三段式巖質(zhì)邊坡鎖固段破壞試驗(yàn)研究
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唐 鵬，陳國(guó)慶，冉 耀，王潤(rùn)平，路曉東，黃博睿
（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059）
[摘要]三段式滑坡是我國(guó)西部地區(qū)的一種典型巖質(zhì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害，它的穩(wěn)定性主要受控于鎖固段。運(yùn)用二維地質(zhì)力學(xué)加載系統(tǒng)對(duì)三段式滑坡進(jìn)行物理模擬研究，再現(xiàn)了三段式滑坡蠕滑-拉裂-剪斷變形破壞全過(guò)程，對(duì)鎖固段的變形-破壞全過(guò)程進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，從定性和定量的角度對(duì)鎖固段變形破壞進(jìn)行了研究分析。結(jié)果表明：鎖固段的破壞是脆性剪切破壞，鎖固段上端的橫向應(yīng)變和下端的縱向應(yīng)變對(duì)鎖固段破壞的預(yù)測(cè)有指導(dǎo)意義。
[關(guān)鍵詞]邊坡；滑坡；鎖固段；試驗(yàn)；物理模擬
[中圖分類號(hào)]P642. 22 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)07-0095-04
0 引言
三段式滑坡是我國(guó)西部地區(qū)的一種典型巖質(zhì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害。2008年發(fā)生在四川省北川縣通口河引起堰塞湖的唐家山滑坡、重慶奉節(jié)引起地質(zhì)體異常的大三馬山滑坡、西河水庫(kù)滑坡、黃河龍羊峽水電站近壩庫(kù)岸河段的查納、龍西等大型滑坡及四川溪口滑坡都是三段式滑坡的典型代表。三段式滑坡由于鎖固段應(yīng)力積累后突然釋放，常常表現(xiàn)為高速遠(yuǎn)程滑坡，對(duì)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和重大工程建設(shè)構(gòu)成極大威脅。
三段式滑坡的巖體結(jié)構(gòu)面具有明顯的三段式特征，邊坡變形破壞過(guò)程為“滑移-拉裂-剪斷”三段式模式。結(jié)構(gòu)面下段由于軟基效應(yīng)而蠕滑，引起結(jié)構(gòu)面上段產(chǎn)生自頂部向下的拉裂，使得巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性完全受控于鎖固段。在坡體自身重力作用下，隨著時(shí)間推移，應(yīng)力不斷積累，鎖固段應(yīng)力集中越來(lái)越明顯，最終剪斷破壞，形成危害極大的高速遠(yuǎn)程滑坡。由此可見(jiàn)，探明鎖固段的破壞機(jī)制對(duì)三段式滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從數(shù)值模擬角度對(duì)其進(jìn)行了大量研究，劉軼引入連續(xù)損傷結(jié)構(gòu)模型，確定了鎖固段的損傷本構(gòu)方程；Eberhardt等和Guglielmi等利用CWFS本構(gòu)模型模擬了大型巖質(zhì)邊坡鎖固段的破壞過(guò)程。試驗(yàn)研究方面，多是針對(duì)巖橋進(jìn)行諸如直剪試驗(yàn)的簡(jiǎn)單力學(xué)試驗(yàn)。因此，對(duì)巖質(zhì)邊坡鎖固段建立物理力學(xué)模型進(jìn)行研究很有必要。
黃潤(rùn)秋研究指出，三段式滑坡坡體的主體部分由相對(duì)均質(zhì)的脆性巖體或半脆性巖體構(gòu)成，坡腳發(fā)育近水平或緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面。整個(gè)斜坡巖體以堅(jiān)硬巖體為主，夾有相對(duì)較薄的軟弱夾層。本文以此為原型，對(duì)三段式滑坡進(jìn)行二維地質(zhì)力學(xué)物理模擬研究，監(jiān)測(cè)其變形一破壞全過(guò)程的應(yīng)變特征，著重對(duì)其鎖固段的變形破壞過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)分析，為更加合理地描述鎖固段破壞機(jī)制及巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。
1試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)
1.1 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
模型設(shè)計(jì)為五邊形棱柱體，坡角700，其他尺寸參數(shù)如圖l所示。整個(gè)模型為相對(duì)均質(zhì)的脆性巖體，填充材料分為I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4個(gè)部分（見(jiàn)圖1）。其中，第Ⅳ部分為主體部分，也是模型中強(qiáng)度最高的部分；第Ⅱ部分為“鎖固段”，為顯示其對(duì)整個(gè)滑坡的控制作用，并且要滿足滑坡時(shí)的脆性破壞特征，其強(qiáng)度僅次于第Ⅳ部分；第1部分為滑坡過(guò)程中的“拉裂段”，強(qiáng)度低于第Ⅱ，Ⅳ部分；第Ⅲ部分為“蠕滑區(qū)”，強(qiáng)度最低，為整個(gè)模型中的軟弱基座。第1，Ⅱ，Ⅲ部分強(qiáng)度均低于主體部分，聯(lián)合構(gòu)成本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)面。
1.2模型材料選用
借鑒方輝成等對(duì)巖橋模型相似材料及其配合比選定標(biāo)準(zhǔn)的研究，選用石膏粉、石英砂、水泥和水4種材料進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)探索，最終確定了I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ各部分材料質(zhì)量配合比，如表1所示。
1.3模型制作與養(yǎng)護(hù)
模型制作是采用預(yù)先制備好的標(biāo)準(zhǔn)矩形木質(zhì)模具（內(nèi)部尺寸為30cm×30cm×5cm）進(jìn)行澆筑。模型結(jié)構(gòu)面所在位置用硬紙板填充定位，倒入攪拌均勻的第Ⅳ部分專配混合料，振搗密實(shí)。取出硬紙板，用相對(duì)應(yīng)的專配混合料對(duì)結(jié)構(gòu)面各段進(jìn)行填充。模型各部分填充密實(shí)之后，用刮刀剔除浮漿，用水平尺校正上端面。試樣成型后養(yǎng)護(hù)48h拆模，在溫度20℃、濕度65%的條件下養(yǎng)護(hù)風(fēng)干。
養(yǎng)護(hù)15d，切除左上角部分（見(jiàn)圖2），并在與拉裂段對(duì)應(yīng)的坡面頂部位置開(kāi)設(shè)1條寬約1mm、深約3mm的引導(dǎo)縫，最后切除第Ⅲ部分材料，將模型放入模具填充新材料，新填充材料：水泥21g，石膏粉47g，石灰砂146g，水35g。養(yǎng)護(hù)6h之后拆模進(jìn)行試驗(yàn)。
1.4試驗(yàn)條件及方案
本次試驗(yàn)在成都理工大學(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)室二維地質(zhì)力學(xué)模擬系統(tǒng)上進(jìn)行。將模型固定于試驗(yàn)臺(tái)架上，由加壓探頭從模型的預(yù)設(shè)加載部位（見(jiàn)圖3）對(duì)其逐級(jí)等速間斷加壓。加壓過(guò)程模擬了滑坡體重力作用的時(shí)間效應(yīng)。
在模型正面的鎖固段部位貼上應(yīng)變片，測(cè)試鎖固段的應(yīng)力和應(yīng)變特征。應(yīng)變片采用1/4橋接，其布置方式為：在鎖固段位置（模型第Ⅱ部分）自上而下依次布置，編號(hào)為橫1、縱1、橫2、縱2、橫3（見(jiàn)圖3)。試驗(yàn)過(guò)程中，每級(jí)加載穩(wěn)定后，均對(duì)各應(yīng)變片所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 觀察分析
隨著荷載從0開(kāi)始逐級(jí)遞增，模型變形迅速進(jìn)入“蠕滑階段”。設(shè)計(jì)在蠕滑區(qū)的軟弱基座物質(zhì)明顯向“坡外”塑性擠出。加壓至4MPa以后，出現(xiàn)明顯聲響。拉裂區(qū)的應(yīng)力調(diào)整明顯，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)小規(guī)模破裂。
加壓到6MPa，拉裂段產(chǎn)生自坡體頂部向內(nèi)部延伸的明顯拉裂縫。模型結(jié)構(gòu)面底部的軟基效應(yīng)引起“滑體”略向坡外偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的拉應(yīng)力是拉裂縫產(chǎn)生的主要原因。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)使得試驗(yàn)過(guò)程與三段式滑坡對(duì)應(yīng)的“塑流，拉裂”模式相吻合，巧妙地模擬了三段式滑坡結(jié)構(gòu)面上部的拉裂破壞。在此過(guò)程中，蠕滑段受到更為強(qiáng)烈的橫向擠壓，殘留的軟弱基座物質(zhì)向“坡外”擠出。此時(shí)，拉裂段宣告破壞，蠕滑段也早已失去強(qiáng)度，三段式滑坡模型穩(wěn)定性完全依賴于鎖固段。
隨著加壓繼續(xù)進(jìn)行，模型持續(xù)發(fā)出細(xì)微的“吱吱”聲，聲響平穩(wěn)無(wú)較大起伏，待加壓至13MPa，突然出現(xiàn)劇烈聲響，鎖固段破壞，滑坡體以近乎于彈射的形式快速啟動(dòng)，三段式滑坡形成。鎖固段變形破壞有如下特征：①由拉裂段破壞到鎖固段破壞，經(jīng)歷了由6MPa加壓到13MPa這一漫長(zhǎng)的過(guò)程，這是鎖固段應(yīng)力和能量不斷積累的一個(gè)過(guò)程；②鎖固段破壞伴隨有突然而劇烈的聲響，并使得滑體近于彈射式快速啟動(dòng)，這是鎖固段應(yīng)力突然釋放的表現(xiàn)；③對(duì)破壞后試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行觀察，鎖固段所在部位有明顯擦痕。由以上特征可得出結(jié)論：鎖固段的破壞是脆性剪切破壞。此次實(shí)驗(yàn)室模擬所得出的“脆性剪切破壞”結(jié)論與大光包滑坡鎖固段破壞的宏觀地質(zhì)描述相吻合。
2.2監(jiān)測(cè)分析
對(duì)鎖固段進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖4，5），結(jié)果顯示：拉裂段破壞之前，鎖固段橫向應(yīng)變有受拉趨勢(shì)，甚至在鎖固段某些位置監(jiān)測(cè)到拉應(yīng)變。顯然，拉裂段的變形影響鎖固段的應(yīng)力狀態(tài)。因?yàn)槿浠蔚能浕?yīng)引起拉裂段的破壞，拉裂段的變形一破壞過(guò)程影響鎖固段的應(yīng)力分布，所以三段式滑坡蠕滑段、拉裂段和鎖固段三者的變形破壞并非相互獨(dú)立，對(duì)鎖固段的研究不應(yīng)獨(dú)立于蠕滑段和拉裂段進(jìn)行。
對(duì)鎖固段橫向應(yīng)變進(jìn)行分析。對(duì)橫向應(yīng)變監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，鎖固段橫向主要受壓，而非受拉，這表明鎖固段不是受拉破壞，只能是剪切破壞，驗(yàn)證了前文鎖固段的破壞是剪切破壞的結(jié)論。加壓到6MPa左右，拉裂段徹底破壞，鎖固段上端的橫向應(yīng)變曲線在此時(shí)突變：由壓應(yīng)變逐漸增大轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變逐漸減小。這是由于拉裂段破壞引起鎖固段上端應(yīng)力迅速調(diào)整所致。從鎖固段的中端和下端應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，橫向應(yīng)變?cè)阪i固段破壞之前都是相對(duì)穩(wěn)定的壓應(yīng)變。破壞前應(yīng)變趨勢(shì)的穩(wěn)定表明應(yīng)力正逐漸積累，直到破壞時(shí)突然釋放。這與試驗(yàn)現(xiàn)象相契合的同時(shí)也驗(yàn)證了前文鎖固段的破壞是脆性破壞這一結(jié)論。從防災(zāi)角度看，急劇迅速的脆性破壞對(duì)三段式滑坡預(yù)測(cè)預(yù)警不利。然而，在鎖固段控制巖體穩(wěn)定性時(shí)，鎖固段上端的橫向應(yīng)變不斷減小，有受拉趨勢(shì)。應(yīng)變監(jiān)測(cè)曲線在鎖固段破壞前一段時(shí)間內(nèi)維持相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，這作為鎖固段破壞前的征兆，為滑坡預(yù)警提供了思路。
對(duì)鎖固段縱向應(yīng)變進(jìn)行分析。上端縱向應(yīng)變顯示受壓，應(yīng)變變化幅度相對(duì)較小，蠕滑段和拉裂段的變形破壞對(duì)其應(yīng)變無(wú)明顯影響，直到鎖固段破裂前，應(yīng)變曲線才有一個(gè)強(qiáng)烈折返。下端縱向應(yīng)變顯示受拉，應(yīng)變變化幅度很大，拉應(yīng)變隨著加載進(jìn)行持續(xù)增加；在拉裂區(qū)形成明顯拉裂縫前后，拉應(yīng)變?cè)鏊傧葴p后增，受拉裂段影響明顯。鎖固段完全破壞之前，鎖固段下端縱向應(yīng)變曲線有明顯轉(zhuǎn)折，縱向拉應(yīng)變由最初的遞增突然轉(zhuǎn)為遞減，曲線越過(guò)峰值，這對(duì)預(yù)測(cè)鎖固段的破壞、進(jìn)行三段式滑坡預(yù)警有指導(dǎo)意義。
顯然，三段式滑坡模型變形破壞全過(guò)程的應(yīng)變監(jiān)測(cè)參數(shù)和應(yīng)變曲線變化規(guī)律再次印證了三段式滑坡是脆性剪切破壞。另外，鎖固段破壞前，鎖固段上端的橫向壓應(yīng)變會(huì)由持續(xù)減小轉(zhuǎn)為維持平穩(wěn)，鎖固段下端的縱向應(yīng)變會(huì)由拉應(yīng)變持續(xù)增加轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變迅速減小。簡(jiǎn)言之，鎖固段上端橫向應(yīng)變維持平穩(wěn)和下端縱向應(yīng)變?cè)竭^(guò)峰值是鎖固段破壞前的兩個(gè)獨(dú)特現(xiàn)象，實(shí)際工程中可通過(guò)這兩個(gè)現(xiàn)象對(duì)鎖固段破壞進(jìn)行預(yù)測(cè)，有利于三段式滑坡預(yù)警。
3 結(jié)語(yǔ)
根據(jù)上述分析，針對(duì)三段式滑坡的試驗(yàn)研究可獲得如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。
1)本文實(shí)現(xiàn)了對(duì)三段式滑坡全過(guò)程的實(shí)驗(yàn)室模擬。試驗(yàn)表明，鎖固段破壞是脆性剪切破壞，其變形破壞并不獨(dú)立于結(jié)構(gòu)面頂部的拉裂和底部的蠕滑。
2)對(duì)三段式滑坡進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，就應(yīng)變監(jiān)測(cè)而言，鎖固段上端的橫向應(yīng)變監(jiān)測(cè)和下端的縱向應(yīng)變監(jiān)測(cè)最為有效。鎖固段破壞前，在荷載．應(yīng)變監(jiān)測(cè)曲線上會(huì)有鎖固段上端橫向應(yīng)變維持平穩(wěn)和下端縱向應(yīng)變?cè)竭^(guò)峰值這兩個(gè)獨(dú)特現(xiàn)象。這對(duì)三段式滑坡的預(yù)測(cè)預(yù)警研究有指導(dǎo)意義。
