基于物理模擬的某邊坡危巖體穩定性分析

翟崇　黃瑩　譚嬋娟

【摘 要】巖石邊坡通常具有復雜的地質結構和變形破壞機理， 其變形與失穩破壞是一個復雜的地質力學過程。本文以相似原理為基礎， 采用底摩擦試驗的方法深入研究了西南某巖質邊坡的變形破壞模式， 探索邊坡變形的內在聯系，進而對其穩定性進行了評價。

【關鍵詞】巖質邊坡；底摩擦試驗；相似原理；穩定性分析

0 前言

物理模擬研究方法應用于斜坡巖體的穩定性分析具有兩個突出的意義：能夠直接觀測和記錄研究對象的變形、破壞演變過程；可以通過實驗應力分析獲得研究對象的變形演變過程中各階段的應力分布狀態和由于變形與局部破壞導致的應力重分布情況。物理模擬試驗方法很多， 如光敏軟材料模型的光測應力分析、軟材料模型變形試驗、相似材料模型試驗、離心模型試驗等， 但上述模擬方法均不夠直觀，顯性不好， 也就是說需要進行繁瑣的計算或轉換。針對這種情況， 本文介紹一種重力作用下的邊坡穩定問題的底摩擦模型試驗模擬方法。

1 工程地質條件

研究邊坡地處貴州高原向湘西丘陵過渡地帶的北部邊緣，位于武陵山脈與大婁山山脈之間。邊坡主要受到溶蝕作用，地貌上體現為溶蝕低山，同時有部分侵蝕地貌分布。邊坡巖性主要為粉砂巖、泥頁巖和灰巖，受河流侵蝕作用，變形較大為地質災害提供了條件。根據出露的地層巖性及地下水在含水介質中的賦存特征，危巖體區地下水類型可分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水三類。

2 物理模擬

2.1 實驗設備簡介

本次試驗采用成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室和四川大學根據底摩擦試驗的基本原理，在多年探索和經驗積累的基礎上共同設計的一套全自動化底摩擦試驗儀，如圖1所示。儀器的模板尺寸為800mm×1000mm；調速范圍為0～100r/min；摩擦力為0～1000N。該儀器具有可以根據需要隨時調控橡皮帶的轉速；摩擦力可以直接從觀測儀上獲取；可根據試驗要求隨時增減橡皮帶轉速來調控摩擦力；試驗過程中可以隨時暫停以便觀察試驗的各個環節等優點。

圖1 底摩擦試驗儀

2.2 實驗原理

底摩擦試驗法主要基于相似原理，以摩擦力在摩擦方向上的分布與重力場相似的性質，利用模型和底面之間的摩擦力來模擬模型體積力（重力）[1]。模擬的原理簡圖如圖2。底摩擦試驗原理即將研究對象的剖面制成模型C，平放在可以持續移動的底板B上，并使原剖面的深度方向與底板移動方向X一致。隨著底板持續移動，模型也隨之移動。在底板移動方向有一固定框架，當模型受到這一固定框架D的阻擋時，在模型C與底板B接觸面BC上每一點就形成摩擦阻力F：

F=（p+γΜ t）μ

式中：p——作用于模型法向單位面積上的壓力；

γM——模型材料的容重；

t——模型的厚度；

μ——模型與橡皮帶接觸面滑動摩擦系數。[2]

圖2 底摩擦試驗原理示意圖

根據圣維南原理[3]，當模型足夠薄時，認為摩擦力均勻作用在整個厚度上，可以相當于原型物體在天然狀態下受到的重力作用。此外，模型試驗還需要在幾何條件、受力條件和摩擦系數等方面滿足相似原理[4]。

2.3 實驗過程及結果分析

試驗時，通過轉動模型下面的橡皮帶，使模型斜坡持續受到坡體應力的作用，同時用間斷拍照的方式記錄模型變形破壞發展的全過程。這種方法的特點是試驗可根據情況隨時暫停下來，以便觀測試驗過程的各個細節，這也是其他許多方法所不能辦到的。

上部灰巖中產生lf1、lf2和lf3三條裂縫，三條裂縫產生的原因基本相同，都是因為下部的泥頁巖在重力的作用下壓縮從而導致上部灰巖拉應力集中而產生。lf2發展到上部灰巖厚度的一半，這條裂縫控制斜坡整體變形破壞，隨著深度的不斷發展，將會發生塑流-拉裂[5]-剪斷式滑坡；lf3在坡肩部位存在拉應力集中，因此沿陡傾外裂隙產生拉裂，會在崖頂部位形成危巖體，進而發展成為崩塌，這與斜坡實際變形特征相符合。見圖3。

圖3 變形過程圖

3 穩定分析計算

邊坡穩定性受多種因素影響，穩定性系數的計算包括許多的邊界條件和物理力學參數，但準確的確定參數和邊界條件是相當困難的。邊坡目前存在三處明顯危巖體，本研究穩定性系數計算主要針對典型危巖體WY1、WY2和WY3，通過計算并分析它們的穩定性。危巖體穩定性系數的計算，目前尚未有合理的方法，此次穩定系數計算采用《巖土工程勘察設計手冊》和《三峽庫區危巖體穩定性計算方法及應用》中的計算方法來進行計算。

WY1、WY2和WY3，根據以上的數值和物理模擬以及實際情況判斷WY1和WY2為傾倒式破壞，而WY3為墜落式破壞。穩定性系數計算應考慮各種力的最不利組合。在雨季，張開的裂縫可能會有雨水填充，應考慮靜水壓力。在考慮以上因素的情況下，傾倒式崩塌危巖體穩定性系數采用《三峽庫區危巖體穩定性計算方法及應用》中的計算方法來進行計算。墜落式崩塌危巖體穩定性系數按照《巖（下轉第44頁）（上接第9頁）土工程勘察設計手冊》中的計算方法來計算。

該區地震基本烈度屬小于Ⅵ度區，地殼相對穩定，故本次穩定性計算不考慮地震力對危巖穩定性的影響。因此選擇自然和暴雨兩種條件作為穩定性計算的工況：

工況1：天然狀態下WY1、WY2和WY3均不考慮靜水壓力。

工況2、3、4：暴雨狀態下，WY1和WY2考慮裂縫充水高度達裂縫深度的1/4、1/2和2/3高度分別進行計算。WY3裂縫較狹窄且較淺并且在山體頂部，考慮暴雨時充水高度與裂縫深度相等。

4 結論

綜合斜坡和危巖體穩定性定性分析及定量分析結果，天然狀態下斜坡整體和危巖體都較為穩定，暴雨對穩定性影響較大，尤其是斜坡整體穩定性和WY1、WY2穩定性受到很大影響。主要因為水增加了巖石溶重，增加了斜坡下滑力，并且WY1和WY2受裂縫充水水壓力作用更容易發生失穩破壞。雖然WY3天然和暴雨狀態下穩定性都較好，考慮其三面臨空，頂部有裂縫，一旦裂縫發展到一定深度將會突然墜落破壞，危害較大。

【參考文獻】

[1]馮文凱，石豫川，柴賀軍，等.緩傾角層狀高邊坡變形破壞機制物理模擬研究[J].中國公路學報，2004，17（2）：32-36.

[2]袁文忠.相似理論與靜力學模型試驗[M].成都：西南交通大學出版社，1998.

[3]董云，黃湖鋒，柴賀軍，等.閻宗嶺土石混填路基變形破壞機制的底摩擦試驗模擬[J].中南公路工程學報，2006，31（4）：4-8.

[4]胡修文，唐輝明，劉佑榮.三峽庫區趙樹嶺滑坡穩定性物理模擬試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（12）：2089-2095.

[5]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理[M].北京：地質出版社，1981.314-346.

[責任編輯：張濤]