緩傾軟硬相間邊坡破壞機(jī)理的物理模擬研究

車彥良,周 驥

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025)

軟硬相間巖層是由具有不同力學(xué)參數(shù)的層狀巖體組成的復(fù)合巖體。這種復(fù)合巖體的變形破壞不取決于某一層巖體的變形破壞，而是與組成復(fù)合巖體的各巖層巖性的變形破壞、巖層面傾角和巖性的厚度比相關(guān)的[1]。在軟硬相間層狀巖體的變形破壞研究方面，魏玉峰[2]等以白龍江苗家壩水電站庫區(qū)巨型滑移-彎曲破壞模式的何家滑坡為例,分析了軟硬相間層狀斜坡產(chǎn)生滑移-彎曲模式變形破壞的成因機(jī)制。陳小婷等[3]以涪陵巖上危巖體與云陽云江路高邊坡為例,分析了塑流-拉裂型與壓致-拉裂型斜坡的變形控制因素為厚層軟基與薄夾層。由此可以看出，斜坡變形破壞與斜坡的巖體結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，軟弱巖層的厚度以及它所處的位置，都對(duì)層狀巖體的變形破壞有著很大影響。在運(yùn)用底摩擦試驗(yàn)研究邊坡破壞機(jī)理方面，馮文凱等[4]針對(duì)某高速公路緩傾角順層巖質(zhì)高邊坡,利用底面摩擦法分巖層緩傾坡外和緩傾坡內(nèi)兩種情況,再現(xiàn)了邊坡變形破壞的全過程,并對(duì)不同階段的變形及最終破壞機(jī)制進(jìn)行了深入分析。石豫川等[5]根據(jù)國道線某段緩傾角順層邊坡在公路施工開挖前后的變形破壞現(xiàn)象及特征,對(duì)其機(jī)制進(jìn)行了物理模擬研究。張登項(xiàng)、許強(qiáng)[6]采用底摩擦試驗(yàn)的方法，深入研究了錦屏一級(jí)水電站左岸壩肩邊坡的變形破壞模式。柴賀軍、肖文[7]在邊坡調(diào)查的基礎(chǔ)上,建立了具有軟弱基座的緩傾逆向邊坡的物理模型和力學(xué)模型,分析了在該類邊坡中陡傾結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡變形和穩(wěn)定性的控制作用,并對(duì)邊坡目前的發(fā)展階段、發(fā)展趨勢(shì)和最終的破壞方式進(jìn)行了研究與預(yù)測(cè)。蔣洋等[8]根據(jù)試驗(yàn)路段上下部有軟弱基座,上部為硬脆坡體的二元結(jié)構(gòu)典型挖方邊坡的特征,通過底摩擦模擬試驗(yàn),分析了該類邊坡的變形破壞機(jī)制及破壞原因。 綜上這些研究可以看出,底摩擦模擬試驗(yàn)在研究巖體穩(wěn)定性分析中應(yīng)用很廣泛,雖然不能定量表述邊坡巖土體的力學(xué)問題,但是能夠客觀反映巖土體變形破壞的演變過程和總體趨勢(shì)。

本文是以相似理論為基礎(chǔ),運(yùn)用底摩擦模型試驗(yàn)，對(duì)以旺隆匝道邊坡為例的緩傾軟硬相間巖層邊坡的變形破壞進(jìn)行深入研究;進(jìn)一步認(rèn)清緩傾軟硬相間巖層邊坡的變形破壞機(jī)制,為緩傾軟硬相間巖體邊坡破壞機(jī)理的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位于仁赤高速路沿線旺隆鎮(zhèn)收費(fèi)站匝道口旁，地理位置E105°53′44″、N28°30′3″，海拔310～320。交通較為便利。經(jīng)過詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查，旺隆邊坡整體呈砂泥巖互層，軟硬巖相間分布，坡向50°，巖層產(chǎn)狀195°∠4°，發(fā)育兩組節(jié)理裂隙，一組陡傾節(jié)理近平行于坡向，J1：45°∠72°，J2：130°∠80°。地層巖性為第四系殘坡積層(Q4dl+ell)、侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)，從新到老分述如下：①第四系殘坡積層(Q4dl+el)：主要分布于河岸斜坡上部表層，厚度0～1.5 m，黃褐、褐紅色粉質(zhì)黏土及崩落堆積層，粉質(zhì)黏土；崩落堆積層主要在斜坡下部堆積，結(jié)構(gòu)較松散，厚為0～3 m。②侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)：分布于整個(gè)研究區(qū)，暗紫色夾紫灰、綠灰色細(xì)粒以及多呈厚層狀及巨厚層狀的砂巖與暗紫、紫紅色不等厚互層的泥巖。從實(shí)驗(yàn)得出，研究區(qū)泥巖天然容重為25.4 kN/m3，天然單軸抗壓強(qiáng)度為6.94 MPa，彈性模量為0.92×104MPa，泊松比為0.32，抗拉強(qiáng)度0.27 MPa，巖體抗剪強(qiáng)度C=1.03 MPa，Φ=26.68°；砂巖天然容重為25.8 kN/m3，天然單軸抗壓強(qiáng)度為34.53 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為26.19 MPa，彈性模量為2.79×104MPa，泊松比為0.2，抗拉強(qiáng)度1.06 MPa，巖體抗剪強(qiáng)度C=3.74 MPa，Φ=30.09°。見圖1。

圖1 斜坡地質(zhì)剖面圖

2 底摩擦試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

底摩擦試驗(yàn)?zāi)M屬于物理模擬的一種。物理模擬研究方法應(yīng)用于斜坡巖體的穩(wěn)定性分析起始于20世紀(jì)70年代。它具有兩個(gè)突出的意義：①能夠直接觀測(cè)和記錄研究對(duì)象的變形、破壞演變過程；②可以通過實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析獲得研究對(duì)象的變形演變過程中各階段的應(yīng)力分布狀態(tài)和由于變形與局部破壞導(dǎo)致的應(yīng)力重分布情況，故近年來有較大的發(fā)展。

底摩擦法是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模擬模型重力。其原理如下：將研究對(duì)象的剖面制成模型平放在環(huán)形活動(dòng)橡皮帶的平直段上并使原剖面的深度方向與X方向一致(圖2)，沿X方向轉(zhuǎn)動(dòng)橡皮帶，模型隨之移動(dòng)，在橡皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)方向有一固定框架，當(dāng)模型受到這一固定框架阻擋時(shí)，在模型與橡皮帶接觸面上每一點(diǎn)就形成摩擦阻力F=(P+γt)μ，其中P為作用于模型法向單位面積上的壓力;γ為模型材料的密度;t為模型的厚度;μ為模型與接觸面滑動(dòng)摩擦系數(shù)。根據(jù)圣維南原理，當(dāng)模型足夠薄時(shí)，認(rèn)為摩擦力均勻作用在整個(gè)厚度上，可以相當(dāng)于原型物體在天然狀態(tài)下受到的重力作用。

圖2 底摩擦模型試驗(yàn)原理示意圖

試驗(yàn)設(shè)備采用的是貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院的DMC-1000變頻調(diào)速底摩擦模型試驗(yàn)儀。見圖3。

圖3 自動(dòng)化底摩擦模型試驗(yàn)儀

2.2 模型制作

由于斜坡體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此模型很難完全滿足實(shí)際需要，在此對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化處理，只區(qū)分巖性的差異，對(duì)風(fēng)化與卸荷不作考慮。在選擇模型材料時(shí)要考慮:幾何條件相似、受力條件相似、摩擦系數(shù)相等等幾方面的因素，用正交設(shè)計(jì)確定試驗(yàn)材料的配比。首先查找資料，尋找已有資料與所要求力學(xué)參數(shù)接近的相似材料及其配比，然后根據(jù)資料確定并購買原料，確定合適的正交試驗(yàn)，測(cè)出正交試驗(yàn)的相似材料的力學(xué)參數(shù)，最終確定相似材料的配比。本次試驗(yàn)幾何條件相似系數(shù)取23，重度相似系數(shù)取1，摩擦系數(shù)相等，而在材料上則選用重晶石粉、石蠟油和石英砂來作為砂巖的相似材料，而泥巖則用重晶石粉、石蠟油和膨潤土作為相似材料。具體的配比見表1。

表1 試驗(yàn)材料配比表

2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

1) 第一階段，坡體壓密階段。試驗(yàn)開始之后，以1 r/min的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)10 min，防止模型底部與傳送帶有粘黏。等顯示儀上的數(shù)穩(wěn)定后，以6 r/min的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行30 min左右的時(shí)候，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谀Σ亮Φ淖饔孟聺u漸壓密，巖層開始慢慢閉合。

2) 第二階段，軟巖擠出階段。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，模型繼續(xù)被壓密，在試驗(yàn)進(jìn)行到2 h 10 min左右，在摩擦力作用下，由于坡體上下軟硬巖變形有差異，位于坡腳的軟巖比其它地方的巖體壓縮變形更明顯，在下層的軟硬巖層面發(fā)生明顯的塑性變形，并且少量的軟巖向坡外擠出。

3) 第三階段，裂縫發(fā)展階段。隨著試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，在試驗(yàn)進(jìn)行2 h 35 min的時(shí)候，在軟硬巖的層面開始出現(xiàn)裂縫，并不斷向上發(fā)展，這是由于軟巖在上覆巖層的重力作用之下被壓縮和向臨空方向擠出，導(dǎo)致上覆巖層被拉裂，產(chǎn)生拉裂縫。

4) 第四階段，裂縫貫通與破壞階段。試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，裂縫逐漸貫通，同時(shí)裂縫也在不斷變寬。隨著裂縫的貫通，最靠近臨空面的巖體先垮下來，隨著試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，里面的裂縫不斷變寬，巖體向臨空面發(fā)生傾倒破壞，堆積于坡腳。見圖4～圖7。

圖4 原始底摩擦試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖5 模型出現(xiàn)裂縫

圖6 模型裂縫貫通

圖7 破壞后的模型

3 結(jié) 論

1) 斜坡具有軟硬相間的巖體結(jié)構(gòu)特征，硬巖為暗紫色夾紫灰、綠灰色細(xì)粒的砂巖，軟巖為暗紫、紫紅色不等厚的泥巖。

2) 斜坡破壞模式為壓縮-拉裂-傾倒的破壞模式，下部軟巖在重力作用下發(fā)生比硬巖更大的壓縮變形并向外擠出，導(dǎo)致上部硬巖底部拉裂，拉裂縫不斷發(fā)展進(jìn)而貫通，裂縫也在發(fā)展的時(shí)候不斷變寬，最后發(fā)生傾倒破壞。

3) 由于條件的限制，底摩擦試驗(yàn)沒有考慮風(fēng)化、卸荷和水的作用，希望在以后會(huì)有方法解決這些問題。