唐 鵬，陳國慶，黃潤秋，路曉東

(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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

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基于物理模擬試驗(yàn)的巖質(zhì)滑坡地表位移分析

唐 鵬，陳國慶，黃潤秋，路曉東

(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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

三段式巖質(zhì)滑坡是一種典型的斜坡變形破壞模式，運(yùn)用二維地質(zhì)力學(xué)加載系統(tǒng)對其變形破壞全過程進(jìn)行物理模擬試驗(yàn)研究，采用激光位移計對坡頂和坡腳位置進(jìn)行位移監(jiān)測。結(jié)果表明：位移監(jiān)測曲線總體上表現(xiàn)為鎖固段經(jīng)歷長時間的能量積累與應(yīng)力調(diào)整后的突發(fā)脆性破壞；由于軟弱夾層具有蠕滑特性，前緣蠕滑階段呈現(xiàn)出與土質(zhì)滑坡相似的初始變形→等速變形→加速變形特征；后緣拉裂階段作為最短暫的變形階段，其位移監(jiān)測曲線表現(xiàn)為“減- 增- 減- 增”的“W”型變化趨勢；鎖固段是三段式巖質(zhì)邊坡維持穩(wěn)定的關(guān)鍵所在，其受剪變形的順序?yàn)橄壬虾笙?，損傷變形由端部向中部遞進(jìn)，最終鎖固段剪斷形成突發(fā)脆性破壞，滑坡高速啟動。

巖質(zhì)滑坡；三段式滑坡；物理模擬；地表位移分析； 鎖固段

三段式變形破壞模式是巖質(zhì)邊坡常見地質(zhì)力學(xué)變形破壞模式之一[1]，此類邊坡的變形破壞具有分三段發(fā)育的特征，即前緣蠕滑、后緣拉裂和中部鎖固段剪斷。黃潤秋[2]指出，三段式變形破壞模式的邊坡具有獨(dú)特的地質(zhì)結(jié)構(gòu)：坡體主體由相對均值的脆性巖體或半成巖體構(gòu)成，坡腳發(fā)育近水平或緩傾坡外的軟弱結(jié)構(gòu)面；或以堅硬巖體為主，但夾有相對較薄的緩傾坡外的軟弱夾層。本文將這種具有獨(dú)特地質(zhì)結(jié)構(gòu)并分三段發(fā)育的滑坡稱為三段式巖質(zhì)滑坡，此類滑坡常表現(xiàn)為突發(fā)性高速遠(yuǎn)程滑動，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，因此三段式巖質(zhì)滑坡研究具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外學(xué)者對三段式巖質(zhì)滑坡進(jìn)行的大量研究主要是基于野外調(diào)查的宏觀地質(zhì)分析和基于數(shù)值模擬的地質(zhì)過程再現(xiàn)。李季等[3]以龍羊峽近壩庫岸滑坡為研究對象，分析了三段式巖質(zhì)滑坡高速滑動的成因機(jī)制。胡卸文等[4]通過對唐家山滑坡的野外調(diào)查研究分析了三段式巖質(zhì)滑坡的滑后運(yùn)動機(jī)制。張倬元、黃潤秋等[5～6]通過野外地質(zhì)調(diào)查，從巖體結(jié)構(gòu)角度指出，三段式巖質(zhì)滑坡坡體穩(wěn)定性主要受控于鎖固段，隨著蠕滑和拉裂的發(fā)展鎖固段應(yīng)力逐步積累，最終能量突然釋放形成高速滑坡。湯鎮(zhèn)江[7]在地質(zhì)調(diào)查資料分析的基礎(chǔ)上對三段式巖質(zhì)滑坡進(jìn)行數(shù)值模擬并分析了其穩(wěn)定性的影響因素。E. Eberhardt[8]和Y. Guglielmi[9]利用CWFS本構(gòu)模型模擬了大型巖質(zhì)邊坡鎖固段的破壞過程。張倬元、劉漢超[10]基于野外調(diào)查研究提出了依據(jù)后緣拉裂深度進(jìn)行三段式巖質(zhì)滑坡預(yù)警預(yù)報的思路和邊坡失穩(wěn)臨界深度計算方法。黃潤秋等[11]提出了考慮鎖固段對邊坡穩(wěn)定性有利作用的評價方法；陳國慶等[12]采用動態(tài)和整體強(qiáng)度折減法分析了巖質(zhì)滑坡漸進(jìn)失穩(wěn)過程中的穩(wěn)定性。在室內(nèi)試驗(yàn)方面，唐鵬等[13]設(shè)計了三段式巖質(zhì)滑坡物理模型并由此開展了二維地質(zhì)力學(xué)物理模擬試驗(yàn)，再現(xiàn)了三段式巖質(zhì)滑坡變形破壞全過程并分析了鎖固段應(yīng)變規(guī)律，但對三段式巖質(zhì)滑坡的滑體運(yùn)動特征未深入研究。在滑坡地表位移研究方面，黃海峰等[14]提出了平滑先驗(yàn)分析法，結(jié)合滑坡變形機(jī)制分析有效提高了滑坡位移預(yù)測精度。

前人在三段式巖質(zhì)滑坡方面所做的大量工作大多以成因機(jī)制分析和穩(wěn)定性評價為主，較少涉及三段式巖質(zhì)滑坡地表位移研究。為深入揭示鎖固段變形破壞機(jī)制并為三段式巖質(zhì)滑坡穩(wěn)定性評價和臨滑預(yù)警奠定基礎(chǔ)，本文基于物理模擬試驗(yàn)，采用激光位移計對坡頂和坡腳部位進(jìn)行位移監(jiān)測，從坡表變形角度分析了三段式巖質(zhì)滑坡變形破壞全過程，細(xì)觀深入地分析了前緣蠕滑、后緣拉裂和鎖固段受剪的變形特征。

1 三段式巖質(zhì)滑坡物理模擬試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

實(shí)際滑坡案例是復(fù)雜多樣的，為了使得本次針對巖質(zhì)邊坡三段式變形破壞模式的物理模擬研究具有廣泛代表性，試驗(yàn)原型采用文獻(xiàn)[2]提出的大型巖質(zhì)滑坡三段式變形破壞模式抽象概化模型，通過控制物理模型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對三段式滑坡獨(dú)特地質(zhì)結(jié)構(gòu)的定性化模擬。

表1 模型相似材料及質(zhì)量配比

本次試驗(yàn)采用唐鵬等[13]提出的具有分區(qū)特性的三段式巖質(zhì)滑坡物理模型和數(shù)控加壓探頭頂部加壓的加載方式(圖1)。模型整體被分為四個部分(圖2a)，第Ⅰ部分模擬后緣拉裂區(qū)；第Ⅱ部分為中部鎖固段；第Ⅲ部分模擬邊坡軟弱基座，為蠕滑區(qū)；第Ⅳ部分為模型主體，模擬邊坡滑床及滑體。選取石膏、水泥、石英砂、水作為制樣材料，模型各部分材料用量如表1所示，區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ普通養(yǎng)護(hù)18 d，區(qū)域Ⅲ普通養(yǎng)護(hù)6 h。本試驗(yàn)在成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維地質(zhì)力學(xué)系統(tǒng)上進(jìn)行，在坡頂和坡腳部位分別布置激光位移計以監(jiān)測坡表變形。試驗(yàn)采用的激光位移計靈敏性好、精度高，每隔0.016 s捕捉一組距離數(shù)據(jù)(平均每秒捕捉60余組數(shù)據(jù))，各組數(shù)據(jù)均精確到0.000 1 mm。

圖1 模型設(shè)計示意圖Fig.1 Schematic diagram of the model design

1.2 坡表位移數(shù)據(jù)處理

本文需要通過數(shù)據(jù)處理得到坡頂部位水平方向位移變化量。試驗(yàn)中滑體只有兩種基本的運(yùn)動形式：繞鎖固段的旋轉(zhuǎn)和垂向坐落式平移(圖2)。當(dāng)滑體繞鎖固段旋轉(zhuǎn)(圖2a)時，坡頂激光位移計可監(jiān)測到ΔS=S2-S1；如果在坡頂水平方向布設(shè)有激光位移計，那么該激光位移計將監(jiān)測到位移變化量X。顯然，存在幾何關(guān)系X=ΔS×cotβ。因?yàn)樵囼?yàn)中偏轉(zhuǎn)位移量極小(不超過0.366 mm)，所以可認(rèn)為cotα= cotβ。因此，有X=ΔS×cotα。當(dāng)滑體坐落式平移(圖2b)時，坡頂激光位移計可監(jiān)測到ΔS=S2-S1；如果在坡頂水平方向布設(shè)有激光位移計，那么該激光位移計將監(jiān)測到位移變量X。顯然，ΔS與X之間有嚴(yán)格的幾何關(guān)系X=ΔS×cotα。

試驗(yàn)中滑體只有三種運(yùn)動形式：①以鎖固段為中心的偏轉(zhuǎn)；②坐落式平移；③前面兩種方式的復(fù)合運(yùn)動。依據(jù)前述分析，滑體在各種運(yùn)動模式下均可計算坡頂水平位移值：

X=ΔSn×cotα=(Sn-S0) ×cotα

(1)

式中：X——斜坡旋轉(zhuǎn)時坡面頂部的水平位移值/mm，位移量的正負(fù)值依據(jù)圖中坐標(biāo)系確定；

S0——激光位移計采集的初始距離值/mm；

Sn——激光位移計第n次測量距離值/mm；

α—坡面傾角，模型設(shè)計為75°。

圖2 試驗(yàn)中滑體的運(yùn)動形式Fig.2 Movement form of the sliding body in the experiment

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

“滑移—拉裂—剪斷”三段式巖質(zhì)滑坡的變形破壞全過程具有分三段發(fā)育特征，即下部沿近水平或緩傾坡外(內(nèi))結(jié)構(gòu)面蠕滑、后緣拉裂和中部鎖固段剪斷。

2.1 滑坡變形破壞全過程分析

從坡頂全過程位移監(jiān)測曲線(圖3)可見，三段式巖質(zhì)滑坡具有厚積薄發(fā)的特點(diǎn)，其變形破壞過程總體上表現(xiàn)為以鎖固段為核心的能量逐漸積累和能量突然釋放。試驗(yàn)全過程歷時364 s，鎖固段經(jīng)過364 s的應(yīng)力調(diào)整和能量積累，最終突發(fā)性破壞，導(dǎo)致滑坡高速啟動。

試驗(yàn)初期，邊坡模型經(jīng)歷短暫調(diào)整后迅速進(jìn)入前緣蠕滑階段(圖4 ①)：坡頂受拉且位移持續(xù)增大，出現(xiàn)兩個明顯峰值，此時坡頂結(jié)構(gòu)面受壓，滑體在坡頂位置向坡內(nèi)間斷性緩慢加速運(yùn)移；坡腳出現(xiàn)兩次向坡外的位移峰值，最大量值可達(dá)0.366 mm，前緣軟弱基座物質(zhì)塑性擠出，后緣坡體沿豎向引導(dǎo)縫生成豎向微裂隙(圖5①)。從第100 s開始，進(jìn)入后緣拉裂階段(圖4 ②)：試驗(yàn)?zāi)Ｐ推马敳课豢邕^初始位置并持續(xù)向坡外運(yùn)動，結(jié)構(gòu)面拉位移出現(xiàn)兩次峰值，最大位移量值可達(dá)0.025 mm；隨著兩次顯著拉裂，微裂隙加寬加深，形成明顯拉裂縫(圖5 ②)。試驗(yàn)進(jìn)行到第150 s，坡頂位移回彈，坡頂結(jié)構(gòu)面由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，后緣拉裂階段結(jié)束，坡體穩(wěn)定性完全受控于鎖固段。此后，坡表位移無顯著變化(圖4 ③)，鎖固段能量不斷聚集(圖5 ③)，應(yīng)力狀態(tài)不斷調(diào)整，最終鎖固段剪斷，能量瞬間釋放，滑體彈射而出(圖4④、圖5 ④)。

圖3 坡頂位移- 時間曲線圖Fig.3 Displacement- time curve of the slope top

圖4 位移監(jiān)測曲線及變形階段劃分Fig.4 Displacement monitoring curve and deformation stage

圖5 滑坡模型破壞示意圖Fig.5 Schematic diagram of the landslide model failure

2.2 滑坡變形各階段細(xì)觀分析

(1)前緣蠕滑

三段式巖質(zhì)滑坡前緣具有緩傾坡外(內(nèi))的軟弱基座，因此其變形具有蠕滑特性。本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三段式巖質(zhì)滑坡前緣蠕滑階段具有與土質(zhì)滑坡相似的變形特征，即“初始變形→等速變形→加速變形”的累進(jìn)性變形過程(圖6)，這對三段式巖質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性評價和監(jiān)測預(yù)警具有指導(dǎo)意義。

圖6 前緣蠕滑的累進(jìn)性變形過程Fig.6 Progressive deformation process of the front creep

前緣蠕滑階段為0～100 s (圖 8)，占總變形時長的27.5%，分析發(fā)現(xiàn)：坡頂位移經(jīng)歷了位移調(diào)整→初始峰值(第8 s)→第一次平穩(wěn)(10～20 s)→第二次平穩(wěn)(20～42 s)→第一次峰值(第60 s)→第二次峰值(第78 s)→前緣蠕滑(第80 s)→蠕滑后調(diào)整(80～100 s)的各個階段。試驗(yàn)初期坡頂受拉，隨后應(yīng)力狀態(tài)迅速調(diào)整為受壓狀態(tài)，之后再次受拉。隨后壓應(yīng)力維持在較高水準(zhǔn)，位移量越過零點(diǎn)并直線飆升，坡頂進(jìn)入持續(xù)受壓狀態(tài)。坡頂位移量在第8 s時達(dá)到初始峰值，隨后在拉應(yīng)力作用下減小0.025 ～0.05 mm，并在此范圍內(nèi)交替增減，此時的拉、壓應(yīng)力不斷調(diào)整，應(yīng)力重分布現(xiàn)象顯著。試驗(yàn)進(jìn)行到第20 s，坡頂位移量突變，進(jìn)入0.05 ～0.08 mm這一新的范圍并持續(xù)22 s，這是位移量第一次出現(xiàn)相對平穩(wěn)。其中在第20～30 s位移量以“穩(wěn)- 增- 穩(wěn)- 減- 穩(wěn)- 增”的特征保持緩慢增長，第30～38 s位移量值恒定為0.075 mm，隨后坡頂受拉，坡頂位移量于第43 s降為0.05 mm，與此同時坡腳出現(xiàn)明顯的前緣蠕滑現(xiàn)象，向坡外的最大位移量達(dá)到0.28 mm。坡頂持續(xù)受壓，第43～60 s增速表現(xiàn)為“快- 慢- 快”的特征，到第60 s坡頂出現(xiàn)受壓位移量的第一次峰值0.17 mm，隨后3 s內(nèi)均受拉，位移量跌為0.09 mm。第63～78 s坡頂位移保持增加態(tài)勢，于第78 s出現(xiàn)第二次峰值0.19 mm。峰值過后坡頂位移緩慢減小，在第79～80 s坡頂拉應(yīng)力猛增，位移量直線下降。第85 s坡體出現(xiàn)大規(guī)模的前緣蠕滑現(xiàn)象，坡腳向坡外的位移量最大值達(dá)到0.366 mm。作為對前緣蠕滑的響應(yīng)，坡頂位移在第96 s出現(xiàn)位移量谷值，滑體在坡頂位置回歸初始狀態(tài)。

(2)后緣拉裂

后緣拉裂階段為第100～150 s，占總變形時長的13.7%，結(jié)合圖7對此階段進(jìn)行細(xì)觀分析發(fā)現(xiàn)，坡頂位移—時間圖像表現(xiàn)為“減- 增- 減- 增”的“W”型變化趨勢。拉位移的出現(xiàn)是后緣拉裂階段的開始標(biāo)志，滑體在坡頂位置向坡外運(yùn)動，第105 s位移值越過0點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)(坡外方向)，并于第112 s出現(xiàn)第一次拉位移峰值；從第112 s開始應(yīng)力重分布，第120 s后坡頂結(jié)構(gòu)面再次恢復(fù)受壓狀態(tài)。第125～135 s是第二次顯著拉裂階段，坡頂位置向坡外的最大水平位移量可達(dá)0.025 mm。后緣拉裂之后，坡頂迅速恢復(fù)其受壓狀態(tài)，位移量不斷增加。

圖7 后緣拉裂階段坡頂位移- 時間曲線圖Fig.7 Displacement of the slope top- time curve of the edge cracking stage

(3)鎖固段受剪

鎖固段的破壞雖然表現(xiàn)出突發(fā)脆性破壞特征，但具有長期的能量積累和應(yīng)力調(diào)整過程。鎖固段受剪階段為150～364 s，結(jié)合圖8對此階段進(jìn)行細(xì)觀分析，結(jié)果顯示：鎖固段受剪的順序?yàn)橄壬隙问芗粼傧露问芗簦绱私惶嫱鶑?fù)，損傷變形由兩端向中部遞進(jìn)，最終鎖固段剪斷形成突發(fā)脆性破壞，滑坡高速啟動。鎖固段受剪歷時214 s，占總變形時長的58.8%，表明三段式巖質(zhì)滑坡穩(wěn)定性主要受控于鎖固段。

鎖固段受剪階段頻繁的應(yīng)力重分布將直接導(dǎo)致坡頂和坡腳的位移變化。因此本文認(rèn)為當(dāng)坡頂位移曲線出現(xiàn)正峰值時(坡腳位移歸零)主要為鎖固段上段受剪；當(dāng)坡腳位移曲線出現(xiàn)正峰值時(坡頂位移歸零)主要為鎖固段下段受剪。

試驗(yàn)第150～210 s為前期應(yīng)力積累階段，鎖固段上部和下部法向應(yīng)力較小，坡頂和坡腳的位移曲線均維持相對平穩(wěn)狀態(tài)。經(jīng)過前期應(yīng)力積累，自第210 s起應(yīng)力重分布，鎖固段法向應(yīng)力在上部集中，坡頂位移出現(xiàn)峰值，坡腳位移量迅速歸零，鎖固段上部強(qiáng)烈受剪。自第260 s開始，鎖固段應(yīng)力再次調(diào)整，法向應(yīng)力由鎖固段上部向下部轉(zhuǎn)移，坡頂位移量由峰值逐漸回落的同時坡腳位移量上升。第280～340 s，坡腳位移出現(xiàn)峰值，坡頂位移歸零，法向應(yīng)力在鎖固段下部集中并引起剪切導(dǎo)致?lián)p傷。第340～355 s坡頂位移量增加，坡腳位移量減??；第355～361 s坡頂位移量減小，坡腳位移量增加；第361 s往后，坡頂位移量增加，坡腳位移量減小；最后坡頂和坡腳位移量急速增加，鎖固段剪斷。鎖固段表現(xiàn)出典型突發(fā)脆性破壞，破壞前應(yīng)力不斷調(diào)整，并引起鎖固段上、下部位交替受剪。

圖8 鎖固段受剪階段坡頂位移- 時間曲線Fig.8 Displacement of the slope top- time curve when the locking section is sheared

3 結(jié)論

(1)三段式巖質(zhì)滑坡變形破壞過程總體上呈現(xiàn)為鎖固段經(jīng)歷長期的能量積累和應(yīng)力調(diào)整后的突發(fā)脆性破壞。

(2)前緣蠕滑階段具有與土質(zhì)滑坡相似的變形特征，即呈現(xiàn)為初始變形→等速變形→加速變形的累進(jìn)性變形過程，這對三段式巖質(zhì)滑坡的監(jiān)測預(yù)警和穩(wěn)定性評價具有指導(dǎo)意義。

(3)后緣拉裂階段為最短暫的變形階段，其位移監(jiān)測曲線表現(xiàn)為“減- 增- 減- 增”特征的“W”型變化趨勢，經(jīng)歷了兩次顯著拉裂破壞。

(4)鎖固段受剪是三段式巖質(zhì)滑坡變形的主要階段，雖然鎖固段表現(xiàn)為突發(fā)脆性破壞，但其變形過程仍具有階段性特征。鎖固段受剪變形的順序?yàn)橄壬虾笙?，如此交替往?fù)，損傷變形由端部向中部遞進(jìn)，最終鎖固段剪斷形成突發(fā)脆性破壞，滑坡高速啟動。

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責(zé)任編輯：張若琳

Surface displacement analysis of rock slope based on physical simulation tests

TANG Peng, CHEN Guoqing, HUANG Runqiu, LU Xiaodong

(StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

Three- segment rockslide is a kind of unique mode from deformation to failure of a slope. Based on a 2- D geomechanics loading system, the physical simulation of the whole process from deformation to failure of the three- segment slide is accomplished. Displacement of the head and foot of the slope is tested with the laser displacement system. The experimental results indicate that the displacement monitoring curve generally shows the sudden brittle failure after the energy accumulation and stress adjustment. Because of the creep deformation of weak intercalation, the stage of creep consists of the initial deformation, the constant velocity deformation and the acceleration deformation just like that of a soil landslide. The stage of edge cracking is the most short- lived deformation stage, the displacement monitoring curve of which shows a “W” type change trend of “minus - increase- decrease- increase”. The locking section is the key of the stability of the rockslide, the foot of which is sheared after the top of which is sheared. Repeatedly, the damage deformation is progressive from the edge to the middle part. Eventually, the locking section is suddenly cut off. As a result, rockslide starts at a high speed.

rockslides; three segments slides; physical simulation; displacement analysis of surface; locking section

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.16

2016- 10- 14;

2016- 12- 09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41130745、41521002、41272330) ；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項(xiàng)目(2013CB733202)

唐鵬(1993- )，男，碩士研究生，主要從事巖土體穩(wěn)定性及工程環(huán)境效應(yīng)研究。E- mail：tp_tangpeng@126.com

陳國慶(1982- )，男，教授，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治和巖石力學(xué)研究。E- mail：chgq1982@126.com

P642.22

A

1000- 3665(2017)04- 0105- 06