基于離心試驗(yàn)的邊坡傾倒變形下彎折帶演化特征

鄭 達(dá) ，唐勁松

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059）

傾倒變形是層狀或似層狀反傾巖體在重力及地應(yīng)力等各種綜合營(yíng)力作用下，向臨空方向發(fā)生的彎曲、折斷現(xiàn)象. 國(guó)外學(xué)者Goodman 等[1]最先對(duì)傾倒變形進(jìn)行歸納研究，并將其分為次生傾倒、彎曲傾倒、塊狀傾倒、塊狀彎曲傾倒4 種基本類型.

目前，對(duì)邊坡傾倒變形的研究很多是通過(guò)案例分析去揭示其影響因素與形成機(jī)理. 黃潤(rùn)秋等[2]在總結(jié)大量工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，研究了空間分布、地層巖性、坡高、坡度、巖層傾角等因素對(duì)反傾邊坡傾倒變形的影響，提出了傾倒變形分級(jí)的工程地質(zhì)模型及其量化指標(biāo). Alejano 等[3]以某露天采礦邊坡為例，采用有限元方法揭示了該處邊坡傾倒-滑動(dòng)的復(fù)合變形機(jī)制與過(guò)程. 張丙先[4]以西藏玉曲河下游岸坡為例，揭示了該處岸坡傾倒變形破壞的典型模式及其成因機(jī)制. 同時(shí)，很多學(xué)者選擇了物理模擬的方式去研究?jī)A倒變形的演化過(guò)程[5-8]. Goricki 等[9]結(jié)合底摩擦試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，研究了反傾巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)模式及變形機(jī)理. 吳昊等[10]采用平板玻璃作為相似材料模擬傾倒變形的發(fā)育模式，并建立了破裂面位置的確定方法. 李祥龍等[11]基于離心機(jī)動(dòng)力試驗(yàn)研究了反傾層狀邊坡的動(dòng)力響應(yīng)和破壞機(jī)理.

筆者曾以古水水電站壩前傾倒變形體為原型邊坡，采用離心機(jī)模擬試驗(yàn)手段揭示了反傾巖質(zhì)邊坡深層傾倒的成災(zāi)模式，提出臨空條件的改變是邊坡傾倒變形發(fā)生失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵致災(zāi)因子[12]. 但由于試驗(yàn)樣本所限，其結(jié)論需要進(jìn)一步的驗(yàn)證和完善. 本次研究正是基于上述認(rèn)識(shí)，仍然以古水水電站壩前傾倒變形體為原型邊坡，嘗試通過(guò)坡度變化（55°、65° 與75° 共3 組模型邊坡）的試驗(yàn)對(duì)比分析，去驗(yàn)證臨空條件對(duì)反傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形的影響，同時(shí)期望可以在多個(gè)樣本的離心機(jī)試驗(yàn)中獲得邊坡傾倒變形彎折帶的演化發(fā)育過(guò)程與特征，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)邊坡傾倒變形的破壞模式，建立可靠的彎折帶深度計(jì)算方法提供依據(jù).

1 試驗(yàn)原型邊坡地質(zhì)背景

研究邊坡位于瀾滄江上游左岸，坡體走向?yàn)镹30°～50°W 傾向SW，坡角為30°～70°，分布于高程2 150～2 720 m. 邊坡在區(qū)域上位于飛來(lái)寺背斜西翼，地處瀾滄江深切高山峽谷區(qū)，兩岸山坡陡峻，岸坡巖體卸荷作用強(qiáng)烈. 研究區(qū)地層主要由三疊系上統(tǒng)紅坡組（T3hn）與二疊系下統(tǒng)吉東龍組（P1j；根據(jù)巖性組合可分為6 段P1j1～P1j6）構(gòu)成，巖性主要為變質(zhì)砂巖、板巖、灰?guī)r等.

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘探成果，古水水電站壩址區(qū)的傾倒變形由壩前至上游連續(xù)發(fā)育，最大變形深度達(dá)百余米. 已經(jīng)發(fā)生傾倒變形的巖體內(nèi)部可見(jiàn)明顯的折斷帶，部分伴有明顯的錯(cuò)落變形現(xiàn)象，折斷帶內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)松散、架空明顯. 基巖正常巖層產(chǎn)狀為N25°～35°W，NE∠70°～85°，傾倒變形體地表巖層產(chǎn)狀為N20°～30°W，NE∠25°～40°.

平硐編錄、分析結(jié)果表明，該變形體各部位變形類型不盡相同，主要可分為傾倒墜覆、傾倒蠕動(dòng)、傾倒-彎曲、傾倒-折斷4 種基本類型，如表1 所示. 且根據(jù)邊坡各部位傾倒變形發(fā)育程度可以將其劃分為：極強(qiáng)傾倒變形A 區(qū)、強(qiáng)傾倒變形B 區(qū)、弱傾倒變形C 區(qū)、正常巖體D 區(qū). 各分區(qū)傾倒變形發(fā)育概況如表2 所示. 圖1 為壩前傾倒變形體Ⅶ-Ⅶ地質(zhì)剖面圖.

圖1 壩前傾倒變形體Ⅶ-Ⅶ地質(zhì)剖面圖Fig. 1 Geological section view of the toppling deformation body Ⅶ-Ⅶ in front of the dam

表1 傾倒變形體的變形破裂類型Tab. 1 Deformation and rupture types of toppling deformation body

表2 各分區(qū)傾倒變形發(fā)育概況Tab. 2 General situation of toppling deformation development in each district

2 土工離心試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)設(shè)備采用成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TLJ?500 型土工離心機(jī)，其最大容量加速度500g時(shí)為1 t，有效半徑4 m，最大加速度250g. 100g下最大有效荷重5 t，250g下最大有效荷重2 t.

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

由于原型邊坡的地質(zhì)條件復(fù)雜，本次試驗(yàn)對(duì)模型邊坡進(jìn)行了概化. 3 組試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒y(tǒng)一采用70° 的巖層傾角，尺寸均為77 cm （底長(zhǎng)）×50 cm （寬）×56 cm（高）. 在邊坡高度，巖層層厚和邊界情況均不變的條件下，搭建坡角分別為55°、65° 與75° 的模型邊坡進(jìn)行試驗(yàn)（見(jiàn)圖2）.

本次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由LVDT （linear variable differential transformer）差動(dòng)式位移傳感器、巖石應(yīng)變片與PIV （particle image velocimetry）高速攝像機(jī)構(gòu)成. LVDT 差動(dòng)式位移傳感器布置在坡頂，其中LVDT1 布置在后緣、LVDT2 布置在中部、LVDT3布置在前緣，用于監(jiān)測(cè)模型邊坡豎向位移隨時(shí)間的變化情況（75° 邊坡由于傳感器故障未布置LVDT2）.巖石應(yīng)變片S1～S6 共6 個(gè)，布置在坡內(nèi)巖層背離坡面一側(cè)，監(jiān)測(cè)坡體內(nèi)部巖層的變形情況. PIV 高速攝像機(jī)安裝在離心機(jī)吊籃上與模型箱正對(duì)，可以比較直觀地記錄坡體的變形破壞過(guò)程. 模型邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)備具體布置情況見(jiàn)圖2.

圖2 模型設(shè)計(jì)（單位：cm）Fig. 2 Model design (unit: cm)

2.3 相似關(guān)系設(shè)計(jì)

土工離心試驗(yàn)是用離心力場(chǎng)模擬重力場(chǎng)，在n倍的離心加速度條件下，其可以彌補(bǔ)模型因縮尺1/n帶來(lái)的自重應(yīng)力損失，使模型重現(xiàn)原始邊坡的天然應(yīng)力狀態(tài)，并顯示與邊坡原型相似的變形破壞特征.

綜合考慮原型邊坡尺寸、離心機(jī)的容重限制、模型箱尺寸與離心機(jī)最大加速度限制等因素，確定試驗(yàn)采用的最大離心加速度為120g，試驗(yàn)幾何相似比CL=1/120（模型/原型）. 結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康?，選取幾何長(zhǎng)度、密度、彈性模量、加速度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角為主要相似參數(shù). 基于相似理論[13-14]，確定離心試驗(yàn)主要相似參數(shù)關(guān)系見(jiàn)表3.

表3 離心模型試驗(yàn)主要相似參數(shù)關(guān)系Tab. 3 Relationship of major similar parameters for centrifugal model tests

2.4 相似材料

模型試塊采用相似材料制作，其原型為二疊系下統(tǒng)吉東龍組（P1j）變質(zhì)砂巖. 選擇石膏、石英砂、水泥、硼砂水溶液作為巖石及層間黏結(jié)材料的基本原料，通過(guò)配合比試驗(yàn)，得到變質(zhì)砂巖與層間黏結(jié)材料相對(duì)應(yīng)的配合比[12]. 模型材料具體力學(xué)參數(shù)值見(jiàn)表4.

表4 原型及相似材料物理力學(xué)參數(shù)Tab. 4 Physical and mechanical parameters of prototypes and similar materials

2.5 加載方案

試驗(yàn)采用梯級(jí)加載方案. 首先穩(wěn)步將離心加速度提高到40g，穩(wěn)定5 min 后，以40g為一級(jí)繼續(xù)逐步提升離心加速度. 后一級(jí)加載，均在前一級(jí)加載結(jié)束5 min 后開(kāi)始. 當(dāng)離心加速度達(dá)到設(shè)計(jì)的最大加速度120g，穩(wěn)定10 min 后試驗(yàn)停止.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 邊坡傾倒變形現(xiàn)象分析

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)PIV 高速攝像機(jī)對(duì)模型邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得邊坡傾倒變形發(fā)展與彎折帶演化過(guò)程. 3 組邊坡由于坡角的不同，在變形程度與演化過(guò)程方面存在一定差異，但變形特征總體相似. 下面以75° 邊坡為例，分析3 組試驗(yàn)過(guò)程中邊坡傾倒變形演化的共同特征.

1） 試驗(yàn)初始階段，隨著離心加速度的增加，近坡面巖層在自重及上覆巖層壓力作用下開(kāi)始向臨空方向彎曲變形，模型邊坡整體出現(xiàn)前傾的趨勢(shì). 邊坡整體前傾為后緣巖體提供了變形空間，使得坡體后緣發(fā)生沉降. 此階段邊坡變形破壞主要表現(xiàn)為層間的剪切錯(cuò)動(dòng)（見(jiàn)圖3）.

圖3 初始彎曲變形Fig. 3 Initial bending deformation

2） 隨著變形的發(fā)展，巖層層間剪切錯(cuò)動(dòng)加劇，張拉效應(yīng)加強(qiáng)，坡頂開(kāi)始出現(xiàn)張拉裂縫. 巖層內(nèi)部張剪應(yīng)力不斷增大，產(chǎn)生張性剪切破裂. 此時(shí)坡體應(yīng)力不斷調(diào)整，坡腳巖層應(yīng)力不斷增大，逐漸成為坡體應(yīng)力的集中部位，首先發(fā)生折斷破壞. 上覆巖層由于坡腳巖層破裂失去了有效的支撐，允許變形空間增大、所受彎矩增強(qiáng)，產(chǎn)生劇烈的“傾倒-彎曲”. 在這一過(guò)程中，層內(nèi)張拉裂隙在坡體內(nèi)部最大撓曲部位急劇發(fā)展，坡腳巖層破裂面以參差階坎狀的形式自下而上漸進(jìn)延伸（見(jiàn)圖4）.

圖4 邊坡變形發(fā)展Fig. 4 Slope deformation development

3） 隨著巖層破裂面的延伸，巖層層間張拉效應(yīng)與切層的剪切效應(yīng)也更加強(qiáng)烈，坡頂張拉裂縫加深、加寬、數(shù)量增多，同時(shí)坡體內(nèi)部切層的剪脹破裂和剪切位移亦強(qiáng)烈發(fā)育. 最終，向上逐級(jí)延伸的破裂面與坡頂張拉裂縫貫通，形成貫通的彎折帶（圖5）.

圖5 一級(jí)彎折帶貫通Fig. 5 First-level bending belt penetration

彎折帶發(fā)育完全后，邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài). 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，由于模型邊界限制，邊坡在到達(dá)120g的離心加速度后未發(fā)生整體的滑坡或崩塌.

可見(jiàn)，3 組試驗(yàn)均表現(xiàn)出了共同的變形演化過(guò)程，即前緣傾倒→后緣下沉→傾倒加劇→巖體折斷破裂→彎折帶發(fā)育→貫通破壞的過(guò)程. 反傾層狀巖質(zhì)邊坡發(fā)生傾倒變形時(shí)，巖層破裂是從坡腳開(kāi)始，彎折帶以參差階坎狀的形式自下而上漸進(jìn)延伸直至貫通. 基于試驗(yàn)現(xiàn)象，可將邊坡傾倒變形彎折帶孕育過(guò)程總結(jié)為3 個(gè)階段：巖層彎曲變形、坡腳破裂-彎折帶向坡頂延伸、彎折帶貫通-坡體臨界失穩(wěn).

3.2 邊坡傾倒變形特征分析

雖然3 組邊坡傾倒變形彎折帶的演化過(guò)程總體相似，但是由于坡角不同，其變形程度及特征仍存在一定的差異. 從以下幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析：

1） 彎折帶發(fā)育深度及范圍

彎折帶上的點(diǎn)到坡面的水平距離從坡腳向上逐漸增大，取該距離的最大值作為邊坡傾倒折斷深度（圖6）. 試驗(yàn)后測(cè)量結(jié)果顯示，55° 邊坡的折斷深度為189.6 mm，65° 邊坡的折斷深度為214.8 mm，75°邊坡折斷深度為234.4 mm. 可見(jiàn)在其他條件不變的情況下，坡角越大彎折帶發(fā)育深度越深、變形范圍越大，彎折帶發(fā)育深度與坡角大小呈正相關(guān)關(guān)系.

圖6 邊坡傾倒后破壞形態(tài)Fig. 6 Destructive mode after slope dumping

2） 多級(jí)彎折帶發(fā)育狀況

與其他兩個(gè)坡度邊坡不同的是，75° 邊坡在形成一級(jí)彎折帶后，隨著離心加速度的增加，產(chǎn)生了新的次級(jí)彎折帶. 該次級(jí)彎折帶位于之前的一級(jí)彎折帶之上，其上的巖體傾倒程度加劇，巖層傾角進(jìn)一步變小，層內(nèi)張拉作用強(qiáng)烈，坡頂拉張裂縫的數(shù)量和幅度增加，同時(shí)伴隨臨空面附近的巖體折斷后向坡腳的崩落. 這種試驗(yàn)中出現(xiàn)的多級(jí)折斷面與古水水電站勘探平硐內(nèi)揭露的巖層多條破裂帶的現(xiàn)象相符.說(shuō)明在實(shí)際傾倒邊坡變形演化過(guò)程中，臨空面越陡，越有可能發(fā)生多級(jí)傾倒現(xiàn)象.

3） 邊坡傾倒折斷臨界加速度

圖7 記錄了3 組邊坡彎折帶發(fā)育關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的離心加速度值. 可見(jiàn)，若在離心加速度變化相同的情況下，坡度越緩的邊坡，發(fā)生傾倒至破壞所需的時(shí)間越長(zhǎng). 換句話說(shuō)，如果經(jīng)歷相同的時(shí)間過(guò)程，坡度越陡的邊坡越容易傾倒破壞.

圖7 彎折帶發(fā)育關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加速度值Fig. 7 Acceleration values of key nodes in development of bending belts

進(jìn)一步，取坡腳開(kāi)始破裂時(shí)的離心加速度值為坡體傾倒破壞的臨界加速度值，用以判斷邊坡發(fā)生傾倒破壞的難易程度. 在巖層傾角相同的條件下，坡角對(duì)反傾邊坡彎折帶發(fā)育的影響較為敏感，坡角越大邊坡發(fā)生傾倒折斷的臨界加速度越小，坡體越容易發(fā)生傾倒折斷破壞. 其原因可以從彎折帶的形態(tài)上分析：坡角越大彎折帶上覆巖層越厚，上覆巖層對(duì)坡腳壓力也相應(yīng)越大，隨著離心加速的增大，坡腳巖層更容易達(dá)到極限強(qiáng)度產(chǎn)生折斷破壞.

3.3 傾倒變形特征及其與原型的異同點(diǎn)

由模型試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，3 組邊坡均發(fā)生了明顯的傾倒變形現(xiàn)象. 從變形類型來(lái)看，主要為傾倒蠕動(dòng)、傾倒-彎曲與傾倒-折斷. 3 組邊坡變形范圍底界由于重力彎矩值較大均發(fā)生傾倒折斷破壞，產(chǎn)生傾向坡外的折斷帶，該折斷帶呈參差階坎狀，傾角位于30°～40°，與原型邊坡較為符合. 模型邊坡坡表巖體并未發(fā)生強(qiáng)風(fēng)化與強(qiáng)卸荷，因此模型邊坡淺層巖體破碎現(xiàn)象并不嚴(yán)重，但部分巖體仍存在崩落、墜覆現(xiàn)象. 從傾倒程度來(lái)看，3 組邊坡坡表已傾倒巖層傾角均位于20°～40°，與原型邊坡傾倒程度符合. 總體上模型邊坡傾倒破壞特征與原型邊坡較為一致.

3.4 位移數(shù)據(jù)分析

坡頂后緣、中部及前緣布置的LVDT 差動(dòng)式位移傳感器可以監(jiān)測(cè)坡體在傾倒變形過(guò)程中的豎向位移變化（75° 坡由于傳感器故障未布置LVDT2）.3 組邊坡位移隨時(shí)間的變化如圖8 所示.

圖8 模型邊坡位移曲線Fig. 8 Model slope displacement curves

對(duì)比分析各位移變化曲線可知：

1） 總體上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨離心加速度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，部分測(cè)點(diǎn)略有滯后，增長(zhǎng)趨勢(shì)呈階梯型. 其中后緣測(cè)點(diǎn)（LVDT1）與中部測(cè)點(diǎn)（LVDT2）變化趨勢(shì)相似. 試驗(yàn)開(kāi)始后，隨著離心加速度的增大，該兩處測(cè)點(diǎn)的豎向位移迅速陡增. 在第一個(gè)加載階段，即離心加速度為0～40g范圍內(nèi)，其變形量已達(dá)到各自總變形量的70%～85%，表明坡體中后部的變形以沉降變形為主，且主要發(fā)生在試驗(yàn)的前期.

2） 前緣測(cè)點(diǎn)（LVDT3）位于巖層傾倒區(qū)上方，其位移變化規(guī)律可以反映出邊坡傾倒變形發(fā)展與彎折帶演化過(guò)程. 初始階段坡體尚未發(fā)生明顯的傾倒變形，坡體位移主要表現(xiàn)為層間的剪切錯(cuò)動(dòng)，該部分位移曲線較為平緩. 隨著坡體變形逐漸加劇，坡腳巖層破裂，彎折帶開(kāi)始向坡頂發(fā)育. 當(dāng)彎折帶發(fā)育至坡頂與坡頂巖層張拉裂縫貫通時(shí)，位移曲線發(fā)生向上陡增后趨于平緩，說(shuō)明巖層此時(shí)已經(jīng)傾倒折斷，其破壞過(guò)程具有突發(fā)性.

從3 組邊坡前緣測(cè)點(diǎn)（LVDT3）位移突變值及其對(duì)應(yīng)的重力加速度可知（見(jiàn)表5）：邊坡傾倒變形的發(fā)展與彎折帶的演化過(guò)程，是一個(gè)應(yīng)變能逐漸積累的過(guò)程. 隨著離心加速度的增大，當(dāng)邊坡積累的應(yīng)變能達(dá)到某一值時(shí)，坡體發(fā)生整體折斷破壞，豎向位移突變. 對(duì)比3 組邊坡位移突變時(shí)的重力加速度值可見(jiàn)，隨著坡角的增大，邊坡發(fā)生傾倒折斷破壞的應(yīng)變能積累階段縮短. 位移突變數(shù)值反映了折斷破壞時(shí)釋放應(yīng)變能的多少，75° 邊坡由于能量多次釋放，且單次積累時(shí)間較短，故單次位移突變值相對(duì)較小.

表5 三組邊坡LVDT3 位移突變值及其對(duì)應(yīng)加速度值Tab. 5 Three sets of slope LVDT3 mutation displacement values and corresponding acceleration values

3.5 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)通過(guò)布置在坡內(nèi)巖層背離坡面一側(cè)的6 個(gè)巖石應(yīng)變片監(jiān)測(cè)坡體內(nèi)部巖層的變形情況，具體布置方式參見(jiàn)圖2. 試驗(yàn)后結(jié)合邊坡傾倒破壞特征與應(yīng)變片布置部位可知，在3 組邊坡中應(yīng)變片S1、S2、S5 距各自彎折帶較近，S4 位于彎折帶上方傾倒區(qū)中較為靠近彎折帶，S3、S6 位于彎折帶下方未傾倒區(qū)與彎折帶距離較遠(yuǎn).

模型邊坡應(yīng)變曲線如圖9 所示.對(duì)比分析圖9 中各應(yīng)變變化曲線可知：

圖9 模型邊坡應(yīng)變曲線Fig. 9 Model slope strain curves

1） 從曲線形態(tài)上來(lái)看，應(yīng)變曲線S1 與S5、S2與S4、S3 與S6 有較為相似的變化趨勢(shì). 原因主要有兩點(diǎn)：第一，彎折帶附近與彎折帶距離大致相同的部位，其巖層內(nèi)裂縫發(fā)育程度類似，故彎折帶附近與彎折帶距離大致相同的應(yīng)變片，其應(yīng)變曲線具有較為相似的變化趨勢(shì)；第二，以彎折帶所在區(qū)域?yàn)榻?，將坡體分為彎折帶上方傾倒區(qū)、彎折帶所在區(qū)域與彎折帶下方未傾倒區(qū)3 部分，位于同一區(qū)域的巖層，其變形模式類似，故處于同一區(qū)域的應(yīng)變片，其應(yīng)變曲線亦具有較為相似的變化趨勢(shì).

上述應(yīng)變片中S1 與S5 距彎折帶最近，其應(yīng)變曲線是所有曲線中變化最劇烈的，反映出彎折帶所在區(qū)域是邊坡彎折、破碎最嚴(yán)重的區(qū)域；S2 與S4 所處位置較為靠近彎折帶且與彎折帶距離大致相同，其所處區(qū)域的巖層在邊坡傾倒變形過(guò)程中發(fā)育有大量裂縫，隨試驗(yàn)進(jìn)行，裂縫不斷發(fā)育、延伸，在應(yīng)變曲線中表現(xiàn)為該處應(yīng)變隨離心力增大而增大，曲線呈階梯型增長(zhǎng)趨勢(shì)；S3 與S6 位于彎折帶下方且距彎折帶最遠(yuǎn)，其所處位置為邊坡未傾倒區(qū)，該處巖層基本不發(fā)生傾倒變形，應(yīng)變曲線并未表現(xiàn)出隨離心加速度的增加而增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，在上覆巖層壓力及自重作用下，巖層向坡內(nèi)一側(cè)受壓，應(yīng)變曲線上甚至出現(xiàn)一定量的負(fù)值.

進(jìn)一步分析位于坡體傾倒變形范圍內(nèi)各應(yīng)變片的共同特點(diǎn)，這些應(yīng)變片相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變曲線并未表現(xiàn)出應(yīng)變速率隨時(shí)間增長(zhǎng)而緩慢增長(zhǎng)的漸變發(fā)展趨勢(shì)，而是在相對(duì)穩(wěn)定的變形過(guò)程中突然發(fā)生陡增，部分曲線甚至消失，說(shuō)明巖層的折斷破壞并不是一個(gè)漸變發(fā)展的過(guò)程，而是應(yīng)變能長(zhǎng)期積累與瞬間釋放的過(guò)程.

2） 雖然上述相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片其應(yīng)變曲線具有較為相似的變化趨勢(shì)，但是各應(yīng)變片在坡體內(nèi)的具體位置并不相同，其應(yīng)變曲線仍存在一定差異. 首先位于坡體下部的應(yīng)變片，其曲線發(fā)生突變的時(shí)刻總是領(lǐng)先于位于坡體上部的應(yīng)變片，說(shuō)明彎折帶的孕育是一個(gè)自下而上的過(guò)程；其次位于彎折帶上方的應(yīng)變片S4，其變形程度明顯大于位于彎折帶下方的應(yīng)變片S2，這也體現(xiàn)了彎折帶下方為邊坡未傾倒區(qū)，從彎折帶向下坡體變形逐漸收斂，而彎折帶上方為邊坡傾倒區(qū)，坡體變形相對(duì)較大.

3） 對(duì)比3 組邊坡各應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn): 3 組邊坡有一個(gè)共同的變形特征，即靠近坡腳部位的應(yīng)變片S1 其曲線總是最先出現(xiàn)突變，領(lǐng)先于位于坡體上部的應(yīng)變片S5，而應(yīng)變曲線S4 總是最后發(fā)生突變現(xiàn)象，體現(xiàn)了彎折帶的發(fā)育總是從坡腳開(kāi)始進(jìn)而向坡頂延伸，彎折帶所在區(qū)域是坡體最易發(fā)生傾倒折斷的區(qū)域.

4 彎折帶位置討論

通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的分析，可以進(jìn)一步對(duì)邊坡傾倒變形彎折帶發(fā)育位置進(jìn)行探討.

3 組試驗(yàn)成果顯示，邊坡傾倒變形產(chǎn)生的彎折帶是從坡腳開(kāi)始向坡頂以參差階坎狀的形式延伸的. 從剖面上看，該彎折帶趨近于一條直線，可用一條過(guò)坡腳的直線k0表示，稱作傾倒折斷的基準(zhǔn)線.過(guò)k0且走向與坡面走向一致的平面稱為基準(zhǔn)面K0（見(jiàn)圖10），該面以上為邊坡變形的傾倒區(qū)，該面以下巖體基本未發(fā)生傾倒變形. 若K0與層面法線i之間的夾角用θ來(lái)表示，則3 組試驗(yàn)所獲得的θ角幾乎是一致的. 具體是：55° 邊坡θ= 16°，65° 邊坡θ= 12°，75° 邊坡θ= 14°. 也就是說(shuō)，θ角不會(huì)隨坡角的變化而發(fā)生大的改變. 這一認(rèn)識(shí)與Adhikary等[8]關(guān)于傾倒變形基準(zhǔn)面與層面法線的夾角位于12°～20°的結(jié)論是相符的，筆者認(rèn)為這個(gè)角度在12°～16°.

圖10 彎折帶發(fā)育特征Fig. 10 Development characteristics of bending belts

反傾邊坡發(fā)生傾倒變形是需要條件的，只有位于傾倒變形基準(zhǔn)面上方的巖層才可能因傾倒發(fā)生失穩(wěn)破壞. 因此可以作出如下推斷：

對(duì)于反傾層狀巖質(zhì)邊坡，當(dāng)巖層傾角為β時(shí)，可以通過(guò)式（1）計(jì)算獲得 δ 的大小. 若坡角α<δ，則該邊坡整體位于傾倒折斷基準(zhǔn)面下方，可認(rèn)為此邊坡不會(huì)發(fā)生傾倒變形.

5 結(jié) 論

為揭示坡角對(duì)反傾層狀巖質(zhì)邊坡傾倒變形彎折帶發(fā)育特征的影響，采用離心模型試驗(yàn)，模擬了3 組不同坡角條件下反傾邊坡的傾倒變形過(guò)程，獲得了以下結(jié)論：

1） 反傾層狀巖質(zhì)邊坡發(fā)生傾倒變形時(shí)，彎折帶由坡腳開(kāi)始以參差階坎狀的形式向坡頂延伸直至貫通. 坡度陡的邊坡會(huì)在一級(jí)彎折帶上的已傾倒巖體中產(chǎn)生新的次級(jí)彎折帶，并以類似于一級(jí)彎折帶的發(fā)育方式向上延伸. 坡角越大越利于反傾邊坡傾倒變形的發(fā)育.

2） 邊坡傾倒變形彎折帶孕育過(guò)程具有明顯的階段性，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象可將其概化為以下幾個(gè)階段：巖層彎曲變形、坡腳破裂-彎折帶向坡頂延伸、彎折帶貫通-坡體臨界失穩(wěn).

3） 邊坡傾倒變形發(fā)育深度對(duì)坡角影響因素較為敏感，在其他條件不變的情況下，坡角越大彎折帶發(fā)育深度越深、變形范圍越大，彎折帶發(fā)育深度與坡角大小呈正相關(guān)關(guān)系.

4） 邊坡傾倒折斷基準(zhǔn)面k0與層面法線i呈θ角，本試驗(yàn)證明該角度位于12°～16°. 若反傾邊坡巖層傾角為β，當(dāng)坡角α小于基準(zhǔn)面k0與水平面的夾角δ時(shí)，邊坡很難發(fā)生傾倒變形.

致謝：感謝成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（SKLGP2015Z015）.