基于底摩擦试验的岩石边坡变形研究

卢 达，黎梦军

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

大桥桥址区为高山峡谷地貌，受地形条件限制，工程将采用高墩大跨桥梁跨越峡谷，桥梁墩台基础将坐落在高陡险峻的峡谷陡壁岩体上。该大桥右岸岸坡天然状态下坡度为53°，容易在重力条件下导致失稳，从而对边坡的稳定构成威胁。因此，深入研究桥址边坡的稳定性状况、变形机制以及破坏模式十分重要。

本文是在现场调研与查明大桥桥址岸坡的地形地质条件的基础上，深入考虑对稳定起控制作用的断层、裂隙等分布状况，从物理模拟的角度出发，采用底摩擦试验及离散元数值模拟的方法研究桥位边坡的稳定性、边坡变形与工程开挖的关系以及开挖边坡的变形破坏模式。

1 工程地质条件

大桥桥址区为深切河谷地貌，地处青藏高原南东缘，位于古特提斯构造域中东段—青藏高原断块区—川滇菱形块体内，经国家地震局鉴定，区域的地震基本烈度为Ⅷ度。

桥址岸坡的破碎物质和大量的构造裂隙及卸荷张裂等破裂结构，对岸坡的结构性质具有一定的影响。右岸坡度较陡，影响自然状态下岸坡的稳定。

图1中，①为片理化玄武岩夹砂质板岩，②为板岩。J5节理产状:N40°E/70°，J6节理产状:N60°E/50°，片理 3 产状:N35°W/55°。

2 物理模拟基础

图1 大桥右岸岸坡地质剖面

底摩擦试验物理模拟以相似原理为基础，建立研究对象和模型之间的相似关系，从而保证模型试验中出现的物理现象与原型相似。模型与研究对象相似，需要在几何条件、受力条件和摩擦系数等方面满足一定的关系［1］。

其中研究对象原型和模型所有对应长度之间的比值必须是相同的。设 (δx)p，(δy)p和 (δz)p表示原型中的某些长度(用下标 P 表示原型);(δx)m，(δy)m，(δz)m是它们在模型中的对应长度(用下标m表示模型)。它们的比值叫做长度比例。

式中，下标R表示模型中的数值与原型中的对应数值的比值。严格的集合相似要求

式中，δl表示任意长度。

3 底摩擦试验原理

底摩擦法是以摩擦力在摩擦方向上的分布与重力场相似的性质，利用模型和底面之间的摩擦力来模拟模型体积力(重力)［2］。底摩擦试验原理即将研究对象的剖面制成模型，平放在可以持续移动的底板上，并使原剖面的深度方向与底板移动方向一致。随着底板持续移动，模型也随之移动。在底板移动方向有一固定框架，当模型受到这一固定框架阻挡时，在模型与底板接触面上每一点就形成摩擦阻力F

其中:P为作用于模型法向单位面积上的压力;γ为模型材料的密度;t为模型的厚度;μ为模型与接触面滑动摩擦系数［3］。

根据圣维南原理［4］，当模型足够薄时，认为摩擦力均匀作用在整个厚度上，可以相当于原型物体在天然状态下受到的重力作用。此外，模型试验需要在几何条件、受力条件和摩擦系数等方面满足相似原理。本次试验相似关系如下:几何相似比 CL=500，密度相似比Cγ=1，应力相似比Cσ=CγC2L=25 000。

这种方法的特点是试验可根据情况随时暂停下来，以便观测试验过程的各个细节，这也是其他许多方法所不能办到的。

4 实验仪器及实验材料

试验所采用的设备为自制的底摩擦试验仪，采用手动的方法来实现模型与底板之间的持续移动，底板摩擦系数μ为0.72。底摩擦仪示意图见图2。

图2 底摩擦试验仪

本次底摩擦试验选择模型材料时考虑:摩擦系数相等、应力应变关系相似、弹性模量相似等方面因素，并采用正交设计方法确定试验材料配比。其步骤如下:①查阅资料，寻找现有资料上与所要求力学参数接近的相似材料及其配比;②根据资料确定、购置原料;③确定试验因素及位级，选择适当的正交表;④通过测试各组相似材料，最终确定试验材料配比。通过上述步骤，选用了重晶石粉和石膏粉作为制作模块的材料。为了提高材料的硬度，减缓制作模块时的凝固速度，还加入了少量白水泥和石膏缓凝剂。重晶石和石膏粉的配比见表1。

表1 试验材料配比成果

5 试验过程及结果分析

按表1的材料配比做成模块单元，按照大桥纵断面把模块单元排列好。试验开始时移动摩擦底板，最初速度一定要缓慢，待消除了模型底面与底板间的黏结力后，方可加快移动速度。但移动摩擦底板时尽量保持匀速，在底板移动过程中对模型的变形破坏过程进行观测，直到模型破坏，试验终止。通过以上步骤，便可得到模型的逐次变形破坏的发生、发展过程。

通过天然条件下桥址岸坡底摩擦试验，可观测到桥址右岸坡体表层出现沿倾向河谷节理面的位移、倾倒以至于剥落。坡体后缘出现拉裂缝并不断扩展，前缘有向外滑出的迹象。坡体表层变形破坏属于滑移—拉裂，层间错动明显。第Ⅰ层的岩层位移较大，平均位移为20 mm，可以认为其在天然状态下的稳定性较差。第Ⅱ层的岩层均有不同程度的位移，在接近坡脚处，有岩体剥落的现象，岩体结构几乎完全破坏。第Ⅲ层的部分岩层有少许的位移，但是在接近坡脚处出现较大的裂缝，宽度为40 mm。模型层间错动最大距离为60 mm，出现在第Ⅰ层、第Ⅱ层之间，见图3。

对桥址岸坡右岸天然状态的试验结果表明:因桥址右岸边坡自然坡度较大，故在自重应力的作用下，表层岩体发生位移，甚至部分岩体结构被完全破坏，稳定性较差。在长期自重应力作用下，最终可能导致边坡局部或整体失稳，建议对桥址右岸边坡表层岩体进行加固，使其稳定。

在加载条件下，通过观察底摩擦试验的最终变形，可以得出如下结论:加载条件下，桥址岸坡第Ⅰ层的岩体有较大的位移，在坡脚处的岩体破碎，岩体结构几乎完全破坏，需对其进行预加固处理;但整体上右岸的岩体能保持稳定。右岸桥墩下方表层深度20 m的岩体处于失稳状态，见图3。

6 离散元数值模拟验证

离散元法是岩土工程领域一种常见的模拟岩体破坏过程、岩石边坡变形特征的数值模拟方法。自从1970年Cundall首次提出离散元DEM(Distinct dement Method)方法以来，这一方法已在数值模拟理论与工程应用方面取得了很大的进展。本文采用UDEC4.0(Universal Distinct Element Code)离散元软件对右岸岸坡变形破坏进行数值模拟分析，模拟结果如图4和图5所示。

图3 右岸底摩擦试验

图4 天然状态下右岸岸坡位移云图(24 000次)

图5 加载状态下右岸岸坡位移云图(24 000次)

离散元数值模拟的结果显示，在天然状态下右岸岸坡的变形首先是沿着坡顶下10 m的一条节理面产生滑动。公路上方有少许块体崩塌，与野外调查的实际情况是一致的。岩体位移最大处见图4中的公路上方的标出区域，即潜在的不稳定位置，但整体上看是稳定的。当岸坡上施加荷载时，最大位移的面积增加，不仅在公路上方出现，在墩位上方的坡体处也产生较大的位移，且位移相比增加0.5 m，潜在危险面为公路上方及桥墩位置上方坡面体，即图5云图中的标示区域，可见在加载状态下，右岸岸坡的稳定性较差。

7 结论

从该大桥右岸底摩擦试验中可以得出以下结论。

1)拟建的某大桥岸坡在天然状态，右岸表层变形破坏属于滑移—拉裂，表层岩体位移较大，部分岩体结构遭到破坏，存在失稳现象，建议对右岸表层岩体进行预加固处理。

2)在加载条件下，右岸的岩体整体无明显变形，或变形不显著。岸坡坡脚处岩体位移较大，建议进行预加固处理。

3)本文底摩擦试验的试验成果与离散元数值模拟情况基本相符。

［1］肖旦期，胡华，董云.边坡变形破坏机制的底摩擦试验模拟［J］.交通科学与经济，2004(1):16-18.

［2］张登项，许强.基于底摩擦试验的锦屏一级水电站左岸岩石高边坡变形机制研究［J］.地质灾害与环境保护，2008，19(1):71-75.

［3］袁文忠.相似理论与静力学模型试验［M］.成都:西南交通大学出版社，1998.

［4］董云，黄湖锋，柴贺军，等.阎宗岭土石混填路基变形破坏机制的底摩擦试验模拟［J］.中南公路工程学报，2006，31(4):4-8.

［5］王贵君.底摩擦模型法［J］.阜新矿业学院学报，1990，9(4):117-121.