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水驱型层状岩质边坡破坏机理的讨论

更新时间:2009-03-28

岩质边坡的稳定性分析是水利水电、铁路、公路、矿山等工程中经常遇到的问题,其安全性直接关系到工程的正常运行和人民的生命财产安全.通常坡体的破坏是一个从局部屈服开始,然后逐点扩展,最终形成大规模破坏的渐进过程.在此过程中,应力不断进行释放和重分布:首先破坏的岩土体将超额负载施加到邻近区域,当积累到一定阈值后,再次发生转移,同时伴随有边坡内部的相对位移滑动.这种不断的调整使得破坏面持续扩大,最终导致坡体的破坏.

中国改革开放40年,探索、奋斗、取胜的经历令人无比感慨。从“真理标准大讨论”到思想解放一步步深化;从“农村大包干”到城乡大变革;从“一位老人在祖国的南海边画了一个圈”,深圳特区应运而生,到上海浦东新区的崛起,又到“千年大计”雄安新区的起步、海南全岛建设自由贸易试验区等等,中国的面貌发生了天翻地覆的巨变。“创新、协调、绿色、开放、共享”5大发展理念逐步深入人心。各行各业的广大干部群众,在改革开放中学习,在改革开放中奋斗,在改革开放中进步,在改革开放中奉献,在改革开放中享受。

影响边坡稳定性的因素很多,总体分为以地形地貌、地质构造、水文气象为主的自然因素和以工程活动为主的人为因素两大类,囊括了风化作用、水力作用、地质条件、软化作用、地震作用和人工扰动6个加速坡体失稳的不良诱因[1],其中,最为普遍的因素是水力作用.目前,国内外学者对降水引发的滑坡机制做了大量的研究[2-8],主要是从滑面Cφ值的变化及有效应力的角度对土质边坡进行分析,而对于层状岩质边坡在赋水条件下的累进性破坏鲜有研究,缺乏清晰的机理认识.陈喜昌等[9]认为降雨后地下水压力的升高导致了边坡安全储备的下降;胡其志等[10]指出坡体后缘拉裂所产生的裂缝为地表径流的入渗提供了通道,改变了结构面的受力状态;李宗利等[11]对岩石裂纹的水力劈裂进行了分析;魏来等[12]从断裂力学的角度推导了水力劈裂的临界深度公式;吴永等[13]给出了降雨作用下裂隙的扩展贯通机理.全面深入地认识水驱型岩质边坡的破坏机制有着重要意义.

科研数据管理过程具有明显的周期性和阶段性特征,基于科研活动不同阶段的数据形态和数据处理活动,形成关于科研数据管理的相关生命周期理论。重点介绍了ICPSR社会科学数据存档生命周期管理模型。

本次研究以断裂力学为基础,修正了后缘充水条件下的临界深度公式,从细观的角度解释了裂隙向下扩张的趋势,并提出了水驱型层状岩质边坡渐进性破坏机制,揭示了断裂长度同水压力、容重等的关系.所得结果为工程的治理提供了理论依据,提出了新的治理思路.

1 后缘充水临界深度

在自然界中,顺层岩质边坡是常见的一类工程体,其一般由沉积作用形成的砂岩、泥岩、页岩和由变质作用形成的千枚岩、板岩所构成,不同时期的地质环境造就了层理、片理以及互层面等原生潜在滑动面.特别对于缓倾情况,层状板往往因为蠕滑作用,使坡体后部产生拉应力集中,发生开裂,促使节理扩张,这为降水或径流等水流的入渗提供了条件.当裂隙充水深度达到一定程度时,水力作用将加速岩体的破坏.

暴雨条件下,坡体的裂隙会在短时间内积聚大量的水,一方面产生静水压力,另一方面会对岩土体有渗透的作用.假定水对已有裂缝只存在静水压力,以下部扩展端为端点,扩展方向为x轴,则模型可概化为半无限平面问题,如图1所示.

  

图1 后缘充水示意图Fig.1 Schematic diagram of water filling at trailing edge

则截面所受压应力为

K

(1)

2011年,“武术传播”进入研究中心,并一直持续至今,说明未来武术文化的研究方向中“武术传播”问题仍是学者们关注的重点。在所有的突发关键词中,“武术套路”、“群众体育”、“体育管理”、“武术教学”、“武术赛事”进入研究中心较晚,但直至2017年也尚未退出,同样预示着未来武术文化的前沿。

故有应力强度因子为

 

(2)

式中:rw为水的容重;h为充水深度.

式中:ζ为形状因子;K为裂缝端的应力强度因子;a为裂隙原始长度的一半;σ代表远场的均布应力.

在本问题中,由于静水压力为线性增大,严格意义上讲不符合公式的使用条件,吴永等[13]σ=rwh,即原有裂隙尖端处的静水压力作为应力条件代入,得到了强度因子的上限,偏于保守.鉴于岩土体的抗拉强度远远小于其抗压强度,故对静水压力做等效代换,在相同条件下,以弯矩为桥梁将水力作用等代为应力σe

K

(3)

式中符号意义同前.

根据强度因子是物质本身固有属性的认识,以其为断裂判据,当充水深度满足下式时,裂缝可以自发地扩展:

KKⅠC

(4)

式中:KⅠC为岩体的韧性指标.

可以得到临界充水深度hcr

 

(5)

为验证本文理论,选取都-汶公路映秀段附近一典型的平移式岩质滑坡为研究对象.边坡由白垩纪砂岩组成,因地震作用,在后缘形成一条深h=16 m的裂缝,坡体已在降雨作用下失稳,裸露出长b=58 m的基岩滑面.其天然重度为24.75 kN/m3γ=2.6×104N/m3γw=1×104N/m3θ=10°,b=58 m,h=16 m,KⅠC=0.442 MPa·m1/2c=79 kPa.ζ为形状因子,取0.682 8[15].经计算可得hcr为12.8 m,比吴永等[13]的结果11 m深1.8 m.当后缘充水至这一深度时,裂隙自行发生扩张,造成更大的破坏.

由临界充水深度的计算公式(5)可以看出,对hcr有影响的因素为韧性指标与裂隙的形状系数.在未达到这一深度之前,水对坡体的影响更多地体现在软化作用与化学作用.

2 裂缝扩展角度的分析

基于以上的分析,可以知道坡体的稳定性决定于裂缝的扩张与充水的深度.已有的计算模型大都是假定了滑面已经贯通,通过力学分析得出安全系数,这与自然界的实际情况有很大差别.现仅考虑后缘张拉裂缝已经存在,而潜在滑面尚未形成时,得到的模型如图2所示.

本研究以市售泡菜为研究对象,从中筛选出乳酸菌,研究其基本生理生化特性、产酸性能、降解亚硝酸盐的能力以及耐酸性,进而筛选出各方面性能都比较优异的乳酸菌株,并对其采用API 50 CHL碳水化合物的发酵产酸试验及分子生物学技术进行鉴定。本研究可以丰富乳酸菌菌种资源,并为其在食品工业中的应用奠定基础。

  

图2 裂隙受力图Fig.2 Crack stress diagram

  

图3 微元受力分析Fig.3 Micro-element stress analysis

仍然从断裂力学出发,取裂隙端部向下一定区域的单元体进行受力学析,并将裂纹的三向受力简化为二维平面问题,见图3.忽略地质内部构造应力的影响,只考虑岩体自重应力场的作用:

 

式中:σv为垂直应力;σh为水平应力;λ为岩体的侧压力系数;γ为岩体容重;h岩体厚度.

裂隙的长度取为2a,与主应力σh夹角为α,考虑岩体内因局部微孔隙连通所产生的孔隙水压力p,易得如下表达式:

 

即裂缝的形成机制是压剪形式,在工程中,由于压剪时近似可以认为裂缝为闭合的,所以在这里将其视为Ⅱ型扩展.沿用上一节的公式,并考虑有效应力原理:

 

孔隙水压力的存在使得裂隙的强度因子增大,当满足KKⅡC时,裂隙得到扩张.

薛昌明提出了应变能密度因子断裂判据,即S判据.其基本假设是裂纹沿S=Smin的方向扩展,即要寻找S的极小值点.对于纯Ⅱ型裂隙,可以根据相关公式得到:

θ0=arccos[(1-2υ)/3]

(12)

在这里假定dh=idl,即水头变化可以用坡降来表示,则对微元体进行积分有如下结果:

为进一步比较两种快速检测方法相对于原吸法检测结果的一致性,明确两种快速检测方法各自的优越性与局限性,本研究对三种方法针对同一批稻谷样本的检测结果进行了统计学上的初步分析,计算了三种方法之间的差异程度与相关性水平,探讨了两种快速检测方法的实际应用效果与使用范围,以期对粮食收储先检后收工作提供帮助。

故可以得到表1.

 

表1 裂隙发展角

 

Tab.1 Crack propagation angle

  

υ0.00.10.20.30.40.5θ0/(°)70.574.578.582.386.290.0

可以得到结论,开裂角θ0υ泊松比有关,且均大于70°,呈现两向趋势,一方面向已经存在的后缘拉裂贯通,一方面以较陡的方向向下发展,呈现出锯齿状.在达到新平衡后,又重新开始新一轮的破坏,这也是滑面在滑体后部较陡立的原因.需要注意的是这里所解释的仅适用于裂缝的发展初期,当裂缝扩张到一定深度时,由于应力偏转等因素,实际情况已不能简化为纯Ⅱ型裂隙,有待于压剪等理论的研究完善.典型的渐进性破坏见图4.

  

图4 渐进破坏示意图Fig.4 Schematic diagram of progressive failure

3 层状边坡的充水断裂分析

对于由相对完好的岩石所组成的层状岩质边坡,在后缘拉裂缝形成并向下同原岩既有结构面贯通后(结构面并未切出坡面),因为水的作用,此滑面会发生弱化,并继续向下扩张.考虑到表层岩板受到风化作用的影响,其微裂隙贯通度高于下部,造成了层板沿倾向的渗透系数远大于沿板厚方向的渗透系数,故将表层概化为透水介质,与深部岩体的分界面为不透水界面,据此建立简化的分析模型,如图5所示.

  

图5 层状断裂分析Fig.5 Layered fracture analysis

沿坡体倾向,结构面上的静水压力越来越大,就第一层板而言,受力状况为三向受力.取单位宽度层板为受力分析体,忽略板侧向相对力,可以得到受力图图6[16].

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图6 微元受力分析图Fig.6 Micro-element stress analysis graph

在边坡渗流场中沿渗流方向取一微元体,以该微元体作为研究对象.微元体长dl,截面面积A,孔隙率为n,板厚b,充水高度hα为已知倾角,则沿水流方向受力有:

1) 微元体两端面所受静水压差dP

 

(13)

式中:dh、dz分别为两端面的水头差和高度差.

2) 微元体水流自重沿渗流方向分力

dT=γwnbsin αdl

(14)

3) 岩石骨架自重沿渗流方向分力

dW=γ(1-n)bsin αdl

(15)

沿与水流垂直的方向,受力有:

绩效管理里对设置KPI密切关注在于关键环节及关键流程。但是这并不代表着全部使用KPI,由于评价指标过于复杂,有时很难严格控制评价质量,所以必须要结合企业实际情况做出正确选择。[3]此外,由于KPI是不同的,所以对企业评价的重要作用也是存在差距的,其权重设计的不科学最终会造成绩效评价结果不准确,这样不利于将企业经营管理中所存在的问题真实反映出来。

1) 水流沿破裂面垂直方向分力

在衡水老白干酒业公司选相同生产工艺的不同班组进行连续生产对比试验,在试验组使用清洁化处理的稻壳,在对照组使用传统清蒸的稻壳(两种稻壳的清蒸时间一样),分别取原酒进行理化指标、微量成分、感官品评分析。

dT′=γwnbcos αdl

(16)

2) 岩石沿破裂面垂直方向分力

dW′=γ(1-n)bcos αdl

(17)

3) 下部水体的垂直压力

dJ=(γwlsin α+γwh)dl

(18)

式中:θ0为扩张方向与原裂隙的夹角;υ为泊松比.

在土壤全钾养分地球化学等级中(表5),一等土壤分布范围较小,占调查区面积的8.82%,全钾含量为25.226~25.723 g/kg;二等土壤面积约占调查区面积88.24%,全钾含量介于20.247~24.811 g/kg;三等土壤分布范围也非常小,仅占调查区面积的2.94%,全钾含量为19.832 g/kg。由此可知,本区土壤中全钾多半处于较丰富水平。

水流方向截面受力:

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(19)

根据断裂力学的基本理论,采用威斯特嘎德(Westergaard,1939)应力函数的I型解答[14],当裂纹表面有均匀分布的情况时,应力强度因子为:

 

(20)

截面所受弯矩为

 
 

(21)

γwh+γwlsin α-γwnbcos α-γ(1-n)bcos α=0时,存在解L1(最大负弯矩处到后缘裂缝距离)使得负向弯矩最大(层板上部受拉).这里主要考虑正向弯矩(层板下部受拉)情况Lcr作用,有

 

(22)

易知当式

σ2-σ1=σt

(23)

成立时,板层从下部开始开裂,裂缝向上开始发展.

1.2 试验方法 试验地点设置在长兴仙山湖库区,根据库区及入库河流水系特点,选取水深较浅、透明度较高的入库河流近岸区域设置样方,分别在库区的北湖设置9个样方N1~N9,平均水深1.5 m,透明度常年可见底;南湖设置3个样方S1~S3,水平水深0.8 m,透明度常年可见底。样方设置为5 m×2 m,四周立杆标记边界。

综上所述,整个板层的破坏决定于函数

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f(L,α,n,h,i,b)=0

(24)

从式中可以看出,坡体裂隙的发展是一个多因素影响的结果,可以计算得到临界发展长度Lcr.一般情况下,水的作用主要是通过物化作用的影响而得到的,其裂隙的扩展需要很长的时间.当出现地震等偶然工况,后缘拉缝闭合,局部水压力增大,将会导致Lcr减小,加速破坏过程.

取板厚b=0.8 m,孔隙率n=0.1,倾角α=15°,层板容重24 kN/m3,充水高度h=2 m,水利坡降i=0.05,岩石抗拉强度σt=1 MPa,研究板厚与充水高度对于L1Lcr的影响(图7).

  

图7 因素影响Fig.7 The influence of factors

从图7a中可以得到,随着板厚的增加,L1同临界长度Lcr一起增大.当板厚为0.85 m时,L1等于0,即此时,整个结构面受到正弯矩的作用;同时,当板厚为1.6 m时,Lcr等于20 m,比0.8 m时增加了15 m.说明对于层状岩体,板厚的增大可以增加岩体赋水条件下的稳定性,延缓底部拉裂缝的产生.从图7b中可以得到,随着裂隙水压力的增大,即偶然情况下后缘裂缝急速闭合时,L1同临界长度Lcr一同减小.当压力相当于充水高度为1.8 m时,L1等于0;并且从Lcr曲线的趋势可以看到,层板的临界长度有一极限值,在3~4 m之间.说明岩体的破坏必然是分段累进性的.对于本例,经计算可知L1=-0.98 m,Lcr=5.48 m,可以推断,当新生产的裂缝露出坡面时,会形成新的一轮破坏,直至结构面贯通.

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对于一个实际的岩质边坡治理项目,现有的工程手段主要集中在削坡、挡墙、抗滑桩、挂网和锚喷5个方面,形成了一套行之有效的处理方法,但其设计都是以假定滑面已经形成,计算得到边坡某一状态下的所需加固力为基础的,并未考虑坡体破坏的渐进性特征.针对水驱型层状岩质边坡,结合已有分析结果,可以得到其破坏模式的3大特点:1) 从后缘拉裂开始,逐步向岩体深部发展的似弧状齿形滑面;2) 水力作用主导的渐进分段特点,即层板的断裂是由底面向临空面逐渐扩展的,加速了表层岩体的风化和水力贯通,形成潜在的剪出口;3) 特殊情况下,结构面上静水压力骤然升高,层板具有特定的断裂距离Lcr.

4 结论

1) 边坡后缘产生拉裂隙并充水后,从断裂力学出发,将静水压力作用按力矩等效的方式,给出裂隙继续向下扩张的临界充水高度hcr的表达式,表明其受材料韧性强度与形状系数的影响.

2) 通过微元的受力分析,定性地给出后缘张拉裂隙向下部转向扩张的理论解释;并说明初期的滑动面应为锯齿状,经过微裂缝不断地两向发展和贯通,最终导致滑坡.这一过程与岩体的泊松比υ有关,开裂角θ0通常大于70°.

3) 分析了顺层岩质边坡在节理面裂隙还未完全出露的情况下,由于水的作用,层板局部应力达到岩石的抗拉强度,发生断裂的机理;给出了对应的状态方程,涉及长度、孔隙率、倾角、充水高度、水力坡降、板层厚度6个参数.在一定条件下要求已有结构面长度L必须达到Lcr,才能使得层板发生断裂.

4) 通过系统的分析,指出对于边坡失稳这样一个累进性过程,水对坡体的影响主要体现在前期的物理化学作用和后期的力学机制.从阶段上讲,前者是量变,后者是质变.板厚的增加将增加坡体的稳定性,延缓层板底部裂缝的产生;当发生地震或边坡后缘闭合情形时,短时间里内水压力急骤升高,造成临界长度Lcr的减小,加速层状岩体破坏,产生由下而上的裂缝;临界长度存在极限值.

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夏良,符贵军,陈浩
《兰州理工大学学报》2018年第02期文献

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