基于物理模拟的某边坡危岩体稳定性分析

翟崇　黄莹　谭婵娟

【摘 要】岩石边坡通常具有复杂的地质结构和变形破坏机理， 其变形与失稳破坏是一个复杂的地质力学过程。本文以相似原理为基础， 采用底摩擦试验的方法深入研究了西南某岩质边坡的变形破坏模式， 探索边坡变形的内在联系，进而对其稳定性进行了评价。

【关键词】岩质边坡；底摩擦试验；相似原理；稳定性分析

0 前言

物理模拟研究方法应用于斜坡岩体的稳定性分析具有两个突出的意义：能够直接观测和记录研究对象的变形、破坏演变过程；可以通过实验应力分析获得研究对象的变形演变过程中各阶段的应力分布状态和由于变形与局部破坏导致的应力重分布情况。物理模拟试验方法很多， 如光敏软材料模型的光测应力分析、软材料模型变形试验、相似材料模型试验、离心模型试验等， 但上述模拟方法均不够直观，显性不好， 也就是说需要进行繁琐的计算或转换。针对这种情况， 本文介绍一种重力作用下的边坡稳定问题的底摩擦模型试验模拟方法。

1 工程地质条件

研究边坡地处贵州高原向湘西丘陵过渡地带的北部边缘，位于武陵山脉与大娄山山脉之间。边坡主要受到溶蚀作用，地貌上体现为溶蚀低山，同时有部分侵蚀地貌分布。边坡岩性主要为粉砂岩、泥页岩和灰岩，受河流侵蚀作用，变形较大为地质灾害提供了条件。根据出露的地层岩性及地下水在含水介质中的赋存特征，危岩体区地下水类型可分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶水三类。

2 物理模拟

2.1 实验设备简介

本次试验采用成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室和四川大学根据底摩擦试验的基本原理，在多年探索和经验积累的基础上共同设计的一套全自动化底摩擦试验仪，如图1所示。仪器的模板尺寸为800mm×1000mm；调速范围为0～100r/min；摩擦力为0～1000N。该仪器具有可以根据需要随时调控橡皮带的转速；摩擦力可以直接从观测仪上获取；可根据试验要求随时增减橡皮带转速来调控摩擦力；试验过程中可以随时暂停以便观察试验的各个环节等优点。

图1 底摩擦试验仪

2.2 实验原理

底摩擦试验法主要基于相似原理，以摩擦力在摩擦方向上的分布与重力场相似的性质，利用模型和底面之间的摩擦力来模拟模型体积力（重力）[1]。模拟的原理简图如图2。底摩擦试验原理即将研究对象的剖面制成模型C，平放在可以持续移动的底板B上，并使原剖面的深度方向与底板移动方向X一致。随着底板持续移动，模型也随之移动。在底板移动方向有一固定框架，当模型受到这一固定框架D的阻挡时，在模型C与底板B接触面BC上每一点就形成摩擦阻力F：

F=（p+γΜ t）μ

式中：p——作用于模型法向单位面积上的压力；

γM——模型材料的容重；

t——模型的厚度；

μ——模型与橡皮带接触面滑动摩擦系数。[2]

图2 底摩擦试验原理示意图

根据圣维南原理[3]，当模型足够薄时，认为摩擦力均匀作用在整个厚度上，可以相当于原型物体在天然状态下受到的重力作用。此外，模型试验还需要在几何条件、受力条件和摩擦系数等方面满足相似原理[4]。

2.3 实验过程及结果分析

试验时，通过转动模型下面的橡皮带，使模型斜坡持续受到坡体应力的作用，同时用间断拍照的方式记录模型变形破坏发展的全过程。这种方法的特点是试验可根据情况随时暂停下来，以便观测试验过程的各个细节，这也是其他许多方法所不能办到的。

上部灰岩中产生lf1、lf2和lf3三条裂缝，三条裂缝产生的原因基本相同，都是因为下部的泥页岩在重力的作用下压缩从而导致上部灰岩拉应力集中而产生。lf2发展到上部灰岩厚度的一半，这条裂缝控制斜坡整体变形破坏，随着深度的不断发展，将会发生塑流-拉裂[5]-剪断式滑坡；lf3在坡肩部位存在拉应力集中，因此沿陡倾外裂隙产生拉裂，会在崖顶部位形成危岩体，进而发展成为崩塌，这与斜坡实际变形特征相符合。见图3。

图3 变形过程图

3 稳定分析计算

边坡稳定性受多种因素影响，稳定性系数的计算包括许多的边界条件和物理力学参数，但准确的确定参数和边界条件是相当困难的。边坡目前存在三处明显危岩体，本研究稳定性系数计算主要针对典型危岩体WY1、WY2和WY3，通过计算并分析它们的稳定性。危岩体稳定性系数的计算，目前尚未有合理的方法，此次稳定系数计算采用《岩土工程勘察设计手册》和《三峡库区危岩体稳定性计算方法及应用》中的计算方法来进行计算。

WY1、WY2和WY3，根据以上的数值和物理模拟以及实际情况判断WY1和WY2为倾倒式破坏，而WY3为坠落式破坏。稳定性系数计算应考虑各种力的最不利组合。在雨季，张开的裂缝可能会有雨水填充，应考虑静水压力。在考虑以上因素的情况下，倾倒式崩塌危岩体稳定性系数采用《三峡库区危岩体稳定性计算方法及应用》中的计算方法来进行计算。坠落式崩塌危岩体稳定性系数按照《岩（下转第44页）（上接第9页）土工程勘察设计手册》中的计算方法来计算。

该区地震基本烈度属小于Ⅵ度区，地壳相对稳定，故本次稳定性计算不考虑地震力对危岩稳定性的影响。因此选择自然和暴雨两种条件作为稳定性计算的工况：

工况1：天然状态下WY1、WY2和WY3均不考虑静水压力。

工况2、3、4：暴雨状态下，WY1和WY2考虑裂缝充水高度达裂缝深度的1/4、1/2和2/3高度分别进行计算。WY3裂缝较狭窄且较浅并且在山体顶部，考虑暴雨时充水高度与裂缝深度相等。

4 结论

综合斜坡和危岩体稳定性定性分析及定量分析结果，天然状态下斜坡整体和危岩体都较为稳定，暴雨对稳定性影响较大，尤其是斜坡整体稳定性和WY1、WY2稳定性受到很大影响。主要因为水增加了岩石溶重，增加了斜坡下滑力，并且WY1和WY2受裂缝充水水压力作用更容易发生失稳破坏。虽然WY3天然和暴雨状态下稳定性都较好，考虑其三面临空，顶部有裂缝，一旦裂缝发展到一定深度将会突然坠落破坏，危害较大。

【参考文献】

[1]冯文凯，石豫川，柴贺军，等.缓倾角层状高边坡变形破坏机制物理模拟研究[J].中国公路学报，2004，17（2）：32-36.

[2]袁文忠.相似理论与静力学模型试验[M].成都：西南交通大学出版社，1998.

[3]董云，黄湖锋，柴贺军，等.阎宗岭土石混填路基变形破坏机制的底摩擦试验模拟[J].中南公路工程学报，2006，31（4）：4-8.

[4]胡修文，唐辉明，刘佑荣.三峡库区赵树岭滑坡稳定性物理模拟试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（12）：2089-2095.

[5]张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理[M].北京：地质出版社，1981.314-346.

[责任编辑：张涛]