圍內(nèi)，隨著骨膠比中骨料占比的增加單軸抗壓強度變化不大，當骨膠比達到40∶1 時，單軸抗壓強度略微減小。③隨著羧甲基纖維素鈉含量的增加，單軸抗壓強度呈指數(shù)增加，在羧甲基纖維素鈉含量為2.0‰時，單軸抗壓強度達到最大值。④隨著拌合水量的增加，單軸抗壓強度呈緩慢下降趨勢。⑤隨著甘油含量的增加，單軸抗壓強度變化不大，基本穩(wěn)定在0.25 MPa左右。

圖2 單軸抗壓強度敏感性分析Fig.2 Sensitivity analysis of the compressive strength

根據(jù)敏感性分析（表5），羧甲基纖維素鈉含量對單軸抗壓強度的影響最大，其極差和標準差均為最大；重石比對單軸抗壓強度的影響最小。各因素對單軸抗壓強度敏感性影響從大到小為：羧甲基纖維素鈉（C）＞拌合水量（D）＞甘油含量（E）＞骨膠比（B）＞重石比（A），即在試驗所采用的配比范圍內(nèi)，羧甲基纖維素鈉含量對單軸抗壓強度起控制作用。

表5 單軸抗壓強度敏感性分析Table 5 Sensitivity analysis of the compressive strength

（2）彈性模量敏感性分析

由圖3可知，彈性模量的分布范圍為25.51～148.12 MPa，隨各因素的變化趨勢為：①隨重石比中重晶石占比的減小，彈性模量先增大后減小，在重石比為6∶4 時達到最大值。②隨著骨膠比中骨料占比的增大，彈性模量先增大后減小，在骨膠比為30∶1 時，彈性模量為最大值，其結果與李光等[32]在原料組分對動力學相似材料性質影響的試驗研究中得到的結論一致。③隨著羧甲基纖維素鈉含量的增加，彈性模量呈線性增加。④隨著拌合水量的增加，彈性模量先增加后減小，在拌合水量為22.50%時達到最大值，此時的含水率有利于最大限度地發(fā)揮材料的強度特性。⑤隨著甘油含量的增加，彈性模量呈線性下降趨勢。

圖3 彈性模量敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis of elastic modulus

根據(jù)彈性模量敏感性分析可知（表6），羧甲基纖維素鈉含量對彈性模量的影響最大；重石比對彈性模量的影響最小。各因素對彈性模量敏感性影響從大到小為：羧甲基纖維素鈉（C）＞甘油含量（E）＞拌合水量（D）＞骨膠比（B）＞重石比（A）。

表6 彈性模量敏感性分析Table 6 Sensitivity analysis of the elastic modulus

（3）黏聚力敏感性分析

由圖4可知，黏聚力分布在1.63～87.39 kPa 之間，隨各因素的變化趨勢為：①隨重石比中重晶石占比的減小，黏聚力先增大后減小，在重石比為6∶4 時黏聚力達到最大值。②隨著骨膠比中骨料占比的增大，黏聚力先增大后減小，在骨膠比為35∶1 時達到最大值。③羧甲基纖維素鈉含量在0.0‰～1.0‰的范圍內(nèi)，黏聚力隨羧甲基纖維素鈉含量的增加而急劇增加；羧甲基纖維素鈉含量在1.0‰～2.0‰的范圍內(nèi)，黏聚力趨于穩(wěn)定，基本穩(wěn)定在60 kPa 左右。④隨著拌合水量的增加，黏聚力逐漸減小。⑤隨甘油含量的增加，黏聚力變化不明顯，基本穩(wěn)定在50 kPa左右。

圖4 黏聚力敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis of cohesion

根據(jù)黏聚力敏感性分析（表7），羧甲基纖維素鈉含量對黏聚力的影響最大；甘油含量對黏聚力的影響最小。各因素對黏聚力敏感性影響從大到小依次為：羧甲基纖維素鈉（C）＞骨膠比（B）＞拌合水量（D）＞重石比（A）＞甘油含量（E）。

表7 黏聚力敏感性分析Table 7 Sensitivity analysis of cohesion

（4）內(nèi)摩擦角敏感性分析

由圖5可知，內(nèi)摩擦角的分布范圍為22.70°～35.89°，隨各因素的變化趨勢為：①在重石比為10∶0～5∶5 的范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角隨著重石比中重晶石占比的減小先減小后增大，在重石比為6∶4 時達到最小值。②隨著骨膠比中骨料占比的增大，內(nèi)摩擦角先增大后減小。③羧甲基纖維素鈉、拌合水量和甘油對內(nèi)摩擦角的影響較小。

圖5 內(nèi)摩擦角敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of the internal friction angle

根據(jù)內(nèi)摩擦角敏感性分析可知（表8），重石比對內(nèi)摩擦角的影響最大，羧甲基纖維素鈉含量對內(nèi)摩擦角的影響最小。各因素對內(nèi)摩擦角敏感性影響從大到小依次為：重石比（A）＞骨膠比（B）＞甘油含量（E）＞拌合水量（D）＞羧甲基纖維素鈉（C）。

表8 內(nèi)摩擦角敏感性分析Table 8 Sensitivity analysis of the internal friction angle

4 討論

4.1 相似材料脆性分析

低強度高脆性的相似材料是高速遠程滑坡物理模型試驗的關鍵，而脆性特性是相似材料的重要特性之一，因此對材料的脆性特性分析十分重要。周輝等[33-34]總結現(xiàn)有的基于強度、應力-應變曲線、加卸載試驗、硬度等脆性指標，詳細分析這些指標在評價材料脆性時的局限性。為合理、準確評價材料的脆性程度，本文提出一種建立在應力-應變曲線峰值后應力下降相對大小的新的脆性指標。通過單軸和三軸壓縮實驗很好地驗證該脆性指標的可靠性。根據(jù)周輝等人的研究成果，選用這種新的脆性指標用來評價相似材料的脆性程度，可以真實反映材料的脆性特性。其中評價材料脆性程度大小的指標Bd的計算公式為：

式中:Bd—材料脆性指標；

τp—峰值強度；

τr—殘余強度；

Kac—從屈服起始點（A）到殘余起始點（C）連線的斜率。

Bd的取值范圍為0～1，其值越大脆性程度越高。由該公式得到各組試樣的脆性指標及敏感性分析見表9。

表9 脆性指標敏感性分析Table 9 Sensitivity analysis of the brittleness degree

由圖6可知，模型相似材料脆性指標分布范圍為0.033～0.145 之間，各因素對脆性指標的影響趨勢為：重石比對脆性指標的影響很小，其脆性指標在0.09 附近波動；隨著骨膠比中骨料占比的增加，脆性指標先增加再減小，在骨膠比為30∶1 時，脆性指標達到最大值；隨著羧甲基纖維素鈉含量的增加，脆性指標不斷增大，但在含量為2.0‰時出現(xiàn)異常小值。隨著拌合水量的增加，脆性指標先增大后減小，拌合水量為20.00%時，脆性指標達到最大值。隨著甘油含量的增加，脆性指標的變化趨勢很小，基本穩(wěn)定在0.06 左右。

圖6 脆性指標敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of the brittleness degree

根據(jù)脆性指標敏感性分析（表9），羧甲基纖維素鈉含量對脆性指標的影響最大，重石比的影響最小，各因素對脆性指標敏感性的影響大小為：羧甲基纖維素鈉（C）＞拌合水量（D）＞骨膠比（B）＞甘油含量（E）＞重石比（A）。

4.2 各因素對模型相似材料強度特性的影響

根據(jù)各個因素對相似材料各物理力學參數(shù)的標準差，對每個物理力學參數(shù)的標準差進行歸一化處理，歸一化處理后的標準差見表10。

表10 歸一化后的標準差Table 10 Standard deviation after normalization

由試驗結果分析可知，重石比主要控制模型相似材料的內(nèi)摩擦角，對黏聚力、彈性模量影響程度較小，對單軸抗壓強度、脆性指標的影響最?。辉斐蛇@種結果的原因主要是隨著重石比中重晶石占比的增加，試樣中石英砂的含量不斷增加，石英砂顆粒之間的咬和作用增強，從而影響試樣的內(nèi)摩擦角。

在本次試驗中骨膠比主要影響模型相似材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角，即模型相似材料的抗剪強度。對于模型相似材料的其他力學特性影響較小。其中骨料控制著材料的內(nèi)摩擦角，膠結物控制著材料的黏聚力。但是理論上骨膠比主要控制模型相似材料的單軸抗壓強度[35]，造成試驗結果與理論不一致的原因為：一方面是在本次試驗中骨膠比變化范圍為15∶1～40∶1，即骨膠比選取的范圍較小，因此骨膠比對單軸抗壓強度的影響效果未能體現(xiàn)出來；另一方面，羧甲基纖維素鈉對模型相似材料的單軸抗壓強度影響效果顯著，遠大于骨膠比對模型相似材料的影響。

羧甲基纖維素鈉是模型相似材料原材料中最重要的組成成分之一，它是影響模型相似材料的抗壓強度、彈性模量、黏聚力及脆性指標的首要因素。羧甲基纖維素鈉能夠顯著增加模型相似材料顆粒之間的黏結強度，因此對于材料的力學特性作用效果十分明顯。但是在羧甲基纖維素鈉含量為2.0‰時，脆性指標顯著下降產(chǎn)生異常值，這是由于當羧甲基纖維素鈉含量過高時，試樣在烘干的過程中，表面會形成一層堅硬且不透水的“保護層”，該“保護層”會阻止試樣內(nèi)部水分的蒸發(fā)，從而導致該組試樣數(shù)據(jù)值異常。

拌合水主要控制模型相似材料的脆性指標，對于模型相似材料的單軸抗壓強度影響很小。適當?shù)陌韬纤磕軌虺浞职l(fā)揮膠結物的粘結特性，從而影響模型相似材料的力學特性。試驗發(fā)現(xiàn)，20.00%～22.50%的拌合水量為最佳拌合水含量，此時的拌合水量方便試樣的制備，同時模型相似材料的脆性指標達到最大值。

甘油含量主要影響模型相似材料的彈性模量，隨著甘油含量的增加，彈性模量顯著下降。因此在配制相似材料的過程中甘油的含量選為0.5‰，這樣可以在不影響材料力學特性的前提下，避免試樣在烘干的過程中產(chǎn)生裂隙，影響材料的力學特性。

4.3 相似材料破碎效果驗證

本次試驗的目的在于配制出適用于高速遠程滑坡碎屑化過程室內(nèi)物理模型試驗的巖石相似材料。相似材料必須滿足模型試驗中相似比的要求，表11列出了根據(jù)相似比所確定的相似材料強度參數(shù)理論值以及配比試驗中所有材料的實測值。

表11 相似材料理論值與試驗值Table 11 Theoretical and experimental values of similar materials

由表11可知，相似比為1∶600 時，實驗室尺度內(nèi)滿足相似條件的材料強度范圍分別為：抗壓強度0.17～0.42 MPa、黏聚力50.0～83.3 kPa、內(nèi) 摩擦角45.0°～60.0°、彈性模量66.7～115.0 MPa，而試驗制作的相似材料的各個強度指標大多在這一合理區(qū)間內(nèi)。但內(nèi)摩擦角實測值與理論值相差較大，根據(jù)試驗結果可知道，重石比對于相似材料的內(nèi)摩擦角影響較大，25 組工況中內(nèi)摩擦角的實測值較理論值偏小，可以通過適當調(diào)節(jié)重石比來調(diào)節(jié)材料的內(nèi)摩擦角，使得材料的內(nèi)摩擦角滿足理論值。

另一方面，由于高速遠程滑坡運動過程中，巖石的破碎具有明顯的脆性特征，具有動力破碎屬性[36]。因此，為更真實地模擬滑坡碎屑化過程，巖石相似材料需滿足脆性斷裂特性，能夠在實驗室尺度下產(chǎn)生脆性破碎。通過強度測試確定出最適合模型試驗的材料配比，其中配比為重石比7∶3、骨膠比30∶1、羧甲基纖維素鈉含量1.0‰、拌合水量22.50%、甘油含量0.5‰最終選定用于試驗的材料，即最優(yōu)配比。

選用最優(yōu)配比下的試驗材料進行了室內(nèi)斜板試驗，結果見圖7。可以看出，相似材料塊體在斜板上加速下滑，撞擊底板后碎裂，碎塊繼續(xù)運動并停積在平板上。室內(nèi)斜板試驗巖石相似材料的破碎特征與巖石的破碎特征具有一致性，即脆性斷裂破碎，因此該相似材料可以作為室內(nèi)模型試驗的巖石相似材料，即在相似比為1∶600 時，最優(yōu)配比情況下制作的相似材料適用于室內(nèi)模擬大型巖質高速遠程滑坡。該相似材料具有制作方便、力學性能穩(wěn)定并且相似性好的特點，但遇水強度會發(fā)生改變，因此該相似材料不適用有水作用下的模型試驗。

圖7 破碎效果圖Fig.7 Picture of the crushing effect

5 結論

（1）試驗結果發(fā)現(xiàn)所有配比情況下各相似材料物理力學參數(shù)的范圍分別為：單軸抗壓強度在0.12～1.47 MPa 之間，彈性模量在25.51～148.12 MPa 之間，黏聚力在1.63～87.39 kPa 之間，內(nèi)摩擦角在22.70°～35.89°之間。

（2）重石比主要控制巖石相似材料的內(nèi)摩擦角，當重石比為6∶4 時，內(nèi)摩擦角取極小值22.70°；骨膠比中骨料占比減小，對應的黏聚力和內(nèi)摩擦角先增大后減小，骨膠比為35∶1 時，黏聚力達到極大值79.1 kPa；骨膠比為40∶1 時內(nèi)摩擦角達到極大值33.1°；羧甲基纖維素鈉對材料的單軸抗壓強度、彈性模量、黏聚力等材料的力學特性影響均比較大，其中對單軸抗壓強度的影響最大。其中，隨羧甲基纖維素含量從0.0‰到2‰增加時，材料單軸抗壓強度迅速從0.12 MPa 單調(diào)遞增到1.47 MPa，彈性模量從52.28 MPa 單調(diào)遞增到128.12 MPa，黏聚力從1.63 kPa 近似單調(diào)遞增到63.99 kPa；甘油含量的增加（0.0‰～20.0‰）則顯著抑制了巖石相似材料的彈性模量。

（3）相似材料的脆性指標主要分布在0.033～0.145之間，其中羧甲基纖維素鈉以及拌合水量對材料的脆性指標影響最大。

（4）所配制的巖石相似材料具有低強度高脆性特征，滿足縮尺試驗的相似比要求，適用于高速遠程滑坡碎屑化過程的物理模型試驗。