三段式岩质边坡锁固段破坏试验研究

 唐  鹏，陈国庆，冉  耀，王润平，路晓东，黄博睿

 （成都理工大学环境与土木工程学院，四川  成都  610059）

[摘要]三段式滑坡是我国西部地区的一种典型岩质滑坡地质灾害，它的稳定性主要受控于锁固段。运用二维地质力学加载系统对三段式滑坡进行物理模拟研究，再现了三段式滑坡蠕滑-拉裂-剪断变形破坏全过程，对锁固段的变形-破坏全过程进行应变监测，从定性和定量的角度对锁固段变形破坏进行了研究分析。结果表明：锁固段的破坏是脆性剪切破坏，锁固段上端的横向应变和下端的纵向应变对锁固段破坏的预测有指导意义。

[关键词]边坡；滑坡；锁固段；试验；物理模拟

[中图分类号]P642. 22 [文章编号]1002-8498(2016)07-0095-04

0  引言

 三段式滑坡是我国西部地区的一种典型岩质滑坡地质灾害。2008年发生在四川省北川县通口河引起堰塞湖的唐家山滑坡、重庆奉节引起地质体异常的大三马山滑坡、西河水库滑坡、黄河龙羊峡水电站近坝库岸河段的查纳、龙西等大型滑坡及四川溪口滑坡都是三段式滑坡的典型代表。三段式滑坡由于锁固段应力积累后突然释放，常常表现为高速远程滑坡，对人民群众生命财产安全和重大工程建设构成极大威胁。

 三段式滑坡的岩体结构面具有明显的三段式特征，边坡变形破坏过程为“滑移-拉裂-剪断”三段式模式。结构面下段由于软基效应而蠕滑，引起结构面上段产生自顶部向下的拉裂，使得岩质边坡稳定性完全受控于锁固段。在坡体自身重力作用下，随着时间推移，应力不断积累，锁固段应力集中越来越明显，最终剪断破坏，形成危害极大的高速远程滑坡。由此可见，探明锁固段的破坏机制对三段式滑坡稳定性评价有重要意义。国内外学者从数值模拟角度对其进行了大量研究，刘轶引入连续损伤结构模型，确定了锁固段的损伤本构方程；Eberhardt等和Guglielmi等利用CWFS本构模型模拟了大型岩质边坡锁固段的破坏过程。试验研究方面，多是针对岩桥进行诸如直剪试验的简单力学试验。因此，对岩质边坡锁固段建立物理力学模型进行研究很有必要。

 黄润秋研究指出，三段式滑坡坡体的主体部分由相对均质的脆性岩体或半脆性岩体构成，坡脚发育近水平或缓倾坡外的结构面。整个斜坡岩体以坚硬岩体为主，夹有相对较薄的软弱夹层。本文以此为原型，对三段式滑坡进行二维地质力学物理模拟研究，监测其变形一破坏全过程的应变特征，着重对其锁固段的变形破坏过程进行试验分析，为更加合理地描述锁固段破坏机制及岩质边坡稳定性定量评价奠定基础。

1试验总体设计

1.1  模型结构设计

 模型设计为五边形棱柱体，坡角700，其他尺寸参数如图l所示。整个模型为相对均质的脆性岩体，填充材料分为I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4个部分（见图1）。其中，第Ⅳ部分为主体部分，也是模型中强度最高的部分；第Ⅱ部分为“锁固段”，为显示其对整个滑坡的控制作用，并且要满足滑坡时的脆性破坏特征，其强度仅次于第Ⅳ部分；第1部分为滑坡过程中的“拉裂段”，强度低于第Ⅱ，Ⅳ部分；第Ⅲ部分为“蠕滑区”，强度最低，为整个模型中的软弱基座。第1，Ⅱ，Ⅲ部分强度均低于主体部分，联合构成本次试验模型的结构面。

1.2模型材料选用

 借鉴方辉成等对岩桥模型相似材料及其配合比选定标准的研究，选用石膏粉、石英砂、水泥和水4种材料进行物理力学性质试验。经过大量试验探索，最终确定了I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ各部分材料质量配合比，如表1所示。

1.3模型制作与养护

 模型制作是采用预先制备好的标准矩形木质模具（内部尺寸为30cm×30cm×5cm）进行浇筑。模型结构面所在位置用硬纸板填充定位，倒入搅拌均匀的第Ⅳ部分专配混合料，振捣密实。取出硬纸板，用相对应的专配混合料对结构面各段进行填充。模型各部分填充密实之后，用刮刀剔除浮浆，用水平尺校正上端面。试样成型后养护48h拆模，在温度20℃、湿度65%的条件下养护风干。

 养护15d，切除左上角部分（见图2），并在与拉裂段对应的坡面顶部位置开设1条宽约1mm、深约3mm的引导缝，最后切除第Ⅲ部分材料，将模型放入模具填充新材料，新填充材料：水泥21g，石膏粉47g，石灰砂146g，水35g。养护6h之后拆模进行试验。

1.4试验条件及方案

 本次试验在成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室二维地质力学模拟系统上进行。将模型固定于试验台架上，由加压探头从模型的预设加载部位（见图3）对其逐级等速间断加压。加压过程模拟了滑坡体重力作用的时间效应。

 在模型正面的锁固段部位贴上应变片，测试锁固段的应力和应变特征。应变片采用1/4桥接，其布置方式为：在锁固段位置（模型第Ⅱ部分）自上而下依次布置，编号为横1、纵1、横2、纵2、横3（见图3)。试验过程中，每级加载稳定后，均对各应变片所测数据进行实时读取。

2试验结果及分析

2.1  观察分析

 随着荷载从0开始逐级递增，模型变形迅速进入“蠕滑阶段”。设计在蠕滑区的软弱基座物质明显向“坡外”塑性挤出。加压至4MPa以后，出现明显声响。拉裂区的应力调整明显，其内部结构小规模破裂。

 加压到6MPa，拉裂段产生自坡体顶部向内部延伸的明显拉裂缝。模型结构面底部的软基效应引起“滑体”略向坡外偏转而产生的拉应力是拉裂缝产生的主要原因。这种独特的设计使得试验过程与三段式滑坡对应的“塑流，拉裂”模式相吻合，巧妙地模拟了三段式滑坡结构面上部的拉裂破坏。在此过程中，蠕滑段受到更为强烈的横向挤压，残留的软弱基座物质向“坡外”挤出。此时，拉裂段宣告破坏，蠕滑段也早已失去强度，三段式滑坡模型稳定性完全依赖于锁固段。

 随着加压继续进行，模型持续发出细微的“吱吱”声，声响平稳无较大起伏，待加压至13MPa，突然出现剧烈声响，锁固段破坏，滑坡体以近乎于弹射的形式快速启动，三段式滑坡形成。锁固段变形破坏有如下特征：①由拉裂段破坏到锁固段破坏，经历了由6MPa加压到13MPa这一漫长的过程，这是锁固段应力和能量不断积累的一个过程；②锁固段破坏伴随有突然而剧烈的声响，并使得滑体近于弹射式快速启动，这是锁固段应力突然释放的表现；③对破坏后试验模型进行观察，锁固段所在部位有明显擦痕。由以上特征可得出结论：锁固段的破坏是脆性剪切破坏。此次实验室模拟所得出的“脆性剪切破坏”结论与大光包滑坡锁固段破坏的宏观地质描述相吻合。

2.2监测分析

 对锁固段进行应变监测（见图4，5），结果显示：拉裂段破坏之前，锁固段横向应变有受拉趋势，甚至在锁固段某些位置监测到拉应变。显然，拉裂段的变形影响锁固段的应力状态。因为蠕滑段的软基效应引起拉裂段的破坏，拉裂段的变形一破坏过程影响锁固段的应力分布，所以三段式滑坡蠕滑段、拉裂段和锁固段三者的变形破坏并非相互独立，对锁固段的研究不应独立于蠕滑段和拉裂段进行。

 对锁固段横向应变进行分析。对横向应变监测发现，锁固段横向主要受压，而非受拉，这表明锁固段不是受拉破坏，只能是剪切破坏，验证了前文锁固段的破坏是剪切破坏的结论。加压到6MPa左右，拉裂段彻底破坏，锁固段上端的横向应变曲线在此时突变：由压应变逐渐增大转变为压应变逐渐减小。这是由于拉裂段破坏引起锁固段上端应力迅速调整所致。从锁固段的中端和下端应变监测结果来看，横向应变在锁固段破坏之前都是相对稳定的压应变。破坏前应变趋势的稳定表明应力正逐渐积累，直到破坏时突然释放。这与试验现象相契合的同时也验证了前文锁固段的破坏是脆性破坏这一结论。从防灾角度看，急剧迅速的脆性破坏对三段式滑坡预测预警不利。然而，在锁固段控制岩体稳定性时，锁固段上端的横向应变不断减小，有受拉趋势。应变监测曲线在锁固段破坏前一段时间内维持相对平稳状态，这作为锁固段破坏前的征兆，为滑坡预警提供了思路。

 对锁固段纵向应变进行分析。上端纵向应变显示受压，应变变化幅度相对较小，蠕滑段和拉裂段的变形破坏对其应变无明显影响，直到锁固段破裂前，应变曲线才有一个强烈折返。下端纵向应变显示受拉，应变变化幅度很大，拉应变随着加载进行持续增加；在拉裂区形成明显拉裂缝前后，拉应变增速先减后增，受拉裂段影响明显。锁固段完全破坏之前，锁固段下端纵向应变曲线有明显转折，纵向拉应变由最初的递增突然转为递减，曲线越过峰值，这对预测锁固段的破坏、进行三段式滑坡预警有指导意义。

 显然，三段式滑坡模型变形破坏全过程的应变监测参数和应变曲线变化规律再次印证了三段式滑坡是脆性剪切破坏。另外，锁固段破坏前，锁固段上端的横向压应变会由持续减小转为维持平稳，锁固段下端的纵向应变会由拉应变持续增加转为拉应变迅速减小。简言之，锁固段上端横向应变维持平稳和下端纵向应变越过峰值是锁固段破坏前的两个独特现象，实际工程中可通过这两个现象对锁固段破坏进行预测，有利于三段式滑坡预警。

3  结语

 根据上述分析，针对三段式滑坡的试验研究可获得如下几点认识。

 1)本文实现了对三段式滑坡全过程的实验室模拟。试验表明，锁固段破坏是脆性剪切破坏，其变形破坏并不独立于结构面顶部的拉裂和底部的蠕滑。

 2)对三段式滑坡进行预测时，就应变监测而言，锁固段上端的横向应变监测和下端的纵向应变监测最为有效。锁固段破坏前，在荷载．应变监测曲线上会有锁固段上端横向应变维持平稳和下端纵向应变越过峰值这两个独特现象。这对三段式滑坡的预测预警研究有指导意义。