基于模型試驗(yàn)的滑體不同節(jié)理組合巖塊破碎特征研究

楊 鵬,鄭 光,劉 建 強(qiáng),黃 金 成,劉 震 東,陳 明 浩

(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,四川 成都 610059)

0 引 言

在中國(guó)西部山區(qū),常有一些大型巖質(zhì)滑坡失穩(wěn)后在運(yùn)動(dòng)過程中不斷解體破碎,在極強(qiáng)的碎屑化作用下形成高速、遠(yuǎn)程的“崩→滑→流”復(fù)合災(zāi)害體,帶來毀滅性破壞,這種災(zāi)害體被稱為遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流[1-4]。與其他地質(zhì)災(zāi)害相比,高速遠(yuǎn)程滑坡發(fā)生頻率更低,但是因其發(fā)生突然、規(guī)模大、高速和超強(qiáng)的流動(dòng)性等特點(diǎn),造成的破壞更加嚴(yán)重,因此引起地質(zhì)學(xué)者們的廣泛關(guān)注。近年來,發(fā)生的典型碎屑流災(zāi)害有重慶武隆雞尾山滑坡、貴州關(guān)嶺大寨滑坡、四川茂縣新磨村滑坡和貴州納雍普灑村崩塌碎屑流[5-8]。高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)過程中最顯著的特征在于滑體物質(zhì)的轉(zhuǎn)變,即固態(tài)(巖崩或者巖滑)經(jīng)破碎到流態(tài)(此處指碎屑流的各種似流體運(yùn)動(dòng)的形態(tài)和特征)[9]。

滑坡碎屑化過程中失穩(wěn)巖塊的破碎,及其超遠(yuǎn)的運(yùn)動(dòng)距離是滑坡-碎屑流的特征之一。對(duì)于碎屑流的運(yùn)動(dòng)距離,Heim在研究Elm滑坡時(shí)提出了碎屑流等效摩擦系數(shù)的概念(H/L的比值),以此量化碎屑流體的流動(dòng)性[1]?；磪^(qū)巖體失穩(wěn)下滑,在地形轉(zhuǎn)折處發(fā)生撞擊破碎,在摩擦作用下停積于水平處。將質(zhì)心運(yùn)動(dòng)距離Lg定義為滑體發(fā)生破碎后地形轉(zhuǎn)折處至最終堆積體質(zhì)心的水平距離,最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離Ls定義為地形轉(zhuǎn)折處至巖體最終堆積體的最末端顆粒的水平距離。

巖塊破碎過程可能受失穩(wěn)塊體的幾何形狀、地形、環(huán)境條件和滑體材料強(qiáng)度的影響[10]。對(duì)于失穩(wěn)巖塊的破碎,現(xiàn)有研究主要通過物理模型和數(shù)值模擬手段進(jìn)行。Bowman等[11]通過離心機(jī)物理模型試驗(yàn),利用煤塊設(shè)置簡(jiǎn)單疊加的組合體滑塊(正交組合),發(fā)現(xiàn)滑塊的破碎程度影響著最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離。Bowman等[12]利用白堊巖塊和煤塊的不同組合體進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)滑塊的組合形式在破碎過程中起到一定作用,并影響著堆積物的破碎特征和運(yùn)動(dòng)距離。Haug等[13]通過滑槽試驗(yàn),研究單個(gè)完整滑塊失穩(wěn)破碎對(duì)堆積物的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)距離影響,利用109次試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合定義的參數(shù),較好擬合出了質(zhì)心運(yùn)動(dòng)距離與破碎程度的關(guān)系。Blasio等[14]以數(shù)值模擬為基礎(chǔ),從應(yīng)力和能量角度分析滑塊在地形轉(zhuǎn)折處的爆炸性破碎現(xiàn)象和滑槽滑面角度的變化對(duì)滑塊破碎特征的影響,推測(cè)在破碎過程中臨界滑面角度的存在,使得滑塊破碎過程中的動(dòng)量提升,繼而導(dǎo)致碎塊運(yùn)動(dòng)距離明顯增加。Zhao等[15]通過數(shù)值模擬手段設(shè)置不同方向節(jié)理組合,研究滑塊在失穩(wěn)后的破碎分布特征和粒徑范圍,發(fā)現(xiàn)規(guī)則節(jié)理(正交組合型)與傾斜節(jié)理(相交組合型)產(chǎn)生的破碎特征明顯不同。

對(duì)于巖塊的破碎研究,目前學(xué)者們多考慮完整塊體或不同材料之間的組合體,而關(guān)于節(jié)理組合形式對(duì)滑塊失穩(wěn)下滑后的破碎特征研究較少。因此本文開展撞擊破碎斜槽模型試驗(yàn),通過控制變量,研究不同節(jié)理方向(水平向、豎向、橫向及其組合型)是否會(huì)使滑塊失穩(wěn)破碎產(chǎn)生不同的破碎特征和運(yùn)動(dòng)距離。

1 斜槽試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)采用斜槽模型,其水平段無側(cè)向約束,主要針對(duì)常見的平面敞開型滑坡。模型主要由傾斜段和水平段兩部分構(gòu)成,其中,傾斜段長(zhǎng)300 cm,水平段長(zhǎng)400 cm,如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意(尺寸單位:cm)Fig.1 Sketches of experimental apparatus

1.2 試驗(yàn)材料及其物理性質(zhì)

基于前人成果[15-16],確定試驗(yàn)材料的配比方案如下:將400目硫酸鋇、80目石英砂、抗裂石膏、羧甲基纖維素鈉、自來水,按照骨料比4∶6、骨膠比50∶1、羧甲基纖維素鈉含量1.0%(占骨料加膠凝材料總質(zhì)量的1.0%)、拌合水量22.5%(占骨料加膠凝材料總質(zhì)量的22.5%)的配比方案混合攪拌制成。其中骨料指硫酸鋇和石英砂,膠凝材料指石膏;骨料比為石英砂與硫酸鋇質(zhì)量之比,骨膠比指骨料的總質(zhì)量與石膏的質(zhì)量之比。按照相同配比制成不同形狀的試塊分別進(jìn)行模型試驗(yàn)和物理力學(xué)試驗(yàn),部分試塊如圖2所示。通過力學(xué)試驗(yàn)獲取的物理力學(xué)基本參數(shù)如下:單軸抗壓強(qiáng)度為0.27 MPa,彈性模量E為0.122 GPa,黏聚力C為0.103 MPa,φ為42°。

圖2 試驗(yàn)材料Fig.2 Materials of experiments

1.3 試驗(yàn)方案

為研究不同節(jié)理組合下巖塊失穩(wěn)下滑是否會(huì)產(chǎn)生不同的破碎特征和運(yùn)動(dòng)距離。試驗(yàn)中設(shè)置8種不同組合形式,分別在60°滑面失穩(wěn)下滑,撞擊底板后破碎停積。塊體是通過控制相同拌合物的質(zhì)量,從而得到統(tǒng)一體積的試樣,以此來研究滑塊在不同組合方式下引起的破碎和運(yùn)動(dòng)特征。完整試塊質(zhì)量為2 kg,體積為15 cm×15 cm×4 cm,強(qiáng)度為0.27 MPa。其中T1為單個(gè)完整塊體,T8為8個(gè)完整塊體,作為其它工況的對(duì)照。T2～T7是考慮相同質(zhì)量、體積下,不同節(jié)理方向及其組合型對(duì)滑塊失穩(wěn)后破碎和運(yùn)動(dòng)特征的影響。T2～T8中試塊之間都不存在黏結(jié),用來模擬貫通節(jié)理面。節(jié)理的組數(shù)主要考慮1組、2組,方向?yàn)?水平向(T2)、豎向(T3)、橫向(T4)、以及三者之間的組合型(T5～T7),如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)工況(尺寸單位:cm)Fig.3 Test conditions

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為觀察滑塊破碎過程并獲取相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù),通過局部的監(jiān)測(cè)方法對(duì)試塊的破碎過程進(jìn)行記錄。利用高速攝影機(jī)(幀率500 fps)進(jìn)行圖像采集,相機(jī)1安裝于傾斜段與水平段轉(zhuǎn)折處正上方,并在裝置側(cè)面設(shè)置一臺(tái)高速攝像機(jī)2(幀率500 fps),用來記錄滑塊運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程,如圖1所示。對(duì)于高速相機(jī)圖像數(shù)據(jù),選用開源軟件GeoPIV進(jìn)行處理分析,從而獲得滑塊在撞擊底板后的破碎過程和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同節(jié)理?xiàng)l件下塊體的破碎過程分析

在實(shí)際滑坡失穩(wěn)過程中,不同結(jié)構(gòu)形式的巖體失穩(wěn)下滑會(huì)產(chǎn)生不同的破碎特征。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)能較好地與實(shí)際滑坡相聯(lián)系,并且在實(shí)際滑坡中均能找到相似的巖體結(jié)構(gòu)形式。比如2009年重慶武隆雞尾山滑坡[5]被兩組近于正交的陡傾結(jié)構(gòu)面切割,形成“積木塊”狀的灰?guī)r山體,其沿緩傾軟弱夾層發(fā)生整體滑動(dòng),形成高速運(yùn)動(dòng)的碎屑流體,這與本試驗(yàn)中設(shè)置的兩組正交組合型節(jié)理相似。2017年新磨村發(fā)生的高位遠(yuǎn)程巖質(zhì)順層滑坡[17],滑體在高速運(yùn)動(dòng)過程中不斷發(fā)生解體破碎,以碎屑流態(tài)高速運(yùn)動(dòng),最終因前緣阻擋以及能量的不斷消耗逐漸停積下來,這種順層結(jié)構(gòu)與本次試驗(yàn)中設(shè)置的水平向節(jié)理類似。

為對(duì)8種組合的破碎過程進(jìn)行分析,選取滑塊下滑至底板時(shí)這一典型過程進(jìn)行分析,T2、T3、T4和T5、T6、T7分別為一組節(jié)理和兩組節(jié)理的不同組合形式,在同一位置失穩(wěn)下滑產(chǎn)生的破碎特征明顯不同,破碎過程如圖4所示。因?yàn)楣?jié)理面之間無黏結(jié)且為貫通節(jié)理面,在不考慮橫向組合長(zhǎng)度時(shí)T1與T3、T2與T6、T4與T5及T7與T8有都有著相似的破碎過程,選取T1、T2、T4、T7的破碎過程進(jìn)行分析,破碎過程示意如圖5所示。

圖4 破碎過程Fig.4 Fragmention process

圖5 部分破碎過程示意Fig.5 Schematic diagram of the fragmenting process

對(duì)于T1、T2、T3和T6,都是塊體前緣與底板接觸,前緣發(fā)生強(qiáng)烈破碎,裂縫從前延伸至后部,并在運(yùn)動(dòng)停積過程中逐漸解體。而T4、T5、T7和T8與底板接觸后前部塊體發(fā)生明顯的破碎,繼而又在后部塊體的二次碰撞下,前部塊體發(fā)生二次破碎,生成大量的細(xì)小顆粒,并為后部塊體起到緩沖阻擋作用,導(dǎo)致后部塊體停積于轉(zhuǎn)折處附近,并且堆積塊徑一般都較大,整體的破碎程度相比于無二次碰撞的組合方式小。這說明滑塊的破碎主要產(chǎn)生于第一次與底板撞擊的瞬間,而后部塊體的二次碰撞作用只是增加了前部塊體的破碎程度,并為后部塊體提供了“保護(hù)墊作用”,使后部塊體仍然保持較大的塊徑和形態(tài)。這也解釋了,為何在同體積不同組合下T3和T6的堆積體更破碎,變形更強(qiáng)烈,正是缺少了這種保護(hù)墊作用。

根據(jù)不同的接觸破碎方式將滑塊的破壞模式分為:撞擊破碎、二次碰撞破碎、滑動(dòng)摩擦破碎。從滑塊的破碎程度來看,撞擊破碎>二次碰撞破碎>滑動(dòng)摩擦破碎。

(1) 撞擊破碎指的是滑塊在下滑過程中只與底板發(fā)生接觸撞擊,從而導(dǎo)致其破碎。這種破碎方式主要發(fā)生于無后部塊體條件下的T1、T2、T3、T6,并且與底板的撞擊是導(dǎo)致塊體嚴(yán)重破碎的主要原因?；瑝K下滑至底板發(fā)生強(qiáng)烈的撞擊,前緣迅速產(chǎn)生多條裂縫并迅速向后部延展,隨后解體破碎產(chǎn)生大量細(xì)小顆粒。Haug[13]認(rèn)為試驗(yàn)中塊體破碎主要來自于塊體撞擊底板后被迫發(fā)生轉(zhuǎn)向?qū)е聣K體彈性彎曲,從而引起滑塊拉張斷裂。如圖5所示T1和T2的撞擊破碎過程,在滑塊前緣發(fā)生劇烈變形,生成較多細(xì)小顆粒,大塊徑堆積體主要來自后緣塊體和上部塊體。這與實(shí)際滑坡失穩(wěn)崩滑過程中,滑體與地形轉(zhuǎn)折處或者堅(jiān)硬巖層發(fā)生撞擊時(shí)巖體產(chǎn)生破碎解體的過程類似。并且這種堆積形態(tài)與滑坡碎屑流堆積物中常見的反逆序結(jié)構(gòu)[18]相似。

(2) 二次碰撞破碎指的是在前部塊體與底板發(fā)生撞擊作用后,又因?yàn)楹蟛繅K體的存在發(fā)生二次碰撞,導(dǎo)致前部塊體發(fā)生兩次破碎生成大量小顆粒,并且為后部塊體提供緩沖平臺(tái),使得后部塊體破壞較小,以較完整的形態(tài)堆積于平臺(tái)。二次碰撞破碎主要發(fā)生于T4、T5、T7、T8中,這與實(shí)際滑坡失穩(wěn)崩滑過程中,滑體間的巖塊發(fā)生相互碰撞產(chǎn)生破碎解體的過程類似。鄭光等[18]在對(duì)四川茂縣新磨村滑坡-碎屑流進(jìn)行塊徑分析時(shí),發(fā)現(xiàn)6～10 m直徑的塊石主要分布在堆積體后部區(qū)域,前部堆積體中含量相對(duì)較少,而小于2 m的塊石整個(gè)堆積區(qū)域中幾乎都存在。這說明在實(shí)際滑坡失穩(wěn)過程中同樣也存在保護(hù)墊效應(yīng),使得滑體破碎減小,堆積體從而能保持大的塊徑。在同體積不同組合下,T3和T6組合產(chǎn)生的破碎程度明顯大于其他兩種,正是因?yàn)槿鄙龠@種保護(hù)作用,使得整體破碎程度要大于其他兩種,如圖5中T4和T7破碎過程。

(3) 滑動(dòng)摩擦破碎是由于滑塊與斜槽和底板接觸時(shí)因不可避免的摩擦作用,使其產(chǎn)生少量的破碎。與底板接觸時(shí),因?yàn)槟Σ亮Φ淖饔?導(dǎo)致滑塊產(chǎn)生少量的顆粒,并且形成一定的滑痕,比如(圖4,T3,0.32 s)。這種摩擦破壞在整個(gè)過程中都存在,但并不是引起滑塊破碎變形的主要原因。該現(xiàn)象與現(xiàn)實(shí)滑坡中滑床與滑帶發(fā)生的剪切破碎相似,是部分細(xì)顆粒和滑痕產(chǎn)生的主要原因之一。

2.2 不同節(jié)理?xiàng)l件下塊體的破碎特征分析

由于試塊強(qiáng)度相對(duì)于一般的巖石強(qiáng)度較低,破碎產(chǎn)生的小塊體若采用振動(dòng)篩分,會(huì)引起二次破碎影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,故本次試驗(yàn)采用人工測(cè)量粒徑并記錄質(zhì)量,測(cè)量時(shí)最小的粒徑定為1 cm,小于1 cm的歸為一類。Hardin[19]根據(jù)顆粒試驗(yàn)前后分布曲線的變化,從能量角度定義了破碎勢(shì)能Bp0和總破碎量Bt,進(jìn)而提出了相對(duì)破碎率的概念,其表達(dá)式為Br=Bt/Bp0,并且認(rèn)為粒徑小于0.074 mm的細(xì)顆粒對(duì)顆粒破碎的影響不大。為了更好地量化滑塊的破碎程度,本文采用相對(duì)破碎率Br來量化堆積體的破碎程度。

如圖6所示,根據(jù)人工測(cè)量堆積體粒徑和質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)滑塊的堆積距離在25～250 cm之間,并占據(jù)90%以上的累積質(zhì)量,而最遠(yuǎn)處往往為小碎片,累積質(zhì)量不足1%。0～25 cm范圍內(nèi)的累積質(zhì)量曲線大多呈直線較陡峭,25 cm之后則呈現(xiàn)出圓弧狀逐漸變緩。這說明塊體大粒徑堆積體主要停積于轉(zhuǎn)折處附近,并且塊徑大小向堆積物前部逐漸減小,級(jí)配范圍和破碎程度逐漸增加。Zhao等[15]在其數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn),滑塊在一定滑面角度時(shí)前緣與底板發(fā)生劇烈撞擊,使得前緣產(chǎn)生強(qiáng)烈變形生成大量破碎塊體起到阻擋后部塊體運(yùn)動(dòng)的作用,使得堆積體主要停積于轉(zhuǎn)折處附近。大量細(xì)小顆粒也在大塊體的屏障作用下堆積于轉(zhuǎn)折處,導(dǎo)致轉(zhuǎn)折處堆積體累積質(zhì)量增加。

圖6 堆積體不同堆積距離處顆粒質(zhì)量百分比曲線Fig.6 Mass percentage curves of particles at different distances of accumulation

每次試驗(yàn)的堆積分布圖和粒徑級(jí)配曲線如圖7所示。因?yàn)樗薪M合都是由單個(gè)滑塊組成,所以只考慮每次試驗(yàn)堆積體的最終級(jí)配。表1為所有試驗(yàn)破碎特征參數(shù)的結(jié)果。

表1 破碎特征參數(shù)Tab.1 Parameters of fragmenting

圖7 顆粒堆積特征和顆粒質(zhì)量百分比曲線Fig.7 Depositing characteristics and mass percentage curve of particles

(1) 對(duì)于單滑塊條件,如圖7(a)所示T1作為參照試驗(yàn),破碎主要發(fā)生在與底板撞擊的時(shí)刻,堆積體主要堆積在0～0.75 m之間,粒徑范圍主要集中在1～15 cm之間,大塊徑堆積體(粒徑10～15 cm)主要位于堆積距離的中部,而小顆粒(粒徑1 cm)則在所有的堆積區(qū)域中均能見到。這說明滑塊的破碎主要來自于轉(zhuǎn)折處的撞擊,小顆粒拋灑而出,而大塊徑堆積體受底板的摩擦作用,停積于轉(zhuǎn)折處附近。

(2) 對(duì)于兩滑塊條件,若設(shè)置不同方向的節(jié)理面,最終產(chǎn)生的破碎特征也不一樣。如圖7(b)所示,T2在堆積圖上也能見到較大塊徑的試塊,并且粒徑累積曲線明顯較其他兩種陡峭,相對(duì)破碎率也遠(yuǎn)低于其他兩組工況。這是因?yàn)榇嬖谒较蚬?jié)理使得破碎顆粒主要來自與底板發(fā)生接觸的滑塊,所以上部塊體僅發(fā)生沿邊緣的細(xì)微變形,而下部塊體則出現(xiàn)明顯破碎解體。

如圖7(c)、(d) 所示,T3和T4被節(jié)理面切割后產(chǎn)生的塊體大小一樣,區(qū)別在于節(jié)理面的設(shè)置方向不同。T3粒徑累積曲線相對(duì)于T4較平緩,相對(duì)破碎率大于T4。這是因?yàn)門3為豎向節(jié)理,是撞擊破碎模式;而T4為橫向節(jié)理,是二次碰撞破碎模式;對(duì)滑塊的破碎作用上,撞擊破碎大于二次碰撞破碎。通過設(shè)置不同節(jié)理方向,發(fā)現(xiàn)兩滑塊失穩(wěn)下滑時(shí)產(chǎn)生的破碎效果和運(yùn)動(dòng)距離排序?yàn)?豎向(T3)>橫向(T4)>水平向(T2)。

(3) 對(duì)于4滑塊條件下,T5、T6與底板直接發(fā)生撞擊的塊體數(shù)量相同(2塊),但是破碎特征卻明顯不同,如圖7(e)、(f)所示。由于T5存在橫向節(jié)理,使得其存在后部塊體,從而發(fā)生二次碰撞破碎,整體破碎率和運(yùn)動(dòng)距離下降,并且遠(yuǎn)小于T6。T6與T7都存在水平節(jié)理面,區(qū)別在于T6為水平和豎向的組合,T7為水平和橫向的組合。將兩者與T3、T4的破碎特征對(duì)比,具有一定的相似性。在兩組節(jié)理?xiàng)l件下,4滑塊失穩(wěn)下滑時(shí)產(chǎn)生的破碎效果和運(yùn)動(dòng)距離排序?yàn)?水平向+豎向(T6)>豎向+橫向(T5)>水平向+橫向(T7)。結(jié)合兩滑塊結(jié)果,說明豎向節(jié)理的存在具有增加破碎和運(yùn)動(dòng)距離的作用。

(4) 對(duì)于8滑塊T8,設(shè)置3組節(jié)理(水平向、豎向和橫向),其與4滑塊T5的區(qū)別在于增加了水平向節(jié)理。因?yàn)闄M向節(jié)理的存在,分割形成了后部塊體,兩者都為二次碰撞破碎模式,從堆積圖中發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)折處都堆積了較大塊徑的堆積體,如圖7(e)、(h)所示。在這種組合形式下,相比于T5,T8的破碎率和運(yùn)動(dòng)距離并沒有增加,這是因?yàn)楣?jié)理面的切割程度增加,使得滑塊在失穩(wěn)下滑過程中破碎率和運(yùn)動(dòng)距離減小,如圖7(h)中所示大塊體主要堆積體于轉(zhuǎn)折處,運(yùn)動(dòng)距離相比T5明顯減小,并且相對(duì)破碎率也處于一個(gè)較低值。

2.3 相對(duì)破碎率與運(yùn)動(dòng)距離、能量的關(guān)系

為了得到塊體的運(yùn)動(dòng)距離與相對(duì)破碎率間的關(guān)系,將LS進(jìn)行無量綱處理。

(1)

式中:LS為最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離,cm;V為滑塊體積,cm3。

圖8為最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離LS與相對(duì)破碎率Br的線。觀察圖8中各點(diǎn)的分布,最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離與相對(duì)破碎率關(guān)系不是很明顯,但是整體上最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離隨相對(duì)破碎率增大而增大。Bowman等[11]使用天然煤塊,通過離心機(jī)模型實(shí)驗(yàn)也同樣得出同樣的趨勢(shì)和規(guī)律。試驗(yàn)中假設(shè)滑塊在斜槽上運(yùn)動(dòng)時(shí)以滑動(dòng)為主,當(dāng)不考慮滑塊破碎和體積擴(kuò)張耗能[20],按照能量守恒具有:

圖8 的線Fig.8 Relation curve of

(2)

當(dāng)滑塊撞擊底板停積后,v=0,有如下關(guān)系:

Ep=ρgVH=fL

(3)

式中:Ep為滑塊的勢(shì)能,J;m為滑體質(zhì)量,kg;H為滑體下落高度,m;v為滑體運(yùn)動(dòng)速度,m/s;f為滑體與滑床之間的摩擦力,N;L為滑體運(yùn)動(dòng)距離,m;ρ為滑體密度,kg/m3。

因此決定滑塊破碎解體最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離的是其勢(shì)能。滑塊在轉(zhuǎn)折處與底板發(fā)生碰撞從而產(chǎn)生碎屑化,滑塊碎屑化后大部分都相對(duì)較小,并且在碰撞瞬間的能量變化難以量化。為了更好地研究滑坡沖擊破碎過程中的能量耗能變化規(guī)律,使用碰撞后破碎動(dòng)能Ek與勢(shì)能Ep之比來分析試驗(yàn)中不同工況破碎能的變化情況,將計(jì)算結(jié)果列于表1。利用動(dòng)能定理計(jì)算碰撞后破碎動(dòng)能的公式為:

(4)

式中:m為滑塊質(zhì)量,kg;v0為碰撞前滑塊輪廓的瞬間速度,m/s;v1為碰撞后滑塊輪廓的瞬間速度,m/s;Ek為碰撞破碎動(dòng)能,J。

滑塊失穩(wěn)下滑時(shí)破碎能占比隨著相對(duì)破碎率增加而增加,破碎耗能與相對(duì)破碎率之間存在著線性關(guān)系,如圖9所示。在一次完整的運(yùn)動(dòng)中破碎耗動(dòng)能占總勢(shì)能的比例越大,其破碎程度越高,粒徑累積曲線趨于平緩,相對(duì)破碎率越大。這說明在實(shí)際滑坡中若因?yàn)榈匦我蛩匾鸬膭?dòng)能變化,相對(duì)應(yīng)的也會(huì)形成較大的破碎能和相對(duì)破碎率。Blasio等[14]提到隨著滑面角度增加,存在一個(gè)臨界滑面角度使得動(dòng)量提升明顯,在這個(gè)角度之上,使其增加運(yùn)動(dòng)距離的水平動(dòng)量提升5%～10%,從而影響堆積物的破碎特征和最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離。當(dāng)然這個(gè)臨界值目前還是難以確定的,并且目前的研究也大多是根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果來分析推測(cè)的。

圖9 Ek/Ep～Br的線Fig.9 Relation curve of Ek/Ep～Br

3 討 論

本文研究對(duì)象主要是常見的前緣開闊平面撒開型滑坡。根據(jù)各類地貌的空間分布特征,可將滑坡區(qū)自后向前劃分為物源區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)[21]。當(dāng)物源區(qū)巖體發(fā)育有優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面時(shí),其沿不同方向切割,在滑坡失穩(wěn)破碎過程中可能會(huì)引起不同的破碎特征和運(yùn)動(dòng)距離。破碎在滑坡的運(yùn)動(dòng)過程中是普遍存在的現(xiàn)象,之前的相關(guān)研究都表明了破碎會(huì)增加滑坡堆積體的最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離。本次斜槽物理模型試驗(yàn)主要考慮了水平向、豎向、橫向節(jié)理以及組合型節(jié)理分割滑塊后,不同組合對(duì)滑塊失穩(wěn)-堆積過程的影響。

圖10 本文試驗(yàn)結(jié)果與Bowman試驗(yàn)及實(shí)際滑坡對(duì)比的曲線Fig.10 curve in this paper compared with Bowman′s test and actual landslides

斜槽試驗(yàn)中當(dāng)滑塊具有類似的節(jié)理切割方式時(shí),其最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離隨著相對(duì)破碎率的增大而增大,并且對(duì)于真實(shí)滑坡也具有類似規(guī)律。說明無論是在室內(nèi)小尺寸的斜槽試驗(yàn)中還是實(shí)際的大體積滑坡中,都具有最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離隨相對(duì)破碎率的增加而增加的趨勢(shì)。Bowman 試驗(yàn)中得到的標(biāo)準(zhǔn)化最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離要比斜槽試驗(yàn)中小得多,這是由于他的試驗(yàn)是在土工離心機(jī)中進(jìn)行的,傾斜段長(zhǎng)度要小于斜槽試驗(yàn),同時(shí)傾斜段和堆積區(qū)域采用的是中等粗糙的砂紙,摩擦力較大,摩擦耗能增多,導(dǎo)致最終的運(yùn)動(dòng)距離要遠(yuǎn)小于斜槽試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

通過開展斜槽試驗(yàn)研究了不同節(jié)理組合的試塊在自重作用下失穩(wěn)下滑的破碎特征和運(yùn)動(dòng)距離。利用布設(shè)的高速攝像機(jī)和人工測(cè)量的方法對(duì)不同組合滑塊的破碎過程和特征進(jìn)行研究,得到以下主要結(jié)論:

(1) 通過圖像數(shù)據(jù)分析滑塊破碎的完整過程,發(fā)現(xiàn)與底板發(fā)生的劇烈撞擊在滑塊破碎解體中起主導(dǎo)作用,而滑塊間的碰撞則次之。根據(jù)滑塊的接觸破碎方式提出了三種破碎模式:撞擊破碎、二次碰撞破碎、滑動(dòng)摩擦破碎。

(2) 滑塊破碎在高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑化運(yùn)動(dòng)中起關(guān)鍵作用,巖塊結(jié)構(gòu)控制著滑體的變形、破壞特征和運(yùn)動(dòng)距離,對(duì)于不同節(jié)理?xiàng)l件下的巖塊更是如此。在兩滑塊條件中,發(fā)現(xiàn)滑塊失穩(wěn)下滑時(shí)產(chǎn)生的破碎效果和運(yùn)動(dòng)距離排序?yàn)?豎向(T3)>橫向(T4)>水平向(T2);在4滑塊條件組合型節(jié)理則為:水平向+豎向(T6)>豎向+橫向(T5)>水平向+橫向(T7)。說明豎向節(jié)理的存在有助于滑塊的破碎和運(yùn)動(dòng)距離的增加,但隨著節(jié)理面的切割程度增加,滑塊在失穩(wěn)下滑過程中破碎率和運(yùn)動(dòng)距離會(huì)相對(duì)減小。