基于底摩擦試驗的巖石邊坡變形研究

盧 達，黎夢軍

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

大橋橋址區為高山峽谷地貌，受地形條件限制，工程將采用高墩大跨橋梁跨越峽谷，橋梁墩臺基礎將坐落在高陡險峻的峽谷陡壁巖體上。該大橋右岸岸坡天然狀態下坡度為53°，容易在重力條件下導致失穩，從而對邊坡的穩定構成威脅。因此，深入研究橋址邊坡的穩定性狀況、變形機制以及破壞模式十分重要。

本文是在現場調研與查明大橋橋址岸坡的地形地質條件的基礎上，深入考慮對穩定起控制作用的斷層、裂隙等分布狀況，從物理模擬的角度出發，采用底摩擦試驗及離散元數值模擬的方法研究橋位邊坡的穩定性、邊坡變形與工程開挖的關系以及開挖邊坡的變形破壞模式。

1 工程地質條件

大橋橋址區為深切河谷地貌，地處青藏高原南東緣，位于古特提斯構造域中東段—青藏高原斷塊區—川滇菱形塊體內，經國家地震局鑒定，區域的地震基本烈度為Ⅷ度。

橋址岸坡的破碎物質和大量的構造裂隙及卸荷張裂等破裂結構，對岸坡的結構性質具有一定的影響。右岸坡度較陡，影響自然狀態下岸坡的穩定。

圖1中，①為片理化玄武巖夾砂質板巖，②為板巖。J5節理產狀:N40°E/70°，J6節理產狀:N60°E/50°，片理 3 產狀:N35°W/55°。

2 物理模擬基礎

圖1 大橋右岸岸坡地質剖面

底摩擦試驗物理模擬以相似原理為基礎，建立研究對象和模型之間的相似關系，從而保證模型試驗中出現的物理現象與原型相似。模型與研究對象相似，需要在幾何條件、受力條件和摩擦系數等方面滿足一定的關系［1］。

其中研究對象原型和模型所有對應長度之間的比值必須是相同的。設 (δx)p，(δy)p和 (δz)p表示原型中的某些長度(用下標 P 表示原型);(δx)m，(δy)m，(δz)m是它們在模型中的對應長度(用下標m表示模型)。它們的比值叫做長度比例。

式中，下標R表示模型中的數值與原型中的對應數值的比值。嚴格的集合相似要求

式中，δl表示任意長度。

3 底摩擦試驗原理

底摩擦法是以摩擦力在摩擦方向上的分布與重力場相似的性質，利用模型和底面之間的摩擦力來模擬模型體積力(重力)［2］。底摩擦試驗原理即將研究對象的剖面制成模型，平放在可以持續移動的底板上，并使原剖面的深度方向與底板移動方向一致。隨著底板持續移動，模型也隨之移動。在底板移動方向有一固定框架，當模型受到這一固定框架阻擋時，在模型與底板接觸面上每一點就形成摩擦阻力F

其中:P為作用于模型法向單位面積上的壓力;γ為模型材料的密度;t為模型的厚度;μ為模型與接觸面滑動摩擦系數［3］。

根據圣維南原理［4］，當模型足夠薄時，認為摩擦力均勻作用在整個厚度上，可以相當于原型物體在天然狀態下受到的重力作用。此外，模型試驗需要在幾何條件、受力條件和摩擦系數等方面滿足相似原理。本次試驗相似關系如下:幾何相似比 CL=500，密度相似比Cγ=1，應力相似比Cσ=CγC2L=25 000。

這種方法的特點是試驗可根據情況隨時暫停下來，以便觀測試驗過程的各個細節，這也是其他許多方法所不能辦到的。

4 實驗儀器及實驗材料

試驗所采用的設備為自制的底摩擦試驗儀，采用手動的方法來實現模型與底板之間的持續移動，底板摩擦系數μ為0.72。底摩擦儀示意圖見圖2。

圖2 底摩擦試驗儀

本次底摩擦試驗選擇模型材料時考慮:摩擦系數相等、應力應變關系相似、彈性模量相似等方面因素，并采用正交設計方法確定試驗材料配比。其步驟如下:①查閱資料，尋找現有資料上與所要求力學參數接近的相似材料及其配比;②根據資料確定、購置原料;③確定試驗因素及位級，選擇適當的正交表;④通過測試各組相似材料，最終確定試驗材料配比。通過上述步驟，選用了重晶石粉和石膏粉作為制作模塊的材料。為了提高材料的硬度，減緩制作模塊時的凝固速度，還加入了少量白水泥和石膏緩凝劑。重晶石和石膏粉的配比見表1。

表1 試驗材料配比成果

5 試驗過程及結果分析

按表1的材料配比做成模塊單元，按照大橋縱斷面把模塊單元排列好。試驗開始時移動摩擦底板，最初速度一定要緩慢，待消除了模型底面與底板間的黏結力后，方可加快移動速度。但移動摩擦底板時盡量保持勻速，在底板移動過程中對模型的變形破壞過程進行觀測，直到模型破壞，試驗終止。通過以上步驟，便可得到模型的逐次變形破壞的發生、發展過程。

通過天然條件下橋址岸坡底摩擦試驗，可觀測到橋址右岸坡體表層出現沿傾向河谷節理面的位移、傾倒以至于剝落。坡體后緣出現拉裂縫并不斷擴展，前緣有向外滑出的跡象。坡體表層變形破壞屬于滑移—拉裂，層間錯動明顯。第Ⅰ層的巖層位移較大，平均位移為20 mm，可以認為其在天然狀態下的穩定性較差。第Ⅱ層的巖層均有不同程度的位移，在接近坡腳處，有巖體剝落的現象，巖體結構幾乎完全破壞。第Ⅲ層的部分巖層有少許的位移，但是在接近坡腳處出現較大的裂縫，寬度為40 mm。模型層間錯動最大距離為60 mm，出現在第Ⅰ層、第Ⅱ層之間，見圖3。

對橋址岸坡右岸天然狀態的試驗結果表明:因橋址右岸邊坡自然坡度較大，故在自重應力的作用下，表層巖體發生位移，甚至部分巖體結構被完全破壞，穩定性較差。在長期自重應力作用下，最終可能導致邊坡局部或整體失穩，建議對橋址右岸邊坡表層巖體進行加固，使其穩定。

在加載條件下，通過觀察底摩擦試驗的最終變形，可以得出如下結論:加載條件下，橋址岸坡第Ⅰ層的巖體有較大的位移，在坡腳處的巖體破碎，巖體結構幾乎完全破壞，需對其進行預加固處理;但整體上右岸的巖體能保持穩定。右岸橋墩下方表層深度20 m的巖體處于失穩狀態，見圖3。

6 離散元數值模擬驗證

離散元法是巖土工程領域一種常見的模擬巖體破壞過程、巖石邊坡變形特征的數值模擬方法。自從1970年Cundall首次提出離散元DEM(Distinct dement Method)方法以來，這一方法已在數值模擬理論與工程應用方面取得了很大的進展。本文采用UDEC4.0(Universal Distinct Element Code)離散元軟件對右岸岸坡變形破壞進行數值模擬分析，模擬結果如圖4和圖5所示。

圖3 右岸底摩擦試驗

圖4 天然狀態下右岸岸坡位移云圖(24 000次)

圖5 加載狀態下右岸岸坡位移云圖(24 000次)

離散元數值模擬的結果顯示，在天然狀態下右岸岸坡的變形首先是沿著坡頂下10 m的一條節理面產生滑動。公路上方有少許塊體崩塌，與野外調查的實際情況是一致的。巖體位移最大處見圖4中的公路上方的標出區域，即潛在的不穩定位置，但整體上看是穩定的。當岸坡上施加荷載時，最大位移的面積增加，不僅在公路上方出現，在墩位上方的坡體處也產生較大的位移，且位移相比增加0.5 m，潛在危險面為公路上方及橋墩位置上方坡面體，即圖5云圖中的標示區域，可見在加載狀態下，右岸岸坡的穩定性較差。

7 結論

從該大橋右岸底摩擦試驗中可以得出以下結論。

1)擬建的某大橋岸坡在天然狀態，右岸表層變形破壞屬于滑移—拉裂，表層巖體位移較大，部分巖體結構遭到破壞，存在失穩現象，建議對右岸表層巖體進行預加固處理。

2)在加載條件下，右岸的巖體整體無明顯變形，或變形不顯著。岸坡坡腳處巖體位移較大，建議進行預加固處理。

3)本文底摩擦試驗的試驗成果與離散元數值模擬情況基本相符。

［1］肖旦期，胡華，董云.邊坡變形破壞機制的底摩擦試驗模擬［J］.交通科學與經濟，2004(1):16-18.

［2］張登項，許強.基于底摩擦試驗的錦屏一級水電站左岸巖石高邊坡變形機制研究［J］.地質災害與環境保護，2008，19(1):71-75.

［3］袁文忠.相似理論與靜力學模型試驗［M］.成都:西南交通大學出版社，1998.

［4］董云，黃湖鋒，柴賀軍，等.閻宗嶺土石混填路基變形破壞機制的底摩擦試驗模擬［J］.中南公路工程學報，2006，31(4):4-8.

［5］王貴君.底摩擦模型法［J］.阜新礦業學院學報，1990，9(4):117-121.