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        順層巖質(zhì)斜坡變形破壞模式臨空條件研究

        2015-02-01 05:29:40婷,
        四川水力發(fā)電 2015年4期

        張 婷 婷, 周 春 清

        (中國人民武裝警察部隊 水電第三總隊,四川 成都 610036)

        順層巖質(zhì)斜坡變形破壞模式臨空條件研究

        張 婷 婷,周 春 清

        (中國人民武裝警察部隊 水電第三總隊,四川 成都610036)

        摘要:建立了以軟弱夾層為斜坡穩(wěn)定性主要控制面且?guī)r層面傾角與坡面角度一致、但臨空條件不同的斜坡地質(zhì)模型,提出了河谷底部有效巖體厚度d的概念,定量分析了不同變形破壞模式下的臨空條件。

        關(guān)鍵詞:順層巖質(zhì)斜坡;臨空條件;谷底有效巖體厚度;巖層層數(shù)

        1概述

        層狀邊坡是自然界中比較常見的巖體結(jié)構(gòu),它是指有一組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面十分發(fā)育且為巖層層面的斜坡。根據(jù)巖層面傾向與坡面傾向的關(guān)系,可以將層狀斜坡分為水平層狀巖質(zhì)斜坡、順傾向?qū)訝顜r質(zhì)斜坡、反傾向?qū)訝顜r質(zhì)斜坡[1]。不同類型的層狀邊坡發(fā)生的變形破壞模式有所不同:水平層狀邊坡主要以座落式剪切蠕變破壞為主,通常以后緣拉裂縫為主要標志[2];緩傾順層邊坡則通常發(fā)生順層面的剪切蠕變破壞,變形累計過程較漫長[3];陡傾順層邊坡則會發(fā)生彎向坡外的彎曲-傾倒蠕變傾倒破壞[4];而反傾層狀邊坡往往產(chǎn)生逆向剪切蠕變傾倒破壞[5];對于復(fù)雜的層狀結(jié)構(gòu)則會產(chǎn)生相對復(fù)雜的組合失穩(wěn)破壞模式[6]。然而,這些結(jié)論大都是一些定性的結(jié)論,而沒有進一步定量化。筆者建立了以軟弱夾層為斜坡穩(wěn)定性主要控制面的順傾向?qū)訝顜r質(zhì)斜坡為研究對象,對其變形破壞模式進一步劃分為順層滑移、切層滑移、滑移-彎曲三種類型,并提出了河谷底部有效巖體厚度d的概念,定量分析了順傾向?qū)訝顜r質(zhì)斜坡不同變形破壞模式下的臨空條件。

        2順傾向?qū)訝钸吰虏煌R空條件地質(zhì)模型

        順層巖質(zhì)斜坡可以發(fā)生順層滑移、切層滑移和滑移-彎曲三種典型變形破壞模式,在此基礎(chǔ)上建立了如圖1中所示的順層巖質(zhì)斜坡地質(zhì)模型。根據(jù)河谷下切的程度,分析可能的變形破壞模式。若河谷下切至圖1所示的位置①,即臨空面完全切穿滑體并切穿軟弱結(jié)構(gòu)面;若滑體的下滑力大于抗滑力,則上部滑體將沿軟弱面自由滑出;若河谷下切至圖1所示的位置②,若上部滑體的剩余下滑力能夠切斷坡腳處的谷底巖體,則會發(fā)生切層滑動;若河谷下切到圖1所示的位置③,滑體雖然具有下滑的趨勢,卻不能夠剪斷谷底的巖體,但該力卻能夠引起巖體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn),從而發(fā)生滑移-彎曲。

        圖1 不同臨空條件下的順層巖質(zhì)斜坡示意圖

        2.1順層滑移的臨空條件

        由圖1所示①可知,當斜坡前緣臨空面切穿順層巖體至軟弱面(一般為滑面)時,且剩余下滑力大于零時,斜坡將會發(fā)生沿軟弱面的順層滑動。

        設(shè)軟弱面上部巖體總重為W,巖層傾角為α,軟弱夾層內(nèi)摩擦角為φ,粘聚力為c,斜坡長為L,通過剛體極限平衡力學(xué)分析可知,斜坡順層滑移需要滿足的力學(xué)條件為:

        Wsinα-(Wcosαtanφ+cL)>0

        (1)

        即斜坡前緣完全臨空且滑移面(軟弱帶)暴露在臨空面上。此時谷底的有效巖體厚度d=0。

        2.2切層滑移的臨空條件

        由圖1所示②可知,當軟弱帶(滑移面)未暴露在外,但斜坡前緣巖層較薄、不足以抵抗上部斜坡巖體的剩余下滑力,則可能發(fā)生切穿巖層的切層滑移,對于此種情況,需在斜坡前緣切層處找一寬度為dx單元體進行受力分析(圖2)。該單元體上表面無剪應(yīng)力作用,故σx即為主應(yīng)力σ1,且σ3=0(圖3)。根據(jù)最大剪應(yīng)力理論:

        (2)

        圖2 切層滑移臨空條件分析的單元體選取示意圖

        圖3 切層滑移單元體受力分析示意圖

        仍按2.1中假設(shè)的已知條件,且設(shè)斜坡前緣谷底有效巖體厚度為d,則有:

        (3)

        進一步得到:

        (4)

        當谷底有效巖體厚度小于、等于d時,在上部巖體的剩余下滑力作用下,滑體將剪斷該處巖體產(chǎn)生切層滑動。

        2.3滑移-彎曲的臨空條件

        由圖1所示③可知,當軟弱帶(滑移面)未暴露在外且斜坡前緣巖層較厚,斜坡后緣滑體的剩余下滑力雖然不能切穿此部分巖體,但能夠?qū)е略摬糠謳r層的彎曲,從而導(dǎo)致前緣巖體發(fā)生彎曲隆起。

        假設(shè)滑移總長度為L,滑移段長度為l1,彎曲巖體長度為l2,巖層層數(shù)為n,巖層傾角為β,內(nèi)摩擦角為Em,粘聚力為c,巖體容重為γ,彈性模量為Em,則巖層彎曲的臨界力Fcr可根據(jù)一端固定、一端鉸支的壓桿穩(wěn)定歐拉公式計算:

        (5)

        此處將整個厚度上的巖層看作一個整體,對彎曲段發(fā)生彎曲時,只考慮其結(jié)構(gòu)上失穩(wěn)的力學(xué)條件,因此,不能將其自重作用考慮在內(nèi),否則不能采用歐拉公式。其力學(xué)模型見圖4。

        圖4 順層斜坡前緣巖體滑移-彎曲力學(xué)分析模型圖

        對于受后緣巖體下滑力作用而發(fā)生彎曲的前緣巖體,建立了如圖5所示的力學(xué)模型。假設(shè)后緣巖體的剩余下滑力為F,各個巖層面上的力為Fi,為便于表達,將支座的影響系數(shù)記為α。

        若巖體完整,即不存在結(jié)構(gòu)面時發(fā)生彎曲的臨界應(yīng)力為:

        (6)

        對于具有同樣總厚度、但由n層等厚巖體組成的層狀巖體而言,每層巖體彎曲時的臨界應(yīng)力應(yīng)有:

        (7)

        而彎曲時巖體的變形量ε與每層巖體的變形量是相同的,設(shè)巖體受到的剩余下滑力為Fm,故:

        圖5 層狀巖體彈性模量

        (8)

        由式(8)可得:

        (9)

        代入式(7):

        (10)

        對比式(6)與(10)可以看出,當彎曲巖體為等厚層狀巖體時,其轉(zhuǎn)動慣量I的折減系數(shù)為層數(shù)n的平方的倒數(shù)。

        此外,歐拉公式只適用于彈性變形,然而,對于巖體而言,其單位面積上所受的下滑往往已經(jīng)超過了巖體的比例極限而發(fā)生了彈塑性變形。針對該問題,工程中往往采用折減的彈性模量Er,其表達式為[7]:

        (11)

        式中Eσ為切線模量;E為彈性模量,如圖6。通過采用折減彈性模量就可以繼續(xù)采用歐拉公式的形式進行彎曲臨界力的求解。

        圖6 切線模量和彈性模量

        為簡便,將折減彈性模量Er簡單表達為與彈性模量的關(guān)系并用折減系數(shù)表示,即:

        Er=ψ·E

        (12)

        式中ψ為折減系數(shù),一般采用經(jīng)驗值或根據(jù)巖體的彈塑性特性確定。

        綜上可知,層數(shù)為n的等厚層狀巖體發(fā)生滑移-彎曲變形時應(yīng)滿足:

        (13)

        若式(13)求得不合理解,則表明在該坡長條件下斜坡不會發(fā)生彎曲,是穩(wěn)定的;否則斜坡將發(fā)生彎曲。為了區(qū)別,將切層滑移的最大谷底有效巖體厚度記作d切,而將滑移彎曲求得的最大谷底有效厚度記作d彎,則發(fā)生滑移-彎曲的谷底有效巖體厚度應(yīng)滿足

        d切

        (15)

        3結(jié)語

        通過將順層巖質(zhì)斜坡的變形破壞模式細化為順層滑移、切層滑移和滑移-彎曲三種類型,分別求其發(fā)生對應(yīng)的定量臨空條件后得到以下結(jié)論:

        (1)順層滑移時,河谷下切至切穿軟弱結(jié)構(gòu)面,河谷谷底的有效巖體厚度為0。

        (2)切層滑移時,河谷谷底的有效巖體厚度應(yīng)滿足:d≤d切。

        (3)滑移-彎曲時,河谷谷底的有效巖體厚度應(yīng)滿足:d切

        參考文獻:

        [1]黃洪波. 層狀巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析[D]. 浙江大學(xué)碩士論文,2003.

        [2]王輝. 巖層厚度對順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機理的影響[D]. 貴州大學(xué)碩士論文,2009.

        [3]陳自生. 淺論拱潰型順層巖質(zhì)滑坡[J]. 山地研究,1991,9(4):231-235.

        [4]陳全明.陡傾順層巖質(zhì)斜坡傾倒變形破壞機制的數(shù)值模擬研究[D]. 成都理工大學(xué)碩士論文,2011.

        [5]蔡靜森,晏鄂川,等. 反傾層狀巖質(zhì)邊坡懸臂梁極限平衡模型研究[J].巖土力學(xué), 2014,35(S1): 15-28.

        [6]孫訓(xùn)方,等,主編. 材料力學(xué)(第四版)[M]. 北京:高等教育出版社,2004.

        張婷婷(1987-),女,河南洛陽人,博士后,研究方向:巖土體穩(wěn)定性評價;

        周春清(1960-),男,山東費縣人,高級工程師,學(xué)士,從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.

        (責(zé)任編輯:李燕輝)

        收稿日期:2015-07-10

        文章編號:1001-2184(2015)04-0059-03

        文獻標識碼:B

        中圖分類號:P642;TV221

        作者簡介:

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