緩傾軟硬相間邊坡破壞機理的物理模擬研究

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，都對層狀巖體的變形破壞有著很大影響。在運用底摩擦試驗研究邊坡破壞機理方面，馮文凱等[4]針對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,并對不同階段的變形及最終破壞機制進行了深入分析。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,對其機制進行了物理模擬研究。張登項、許強[6]采用底摩擦試驗的方法，深入研究了錦屏一級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)面對邊坡變形和穩(wěn)定性的控制作用,并對邊坡目前的發(fā)展階段、發(fā)展趨勢和最終的破壞方式進行了研究與預(yù)測。蔣洋等[8]根據(jù)試驗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,分析了該類邊坡的變形破壞機制及破壞原因。 綜上這些研究可以看出,底摩擦模擬試驗在研究巖體穩(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。

本文是以相似理論為基礎(chǔ),運用底摩擦模型試驗，對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行深入研究;進一步認(rèn)清緩傾軟硬相間巖層邊坡的變形破壞機制,為緩傾軟硬相間巖體邊坡破壞機理的研究提供科學(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。從實驗得出，研究區(qū)泥巖天然容重為25.4 kN/m3，天然單軸抗壓強度為6.94 MPa，彈性模量為0.92×104MPa，泊松比為0.32，抗拉強度0.27 MPa，巖體抗剪強度C=1.03 MPa，Φ=26.68°；砂巖天然容重為25.8 kN/m3，天然單軸抗壓強度為34.53 MPa，飽和單軸抗壓強度為26.19 MPa，彈性模量為2.79×104MPa，泊松比為0.2，抗拉強度1.06 MPa，巖體抗剪強度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

2.1 試驗原理

底摩擦試驗?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。它具有兩個突出的意義：①能夠直接觀測和記錄研究對象的變形、破壞演變過程；②可以通過實驗應(yīng)力分析獲得研究對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：將研究對象的剖面制成模型平放在環(huán)形活動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)動橡皮帶，模型隨之移動，在橡皮帶轉(zhuǎn)動方向有一固定框架，當(dāng)模型受到這一固定框架阻擋時，在模型與橡皮帶接觸面上每一點就形成摩擦阻力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摩擦系數(shù)。根據(jù)圣維南原理，當(dāng)模型足夠薄時，認(rèn)為摩擦力均勻作用在整個厚度上，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 底摩擦模型試驗原理示意圖

試驗設(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)速底摩擦模型試驗儀。見圖3。

圖3 自動化底摩擦模型試驗儀

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際需要，在此對實際情況進行了一些簡化處理，只區(qū)分巖性的差異，對風(fēng)化與卸荷不作考慮。在選擇模型材料時要考慮: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)計確定試驗材料的配比。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，測出正交試驗的相似材料的力學(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 試驗材料配比表

2.3 試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

1) 第一階段，坡體壓密階段。試驗開始之后，以1 r/min的速度勻速轉(zhuǎn)動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。實驗進行30 min左右的時候，試驗?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。隨著試驗的進行，模型繼續(xù)被壓密，在試驗進行到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。隨著試驗的繼續(xù)進行，在試驗進行2 h 35 min的時候，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。試驗繼續(xù)進行，裂縫逐漸貫通，同時裂縫也在不斷變寬。隨著裂縫的貫通，最靠近臨空面的巖體先垮下來，隨著試驗的繼續(xù)進行，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?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)展進而貫通，裂縫也在發(fā)展的時候不斷變寬，最后發(fā)生傾倒破壞。

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