滑坡位移-时间曲线特征的物理模拟试验研究.pdf

书书书 工程地质学报 （ ） ： 滑坡位移 时间曲线特征的物理模拟试验研究 董秀军 许 强 唐 川 杨 帆 （ 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（ 成都理工大学） 成都 ） 摘 要 位移 时间曲线表征了滑坡变形状态及相对的稳定性程度， 是监测滑坡变形和失稳预测至关重要的数据资料。目前 所获取的滑坡变形全过程监测资料并不多， 大多数是临滑前的短期监测资料， 而一些突发型滑坡的变形监测资料更是难以收 集。由此， 滑坡位移 时间曲线簇的类型及分布特征的研究受到了数据资料不足的约束而难以开展， 一些滑坡预警理论都是 基于推断和理论分析的基础上而得出的， 缺少数据支撑。本文通过物理模拟的办法， 自行设计制作了变角度的物理模拟试验 框架， 开发完成了位移数据的自动采集系统， 经一年多的试验测试， 对试验设备软硬件及模型材料不断调整、 优化， 完成了 组 条位移 时间曲线的采集工作， 从而获取了不同受力条件下斜坡的变形破坏的时间 位移曲线簇， 为进一步的理论研究提供 了科学的数据资料。 关键词 滑坡 监测 位移 时间曲线 物理模拟 中图分类号： 文献标识码： 书书书 收稿日期： ；收到修改稿日期： 基金项目： 国家重点基础研究发展计划（ 计划） （ ， ） 资助 第一作者简介： 董秀军（ ） ， 男， 博士， 讲师， 主要从事工程地质的教学与研究工作 ： （ ， ， ） ， ， ， ， ， ， ， ， 引 言 变形是斜坡稳定性恶化和斜坡失稳破坏前最显 著的外在表现。位移 时间曲线的监测数据资料， 是目前对滑坡预警预报最为有效的基础数据。基于 斜坡变形破坏行为和针对斜坡位移 时间曲线的预 测预报模型的研究， 数十年来一直没有停止过， 学者 们先后提出了数十种滑坡预测预报模型和方法 （ ， ；许强等， ） 。随着滑坡变形 监测实例的不断增多， 其位移 时间曲线的数据资 料也越来越丰富。许强（ ） 在滑坡变形破坏行 为及内在机理方面的研究中， 曾通过对大量滑坡位 移 时间监测曲线的归纳总结， 并基于岩土体流变 实验成果的分析， 推断认为不同受力条件下， 斜坡的 位移 时间曲线应该是一个位移 时间曲线簇 （ 图 ） （ ， ） 。在这个曲线簇中， 根据 不同受力条件下斜坡的位移 时间曲线形式， 将滑 坡分为突发型、 渐变型、 稳定型 类。由于目前的滑 坡变形全过程监测资料并不多， 尤其是突发型滑坡， 因其具有历时短、 突发性的特点， 基本就没有关于突 发型滑坡的完整监测资料， 滑坡的位移 时间曲线 究竟是否具有如图 所示的特点， 还需要进一步的 研究和大量滑坡实例的验证。 图 斜坡在不同受力条件下位移 时间曲线类型 （ 引自 ， ， 有修改） 为滑带岩土体应力；为流变下限； 为长期强度；为瞬时强度 本文拟采用大型物理模拟试验来进一步验证图 所示滑坡变形 时间曲线是否正确， 以及各类变形 曲线的具体形式。为此， 作者完成了物理模拟试验 框架系统的设计、 制作， 同时包括数据采集、 管理软 硬件的自主研制， 获取了不同受力条件下斜坡的变 形破坏的时间 位移曲线簇。 试验方案与步骤 试验方案设计 为了能在室内实际观测到斜坡在不同受力状 态下的变形破坏行为， 考虑到试验的可操作性， 将滑 坡概化成滑块模型，即试验装置设计概化模型 （ 图 ） 。 图 滑坡变形破坏行为物理模拟试验概化模型 该装置主要由可调整角度的模型试验框架、 自 动变形测量装置以及滑坡模型构成， 由于流变试验 具有时间长的特点， 为获取更为丰富的试验数据， 同 时制作了 套模型试验框架及数据采集系统。为了 使问题简化， 滑坡体主要由上部的模型箱和底部相 对软弱的滑带构成。因促使滑块发生蠕变型滑动的 主要力源为滑块重力在滑动面上的切向分量， 故可 通过调整放置滑坡的模型框架的倾角来模拟滑块的 不同受力状态。滑块在试验过程中的变形可通过变 形测量装置进行实时自动测量。为了增强试验成果 的对比性， 同时进行 组平行试验， 各组试验的唯一 差别就是滑动面的倾角不同。 试验材料的选取 蠕变试验持续时间较长， 一般需数月乃至数 年。为使试验过程中滑带材料性状稳定， 试验之初 滑带选用重晶石粉、 膨润土、 液体石蜡油配合而成的 相似材料， 但在测试过程中发现相似材料的选用存 在一些问题。相似材料中的液体石蜡油在长期重力 工程地质学报 作用下， 会沿模型框倾斜方向逐渐下移， 造成滑带相 似材料随着时间的推移而各部位材料含油量不均 匀。为了能更加准确地实现试验目的， 最终直接选 取成都黏土作为试验材料， 专门制作了饱水装置， 使 得滑带黏土一直处于饱水状态。 成都黏土的矿物成分主要为伊利石、 蒙脱石， 含 少量高岭石、 绿泥石和石英， 广泛分布于成都平原东 侧台地上。成都黏土为黄色、 红黄色， 土颗粒细， 结 构致密， 土质均一， 具有很强的亲水性， 遇水膨胀， 易 塑易滑， 失水干裂收缩（ 罗莜青， ；郑晓超等， ） 。 模型框架制作 根据实验设定方案和场地条件， 制作了用于滑 带土流变试验的模型框架 （ 图 ） ， 考虑到流变模型 试验的长期性和试验的可对比性， 模型框架共计制 作 个。 模型框架采用方形钢管焊制， 长 宽 高 ， 模型框底部焊有 高挡板和防 滑钢筋网 （ 图 ） 。滑块采用木箱内部装填石块来 模拟， 滑块总重量 ， 木箱底部钉有 个防滑木 条 （ 图 ） 。这些防滑措施是为了保证滑块在重力 分力作用下剪切滑带内部土体， 防止滑块底面与滑 带接触面之间产生表面滑动， 或者是滑带底面与模 型框架底板之间接触面发生相对滑动。 图 试验框架及模型箱几何尺寸图 由于滑带材料选用成都黏土， 制作过程中分层 夯实， 雾化喷水保湿， 厚度 。为保持滑带土性 图 模型框架底部防滑措施 图 滑块木箱底部的防滑木条 状稳定制作了饱水装置 （ 图 ） 。在模型堆放之前， 先在模型框架底部铺设多层塑料薄膜， 防止模型框 漏水。在模型框后部悬挂了 的水桶， 下部连接 了医用输液管 支， 调节好流量对滑带土后缘进行 滴水， 源源不断保持水的流入。前缘用保鲜膜覆盖 滑带土， 尽量减少土体水分蒸发， 同时模型框架前缘 制作了溢流口， 多余的水将在溢流口流出。 图 饱水装置 （ ） 董秀军等：滑坡位移 时间曲线特征的物理模拟试验研究 数据采集系统的研制与开发 为了实现模型蠕变曲线的实时自动采集， 研发 了适用于该模型试验的位移监测仪 （ 图 ）和配套 的数据自动采集系统， 位移数据采集与管理软件基 于 设计， 该软件自下而上分 层结构， 包括设备 层、 数据采集层与控制层、 数据曲线绘制与数据管理 层、 人机交互层， 实现了实验数据的实时自动采集与 管理。 位移传感器选择拉绳式位移传感器 （ 图 ） ， 采 集数据精度 ， 采样速率大于每秒 点， 最大 位移 。 图 自主开发的位移数据采集的监测仪 图 拉绳式位移传感器 试验成果及分析 通过以上的试验准备， 利用 个模型框架， 首先 开展了模型倾角选择的初步试验， 通过试验得到了 滑块在 倾角时极短时间内便发生失稳。另外， 利用模型框架角度的逐渐调整， 在模型倾角为 左右时， 滑块有持续变形但并未出现失稳破坏迹 象。由以上初步试验的成果， 确定了模型试验的倾 角范围在 之间开展， 考虑到模型试验可能 达到的精度， 设定角度变化值为 。在确定了模型 倾角范围和角度变化的数值后， 模型试验先后开展 了 、 、 、 、 、 、 不同倾角的物理 模拟试验， 总试验时间已近 年。 在试验过程中， 为了检验和验证试验成果的规 律性和可重复性， 某些倾角的试验做过多次， 其中 倾角模型试验 次， 倾角模型试验 次， 倾角模型试验 次。从位移 时间曲线图中可以看 出， 同一倾角条件下的试验曲线并不完全重合（ 主 要由于滑带材料制作过程中， 密实程度的控制、 含水 量的控制、 倾角的误差等人为因素造成） ， 但同一倾 角位移 时间曲线的发展趋势基本一致。 图 为各种不同倾角模型试验位移 时间曲线 汇总图， 这一成果与根据岩土体流变试验结果推断 的不同受力条件下斜坡变形 时间曲线形式 （ 图 ） 具有很好的一致性。 另外， （ ）利用 软件对岩石 蠕变直剪试验曾进行过相应的数值模拟， 计算模型 如图 所示， 这与我们所做的滑块物理模型试验有 相似之处， 可以理解为将不同倾角的滑块受力条件 概化为相应改变的正应力和剪应力， 可以说该数值 模拟也从另外一个角度验证了滑块物理模拟试验的 成果， 该模型 软件计算结果（ 图 ） 。 通过本次滑块蠕滑变形的物理模拟以及相关的 数值模拟成果， 验证了滑坡位移 时间曲线簇推断 的正确性和曲线类型分类的合理性。 试验结果 （ 图 ）和数值计算成果 （ 图 ）都清晰表明， 当斜 坡在滑动面上所受的滑动力大于由滑带土流变下限 所提供的抗剪力， 斜坡便可以产生蠕滑变形， 这也是 斜坡整体发生变形的前提。在不同的受力条件下斜 坡表现出变形破坏特征具体可分为 种类型： 当斜 坡在滑动面上所受的滑动力小于由滑带土长期强度 提供的抗剪力时， 斜坡将产生稳定型蠕滑变形， 其变 形特征是随时间逐渐趋于等速率长期缓慢变形， 甚 至停止变形， 但这个过程往往很长（ 孙钧， ） ；当 斜坡在滑动面上所受的滑动力大于由滑带土长期强 度提供的抗剪力， 但小于由峰值强度提供的抗剪力 时， 斜坡将产生渐变型变形。渐变型斜坡变形又往 工程地质学报 图 滑坡蠕变模型试验位移 时间曲线汇总图 往包括初始变形、 等速变形、 加速变形 个阶段；在 斜坡遭受较强的外力作用（ 如强降雨、 地震动力、 开 挖切脚、 后缘堆载等人类工程活动）时， 斜坡在滑动 面上所受的滑动力可能会大于由滑带土峰值强度提 供的抗剪力， 此时， 斜坡将产生突发型的变形破坏 （ ， ；周培德等， ； 李天竟， ） 。 图 滑块 计算模型（ 引自 （ ） ， 有修改） 通过一系列的物理模拟、 数值模拟以及所收集 的滑坡变形监测数据资料， 对滑坡位移 时间曲线 进行认真分析， 试验结果较好地验证了 类变形曲 线的正确性和科学性。认识斜坡上述变形破坏规 律， 将有助于加深对斜坡变形破坏机理和规律的理 解和认识， 同时为建立滑坡预警模型和判据提供科 学依据和理论支撑。 主要认识与启示 通过本文的物理模拟试验研究， 关于斜坡变形 演化过程中位移 时间曲线的破坏形式的一些认识 图 在不同受力条件下岩石蠕变直剪试验的 数值模拟结果（ 引自 （ ） ） 和启示： （ ）模型框架设计的理念是通过不断调整滑块 的倾角从而实现应力条件的改变， 但是倾角变化而 引起应力的改变都是渐变的， 而不是将应力突然加 载到滑块及滑带上面的， 所以无法测得应力加载瞬 间所产生的初始位移， 这也就是我们的曲线数据都 是从零点开始记录的原因， 这与数值计算和理论推 导存在差异。 （ ）从流变学的角度分析， 土体变形和长期破 坏机理可以理解为当施加外荷载时， 在滑带土体的 某些部位产生应力集中， 导致土体微观结构的个别 连结点的超载和破坏， 这种破坏一般产生在结构最 为软弱的地方， 联结被破坏的土颗粒趋向新的更加 稳定的位置。土颗粒的位移导致形成较紧密的“ 聚 合体” ， 引起颗粒之间的联结和减小结构中原来存 在的空隙和微裂缝， 使它们愈合， 而滑带土体被压密 体积减小。使这些缺陷愈合的同时也会产生新的缺 （ ） 董秀军等：滑坡位移 时间曲线特征的物理模拟试验研究 图 位移数据采集中的阶跃现象 图 倾角模型位移曲线 陷， 根据所受的应力条件， 这些缺陷有可能持续增 加， 微观的破坏逐渐积累， 这也是稳定蠕变和非稳定 蠕变的区别所在， 当土体微观结构急剧破坏发生之 时， 便是滑坡进入加速变形阶段， 当结构破坏达到临 界值时滑坡便发生了（ 维亚洛夫， ；刘雄， ； 何学秋等， ） 。 （ ）位移 时间曲线的阶跃性特征。由于模型 试验数据采集系统的时间间隔可以非常短， 最小可 为毫秒级别， 位移传感器精度也可达到 。 当将位移采集时间间隔设定为较小时， 就可发现所 获取的位移 时间曲线在宏观上看起来是平滑的， 但微观上都是阶跃的 （ 图 ） 。当模型处于长时间 的蠕变阶段时， 即便增大采样间距， 如 的模型试 验中， 目前该试验已运行近 个月， 采样间隔为 ， 在这样的时间尺度下依然存在这种阶跃现象 （ 图 ） 。 这一现象可能与滑带整体微观变形的渐进性有 一定关系， 或者说是滑带土体微结构不断破坏调整 变化造成的， 而传统的土体流变中因试样很小， 结构 的变化不明显， 而物理模拟试验尺寸相对较大， 同时 数据采集精度较高， 故可清楚地反映出位移 时间 曲线的阶跃现象， 这也反映了土体长期破坏机理中 微结构的不断破坏在蠕变中起主要作用（ 维亚洛 夫， ； 安淑红等， ） 。 （ ）不同倾角位移 时间曲线的规律性。稳定 型蠕变， 如试验中 倾角的模型就属于这一类， 在 目前数据采集运行 个月的时间内， 位移都有微小 变 化， 但 一 直 较 平 稳， 目 前 变 形 速 率 为 。 渐变型蠕变， 如试验中的 、 倾角模型。 其中， 倾角条件下共做了两组模拟试验， 两条位 移曲线的“ 阶段”变形特征明显， 位移曲线在形态 和数值上较为相近， 具有较好的重复性。 的模 型共计做了 组， 从位移曲线中不难看出， 组相同 倾角的曲线差别较大， 除模型加工制作过程中人为 误差的影响外， 表明 倾角的成都黏土滑带模型 处于一种临界状态， 即处于渐变型和突发型两种状 态的临界值， 从而导致了多次试验结果相差较大， 重 复性不好， 即使微小的条件改变， 可能导致较大的试 验结果差别。 突发型蠕变， 大于 倾角的模型试验结果都 表现为突发型的失稳破坏， 初始变形阶段和等速变 形阶段都不明显， 直接进入加速变形阶段。 （ ）模型试验结果对倾角的敏感性。从所获取 的试验数据不难看出， 所选取的成都黏土作为滑带 的模拟材料中， 、 、 较小的倾角变化范围， 其位移 时间曲线差别较大， 如 、 倾角下的变 形曲线， 在较小的角度改变下， 其蠕变特性差别巨 大。以上试验结果表明， 因为斜坡滑带土只有处于 临