堆載誘發(fā)型滑坡變形演化機(jī)理的模型試驗研究

胡田飛

(中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京　100083)

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堆載誘發(fā)型滑坡變形演化機(jī)理的模型試驗研究

胡田飛

(中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京100083)

摘要：基于模型試驗，對堆載誘發(fā)型邊坡滑坡的變形機(jī)理及演化過程進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明: (1)堆載誘發(fā)型滑坡的變形演化規(guī)律可歸納為：后緣壓縮階段→蠕動變形階段→加速滑動階段→劇滑階段，且劇滑啟動之前的加速變形過渡時間極短；(2)利用FLAC3D軟件進(jìn)行堆載滑坡演化過程的動態(tài)數(shù)值分析，模擬過程中坡體應(yīng)力場和位移場的演化特征表現(xiàn)為從上向下逐步貫通，與模型邊坡破壞過程相符；(3)堆載誘發(fā)型滑坡破壞過程歷時短、突發(fā)性強(qiáng)，在坡腳產(chǎn)生持續(xù)位移時即應(yīng)做出滑坡預(yù)警。

關(guān)鍵詞：堆載；滑坡；變形機(jī)理；演化過程；模型試驗；數(shù)值模擬

0引言

在公路、鐵路、礦山、水利水電等眾多領(lǐng)域的建設(shè)過程中，開挖和填筑等工程行為會產(chǎn)生大量側(cè)向臨空的邊坡體，自然界中也存在著大量受地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造控制的斜坡地質(zhì)體，上述坡體在各種人為和自然因素的作用下逐漸演化，極端情況下會變形滑移導(dǎo)致嚴(yán)重的滑坡災(zāi)害[1]。在各類邊坡的滑坡災(zāi)害案例中，堆載是滑坡的一個重要誘發(fā)因素，主要包括邊坡體上的人工堆載和天然斜坡體后緣崩塌堆積物產(chǎn)生的天然堆載[2-4]。對于堆載誘發(fā)型滑坡，明確其演化規(guī)律和變形機(jī)理對其防災(zāi)減災(zāi)和預(yù)測預(yù)報具有重要的意義。孫紅月等[5]認(rèn)為高填方路基使坡體產(chǎn)生垂直方向的壓縮變形，也使坡體向坡腳方向產(chǎn)生一定的擠出變形，最后誘發(fā)了推動式滑坡。董夫錢等[6]認(rèn)為松散堆積體邊坡上的堆載在引起坡體局部破壞的同時，還導(dǎo)致地下水滲流系統(tǒng)的破壞和入滲條件的改變，最終導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。雍睿等[7]通過模型試驗研究認(rèn)為崩坡積物加載于滑坡后緣堆積體上引起的推移式滑坡沿滑帶發(fā)生整體滑移破壞，演化過程分為后緣壓縮階段、勻速變形階段、加速變形階段3個階段。陳春利等[8]認(rèn)為邊坡堆載改變了坡體的應(yīng)力分布，致使坡體中、下部土體剪應(yīng)力逐漸接近其抗剪強(qiáng)度，邊坡的穩(wěn)定性隨之降低直至失穩(wěn)破壞。劉悅等[9]通過固結(jié)不排水剪試驗認(rèn)為堆載作用下不利于黃土材料強(qiáng)度保持的含水量和圍壓的組合會首先導(dǎo)致黃土微觀結(jié)構(gòu)的變形破壞，進(jìn)而誘發(fā)坡體的變形破壞。

本文設(shè)計了一組邊坡模型試驗，通過分級加載的方法模擬了堆載滑坡的演化過程，結(jié)合滑體表面水平位移實測數(shù)據(jù)分析了滑坡演化過程的空間變形破壞特征。在此基礎(chǔ)上利用FLAC3D三維數(shù)值分析軟件建立相同條件的數(shù)值計算模型，以實測位移數(shù)據(jù)為依據(jù)反演出模型邊坡應(yīng)力場和位移場的演化過程，分析了其變形機(jī)理和演化規(guī)律。

1試驗設(shè)計

1.1試驗?zāi)Ｐ?/p>

圖1　試驗?zāi)Ｐ统叽缡疽鈭D(單位：cm)

模型試驗采用相似材料的機(jī)制模擬法，建立研究對象和物理模型之間的相似關(guān)系，從而保證模型試驗中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象與原型相似。實驗室模型箱幾何尺寸為:長×寬×高=140 cm×80 cm×100 cm，由角鋼和高密度板制作而成。根據(jù)試驗條件，以某黃土邊坡為地質(zhì)原型，確定幾何相似系數(shù)為10，容重相似系數(shù)為1(即模型試驗與地質(zhì)原型的材料重度相同)，邊坡模型尺寸如圖1所示。

1.2相似材料及邊界條件

滑床及滑體配比材料主要由85%的黃土、13%的水及2%的膨潤土構(gòu)成，含水率為15%，膨潤土起到減小變形模量、使滑體易于成型的作用。邊坡模型采用人工分層夯實法填筑，以保持制樣的均勻性，材料參數(shù)見表1。滑帶采用滑石粉泥漿填充的雙層聚乙烯薄膜，通過直剪試驗測得c=1.5 kPa，φ=24.2°，模擬滑帶較低的抗剪強(qiáng)度。為消除邊坡滑動時模型箱兩側(cè)箱體摩阻力的影響，在模型箱側(cè)壁上鋪設(shè)雙層塑料薄膜，以模擬實際邊坡的自由邊界。

表1　模型巖土體的物理力學(xué)參數(shù)

1.3試驗方法

坡頂堆載對邊坡穩(wěn)定極為不利[10]，因此試驗過程中對坡頂平臺分級施加豎向荷載。為保持荷載恒定，采用放置質(zhì)量0.25 kN鉛砂袋的方式，每級加載0.75 kN。為使堆載充分作用于滑體，每級加載后最少保持10 min，待位移穩(wěn)定后再施加下級荷載。位移監(jiān)測系統(tǒng)采用機(jī)械式百分表，量程50 mm?？紤]到滑坡后緣存在應(yīng)力集中，滑坡側(cè)壁位移受邊界效應(yīng)影響，為不失一般性，在模型邊坡中部剖面的平臺和坡腳位置設(shè)置兩個沿滑坡走向的監(jiān)測點(diǎn)形成測線，如圖1、圖2所示。影像采集系統(tǒng)采用1臺高清數(shù)碼攝像機(jī)，安裝在模型箱的正面，實時記錄邊坡破壞過程。

圖2　位移監(jiān)測點(diǎn)

2試驗結(jié)果及分析

2.1變形演化過程

試驗過程中，第1次加載(0.75 kN)后，百分表指針出現(xiàn)微小變化并瞬間穩(wěn)定。第2次加載(1.5 kN)后，變形集中發(fā)生在前5 s之內(nèi)，變形迅速停止。第3次加載(2.25 kN)后，前10 s各百分表指針緩慢轉(zhuǎn)動；之后變形持續(xù)約2 min時間，刷方平臺變形穩(wěn)定速度較坡腳快，在刷方平臺位移停止后，坡腳位移又持續(xù)約1 min。第4次加載(3 kN)后，百分表指針轉(zhuǎn)動較快，坡腳出現(xiàn)第1道裂縫L1，如圖3(a)；2 min之后指針轉(zhuǎn)動趨緩，但變形仍在持續(xù)，裂縫L1繼續(xù)擴(kuò)大；5 min之后變形基本停止。第5次加載(3.75 kN)后，30 s之內(nèi)坡腳水平位移已達(dá)3 mm，平臺水平位移達(dá)約2 mm，裂縫L1擴(kuò)大，如圖3(b)；3 min之后變形趨于緩慢；8 min之后變形基本停止。第4、5次加載后在坡體明顯產(chǎn)生變形位移的情況下最后仍可以保持穩(wěn)定，是由于坡體蠕滑導(dǎo)致重心下移增大了滑帶的抗滑力。第6次加載(4.5 kN)后，百分表指針劇烈跳躍，持續(xù)約1.5min，裂縫L1附近土體脫落，在裂縫L1上方約5 cm處出現(xiàn)第2道裂縫L2，并逐漸擴(kuò)大，如圖3(c)所示；4 min后裂縫L1、L2突然擴(kuò)大，坡腳土體瞬間解體碎裂并水平移出，邊坡整體滑移。

圖3　邊坡堆載試驗過程

2.2位移數(shù)據(jù)分析

圖4　監(jiān)測點(diǎn)累計水平位移曲線圖

監(jiān)測點(diǎn)累計水平位移如圖4所示，曲線清晰地反映了影像采集系統(tǒng)中堆載型滑坡演化過程的4個階段。第1階段(0.75 kN、1.5 kN、2.25 kN)為邊坡模型后緣壓縮階段，屬于坡體變形初期，變形持續(xù)時間較短。第2階段(3 kN、3.75 kN)為坡體的蠕動變形階段，滑動面逐漸貫通至坡腳。第3階段(4.5 kN)為邊坡加速滑動階段，滑坡變形速率急劇增加。第4階段為劇滑階段，失穩(wěn)時水平位移曲線近乎直立。堆載試驗過程中，可明顯觀察到滑坡發(fā)育及瞬態(tài)發(fā)生過程，與自然滑坡漫長發(fā)育的漸進(jìn)性破壞特征和降雨誘發(fā)型滑坡啟動的滯后性特征不同，其加速滑動階段與劇滑啟動的過渡時間極短，滑動面貫通后前緣坡體會迅速解體剪出。

3數(shù)值模擬

在室內(nèi)試驗基礎(chǔ)上，建立相同尺寸、材料參數(shù)及邊界條件的數(shù)值計算模型，將試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬相結(jié)合，建立地質(zhì)體可測物理量(地表位移)和內(nèi)部破壞狀態(tài)之間的聯(lián)系，以實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，反演出坡體位移場、應(yīng)力場演化過程。

圖5　網(wǎng)格模型

3.1計算模型與方法

3.1.1計算模型

利用Midas/GTS—FLAC3D耦合建模技術(shù)建立與室內(nèi)模型試驗幾何尺寸、材料物理力學(xué)參數(shù)、位移監(jiān)測點(diǎn)位置、荷載條件和邊界條件完全相同的計算模型，共劃分9 809個節(jié)點(diǎn)、8 512個單元，網(wǎng)格模型如圖5所示。模型底部為固定邊界約束，四周為滾支邊界約束。

考慮土體的非線性本構(gòu)關(guān)系及變形對應(yīng)力的影響，滑體及滑床采用彈塑性模型，屈服條件采用Mohr-coulomb準(zhǔn)則，材料參數(shù)取值與模型試驗中表1相同?；瑒用娌捎肐nterface接觸面單元模擬，其計算采用Mohr-Coulomb本構(gòu)方程，計算參數(shù)見表2。

表2　接觸面模型的計算參數(shù)

3.1.2計算方法

根據(jù)模型試驗應(yīng)力條件，邊坡以自重應(yīng)力分布為主，首先依據(jù)彈性求解法，利用彈性模型計算初始地應(yīng)力，計算完成后將速度場和位移場歸零。然后輸入滑坡模型的計算參數(shù)，通過改變滑坡體頂部平臺應(yīng)力邊界條件的方法，模擬在自重和頂部分級加載條件下模型邊坡的演化過程。每級荷載作用下以不平衡力與典型應(yīng)力的比值小于1×10-5作為收斂條件，保證滑坡模型內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)充分調(diào)整。

圖6　模型試驗和數(shù)值模擬監(jiān)測點(diǎn)水平位移對比曲線

3.2計算結(jié)果與分析

3.2.1監(jiān)測點(diǎn)位移

由圖6可知，在每級堆載作用下，數(shù)值模擬監(jiān)測點(diǎn)累計水平位移與模型試驗基本相同，變形演化過程和數(shù)碼攝像內(nèi)容一致，說明數(shù)值模擬的邊坡動態(tài)發(fā)展過程與模型試驗相符。

3.2.2合位移場

主控剖面(Y=40 cm)的合位移場如圖7所示，堆載0.75 kN后，坡頂后緣出現(xiàn)張拉位移，坡腳變形大于坡頂變形。堆載1.5 kN后，坡頂產(chǎn)生垂直方向的壓縮變形，并使坡體向臨空方向產(chǎn)生一定的擠出變形，坡頂變形大于坡腳變形，說明堆載0.75 kN時出現(xiàn)的坡腳位移大于坡頂?shù)默F(xiàn)象主要是由于自重作用造成的。堆載2.25 kN后，壓縮變形和擠出變形進(jìn)一步向坡體下部發(fā)展，最大累計變形增至0.4 mm，對應(yīng)實際邊坡的4 mm，量值較小，但由位移場可知變形已分布在大部分滑體范圍內(nèi)，說明堆載對于邊坡穩(wěn)定的影響范圍極大。堆載3 kN后，邊坡出現(xiàn)連續(xù)位移，累計位移達(dá)到3～4 mm，上部位移尚未傳遞至坡腳，滑動面未貫通。堆載3.75 kN后，滑面范圍內(nèi)坡體位移接近一致，滑動面基本貫通，坡腳位移增幅較大。堆載4.5 kN后，滑動面貫通，累計位移達(dá)到40～50 mm,對應(yīng)實際邊坡的40～50 cm，邊坡整體滑移。位移場演化過程中下滑趨勢在邊坡上部較大，表現(xiàn)出明顯的推動式滑坡的特點(diǎn)。

圖7　邊坡合位移場演化過程(單位：mm)

3.2.3剪應(yīng)變增量場

主控剖面(Y=40 cm)的剪應(yīng)變增量場如圖8所示，堆載0.75 kN后，坡頂后緣和坡腳前緣出現(xiàn)剪應(yīng)變，說明滑動面后緣附近的巖土體首先由于堆載出現(xiàn)應(yīng)變，坡腳剪應(yīng)變則主要是自重作用的結(jié)果，與位移場表征的結(jié)果相同。堆載1.5 kN后，頂部表面土體出現(xiàn)擠壓剪應(yīng)變，但未對滑面造成明顯影響，且對上部滑床有擠壓作用，與堆載初期的垂向壓縮變形一致。堆載2.25 kN后，剪應(yīng)變開始沿滑面向下發(fā)展，坡體應(yīng)變范圍有所增大。堆載3 kN后，剪應(yīng)變進(jìn)一步沿深度和臨空面方向發(fā)展。堆載3.75 kN后，坡腳剪應(yīng)變分布狀態(tài)改變，坡腳附近滑動面上下開始出現(xiàn)新的剪應(yīng)變，說明滑動面此時基本貫通，但邊坡中下部滑面處未出現(xiàn)明顯的應(yīng)變分布，說明在堆載作用下，坡腳也是容易出現(xiàn)破壞的部位。堆載4.5 kN后，邊坡整體范圍均出現(xiàn)剪應(yīng)變分布，同時上部和下部的剪應(yīng)變比中部要高，說明堆載擠密和坡體重心下移對中部抗滑段有利。剪應(yīng)變增量場發(fā)展過程與位移場特征一致，與試驗過程中坡頂壓縮、坡面裂縫、結(jié)構(gòu)面滑移、坡腳碎裂解體現(xiàn)象相符。

圖8　邊坡剪應(yīng)變增量場演化過程(10-3)

由位移場和剪應(yīng)變增量場演化規(guī)律可知，堆載邊坡與牽引式滑坡不同，堆載初期的坡頂變形對堆載作用更為敏感，主要表現(xiàn)為垂向壓縮變形，堆載量增大后邊坡變形逐漸變?yōu)橐韵蚺R空面的擠出變形為主?；尕炌ê?，坡腳變形變得對堆載作用同樣敏感，坡腳鼓脹變形后很快解體剪出，因此堆載誘發(fā)型滑坡屬于推動式滑坡。

4結(jié)論

(1)堆載誘發(fā)型滑坡的空間變形演化規(guī)律可歸納為：后緣壓縮階段→蠕動變形階段→加速滑動階段→劇滑階段。數(shù)值模擬的位移場和剪應(yīng)變增量場表現(xiàn)為從坡頂壓縮變形開始，逐漸沿深度和臨空面方向發(fā)展，最后形成推動式滑坡的特征，與模型試驗變形過程相符。

(2)滑坡災(zāi)害中，構(gòu)筑物的破壞主要發(fā)生在邊坡的加速滑動和劇烈滑坡階段。堆載誘發(fā)型滑坡與自然滑坡漫長發(fā)育的漸進(jìn)性破壞特征和降雨誘發(fā)型滑坡啟動的滯后性特征不同，其劇滑啟動之前的加速滑動時間極短，滑動面貫通后前緣坡體會迅速解體剪出。因此該類滑坡的預(yù)測預(yù)報工作應(yīng)重視趨勢預(yù)報和始滑預(yù)報，在坡體尤其是坡腳部位產(chǎn)生持續(xù)水平位移時，即應(yīng)做出始滑預(yù)報。

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Model Test Study of Deformation Mechanism of Landslide Induced by Loading

Hu Tianfei

(Graduate Faculty, China Academy of Railway Sciences, Beijng 100081, China)

Abstract:Based on the model test, this paper studies the deformation mechanism and evolutionary process of landslide induced by accumulation load. The research results indicate that:(1) the evolutionary process of landslide induced by loading can be summarized as: trailing edge compression phase→creeping slip phase→accelerated slip phase→overall slip phase, the transition time of accelerated deformation before overall slip was very short.(2) the evolutionary process is simulated by FLAC3D, the evolutionary characteristics of stress field and displacement field are consistent with the model test, characterized by damaging from top to bottom gradually.(3) the failure process of landslide induced by loading has short duration and strong burst, therefore early warning should be sounded when continuous displacement at slope toe occur.

Key words:loading; landslide; deformation mechanism; evolutionary process; model test; numerical simulation

中圖分類號：U455.7+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-0373(2016)01-0038-06

作者簡介：胡田飛(1988-)，男，助理工程師，工學(xué)碩士，主要從事巖土工程和工程地質(zhì)方面研究。E-mail：hutianfei0508@163.com

基金項目：鐵道部科技研究開發(fā)計劃課題(2010G018-C-3)

收稿日期：2014-12-20責(zé)任編輯:劉憲福

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.07

胡田飛.堆載誘發(fā)型滑坡變形演化機(jī)理的模型試驗研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016,29(1):38-42.