推移式滑坡模型试验推力加载方法的研究

夏 浩，雍 睿，马俊伟

（1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院，武汉 430071；2.中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074）

推移式滑坡模型试验推力加载方法的研究

夏 浩1，2，雍 睿2，马俊伟2

（1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院，武汉 430071；2.中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074）

滑坡物理模型试验过程中采用的加载方式常与所模拟的滑坡原型相关，为了准确模拟推移式滑坡的变形破坏过程，采取在模型坡体后缘施加推力的方式进行加载。为验证该方法的可行性，以简化的刚性滑块为例，将推力加载方法与模型试验中常用的倾斜模型加载方法进行对比分析。结果表明推力加载方法与倾斜模型加载方法相同，均可连续地改变安全系数。为研究整个坡体在后缘施加推力后其坡体内部的应力应变场与推移式滑坡的相似性，分别进行了数值模拟试验与滑坡物理模型试验。试验结果表明，滑坡体随着坡体后缘推力的增大，其剪切破坏逐渐由后缘向前缘发展，直至剪切面贯通发生滑动失稳，其变形破坏特征与推移式滑坡特征基本吻合，验证了后缘施加推力的方法模拟推移式滑坡变形破坏过程的可行性。

推移式滑坡；模型试验；数值模拟；推力加载

2015，32（01）：112－116

1 研究背景

模型试验作为研究滑坡破坏机理的有效方法，真实地模拟滑坡原型的变形破坏特征是其成功的关键。通常在边坡模型试验中，通过不同的加载方式获得边坡的失稳破坏形式［1－3］。倾斜模型加载是一种常见的加载方法，周维垣等［4］采用逐步倾斜方式获得了锦屏高边坡稳定三维地质力学模型的破坏模式，同时在这个试验中提出模型整体转动的角度可以作为评价边坡安全度的指标。罗先启等［5］在对石榴树包滑坡机制进行研究时采用倾斜模型的方式模拟石榴树包滑坡变形破坏机制。

对于推移式滑坡的破坏［6－8］，其往往是后缘一部分坡体率先出现剪切破坏，使施加在滑坡前缘的坡体推力加大，导致前缘坡体逐渐发生剪切破坏，直至剪切面在滑坡表面上贯通，出现滑动的过程。而倾斜模型加载的方法是通过抬升模型框架，不断增大模型的倾斜角α，在增大坡体下滑力的同时减小阻滑力，完成加载的一种方式［9］。其加载是针对整个物理模型坡体的应力状态的改变，但其最主要的变化趋势是模型前缘的偏应力增大，前缘进入塑性变形的可能性增大，破坏的区域往往也是模型的前缘部分。此破坏方式与推移式滑坡所表现出的由后缘发生的累进性破坏不符。所以，倾斜模型对于推移式滑坡的模拟从原理上说，不能取得较好的结果。

因倾斜加载方法在滑坡物理模型中不能对推移式滑坡进行有效模拟，本文根据推移式滑坡的变形破坏特点，采用在模型后缘施加推力的方法对推移式滑坡变形破坏过程的模拟效果进行研究。首先通过理论分析和FLAC3D数值软件的计算，验证在模型后缘进行推力加载条件下，模拟推移式滑坡变形破坏的可行性。然后进行了滑坡物理模型试验，采用MTS电液伺服加载系统对滑坡模型后缘进行加载，验证后缘施加推力的方法对推移式滑坡模型模拟的可行性，为推移式滑坡的模拟提供参考。

2 后缘推力加载的理论分析

倾斜加载如图1（a）［9］作为滑坡模型试验中常用的加载方式，是因其可以连续地降低边坡的安全系数，方便滑坡模型由初始状态（此时，模型刚制作完成，安全系数通常较大）转化至临界状态。因此，如果后缘推移式加载能连续地改变坡体的安全系数，则方案在理论上是初步可行的。

如图1（b）所示，采用后缘施加推力的块体安全系数：

式中：G为块体重力；α为滑坡倾角；θ为倾斜加载抬升角度；c为滑动面黏聚力；A为滑动面积；T为后缘施加推力。

图1 加载示意图Fig.1 Sketch of loading

假设斜面上块体为单位体积的立方体，G＝10 kN，α＝10°，c＝3 kPa，φ＝15°，分别计算α为10°，12°，14°，16°，18°，20°的工况下安全系数和后缘施加推力的安全系数变化图，计算结果如图2所示。

图2 安全系数与倾斜角度、后缘推力关系Fig.2 Relation of safety factor w ith inclining angle and driving force

从图3可以看出，当后缘推力可以连续变化时，坡体的安全系数是连续减小的，而本次试验采用MTS电液伺服加载系统是可以满足后缘推力连续变化的，因此通过后缘加载来模拟推移式滑坡的变形破坏特征是可行的。

3 推移式滑坡数值模拟过程分析

通过后缘推力加载可以减小坡体的安全系数，但整个坡体的应力、位移变化特征是否符合推移式滑坡破坏的特点，需要通过FLAC3D数值软件进行模拟，分析模型坡体在加载过程中的应力、位移特征。

3.1 数值模型的建立

莱西市启林农资于萍也表示，亲土种植的理念符合我国当前农业发展的需求，亲土1号土壤改良方案也受到了广大农户的追捧，越来越多的农户主动前来购买，回头客也越来越多。在市场竞争日益激烈的当下，亲土1号已经成为农户改良土壤一把利器！

为了减少试验的盲目性与工作量，本文根据推移式滑坡的一般特点，利用FLAC3D软件建立理想的推移式滑坡数值模型进行计算，模型长200 cm，宽为90 cm，后缘高度为125 cm，后部滑体厚度约35 cm，滑面倾角17°，具体模型见图3。

图3 数值模拟计算模型Fig.3 Sketch of numerical simulation model

数值模型计算边界条件为模型前后边界施加法向约束，滑床的左右边界面施加法向约束，模型底端施加固定端约束。

本次数值试验采用中国地质大学（武汉）工程学院已有的推移式滑坡相似材料参数成果进行计算。岩土体物理力学参数见表1。

表1 模型相似材料参数Table 1 Parameters ofmodelmaterials

3.2 加载方案

利用FLAC3D软件内置的安全系数算法，在上述理想模型的滑体后缘施加荷载，施加的荷载与滑坡数值模型的安全系数关系见图4。

根据上述计算结果，以及考虑到后续进行滑坡物理模型试验的仪器条件，决定采取在坡体后缘逐级施加荷载的方案。设计荷载从200 N开始，先以ΔF1＝200 N分3级连续加至600 N，而后以ΔF2＝300 N分9级加载至3 300 N，整个加载过程总共12级荷载。

图4 后缘推力与安全系数关系Fig.4 Relation between driving force and safety factor

3.3 计算结果分析

模型后缘逐级施加推力，具体计算结果见图5。

图5 加载过程中剪应变增量及x方向位移云图Fig.5 Contours of shear strain increment and displacement in x-direction

由图5（a）、图5（b）可知，模型在后缘推力的作用下，滑坡后部坡体最先出现剪切破坏，产生向前滑动的位移，挤压前缘坡体，而此时前缘坡体基本未受到后缘加载的影响。图5（c）、图5（d）显示，随着荷载加载到第10级，后缘坡体的位移与剪切破坏区较第5级荷载均增大，但未受推力影响的前缘坡体范围与施加第5级荷载的范围相同，说明此时推力主要由后缘长约110 cm的坡体承担；图5（c）显示此时塑性区已基本贯通此区域，显示该部分坡体即将出现剪切破坏，继续增加荷载；图5（e）、图5（f）所示，滑坡整体发生破坏，此时剪切面已贯通，整个滑体均出现向前的位移。

可见，模型在后缘推力的作用下，率先引起后缘模型内部应力的变化，随着推力的增大，后缘坡体逐渐发生剪切破坏，将无法抵抗的推力逐渐由前缘坡体承担，直至剪切面贯通整个滑坡体出现整体滑动破坏，整个破坏过程与推移式滑坡破坏特征基本一致，说明这样的应力场变化有利于模拟推移式滑坡的破坏机制。

4 应用实例

为了说明在滑坡物理模型后缘施加推力模拟推移式滑坡的模拟效果，采用中国地质大学（武汉）自行研制的室内滑坡物理模型试验系统，根据上述理想模型尺寸制作了滑坡物理模型。

为了减少模型相似材料配制的工作量，考虑到数值模拟结果中基岩对试验的影响较小，所以选择砖石砌体并以砂浆抹面作为基岩材料。

滑体配比材料［10］主要由39%的江砂（过2 mm筛分）、49.1%的滑体土（过2 mm筛分）、11%的自来水、0.9%的膨润土组成。

滑带配比材料主要由60%的玻璃珠、32%滑体土、8%的自来水组成。

图6是滑坡物理模型在进行推力加载前的形态，为了便于比较施加推力后的形态与变形前形态，在图6中的钢化玻璃上用蓝色胶带绘出变形前形态，并用方格网进行滑坡位移数据的测量，每一小格长度为10 cm。

图6 滑坡模型加载前形态Fig.6 Section of slopemodel before loading

本次试验采用MTS电液伺服加载系统。考虑到模型坡体的应力传递特性和数值计算与实际物理模型试验的误差，按预定方案，试验机荷载从200 N开始，先以ΔF1＝200 N分3级连续加载至600 N（各级均维持30 min），而后以ΔF2＝300 N分11级加载至3 900 N（各自维持60 min），整个加载过程总共14级荷载。

按上述加载方案进行试验，发现滑坡物理模型在施加第12级荷载时破坏与数值试验计算结果基本吻合。加载破坏后形态见图7。滑坡物理模型加载破坏时的x方向位移与数值计算结果见表2。监测点位置见图3。

图7 滑坡模型加载破坏后形态Fig.7 Section of slopem odel after loading

表2 物理模型试验与数值试验监测点x方向位移数据对比Table 2 Comparison of displacement in x directionof themonitoring points between physicalmodel and numerical simulation cm

从表2可知，滑坡物理模型破坏时，坡体位移较数值计算结果偏大，其原因是滑坡物理模型制作过程中存在孔隙，导致在施加后缘推力时，孔隙率先闭合，这一现象可在采用MTS电液伺服加载系统施加每一级荷载的开始阶段，荷载力无法持续升高得到论证。而数值计算则没有考虑这一因素，导致数值试验结果偏小。但试验结果与数值计算结果的规律相同，都表现为监测点位移随着监测点距滑坡后缘的距离增大而减小，这与推移式滑坡的破坏特征一致。证明这种方法应用于推移式滑坡物理模型加载破坏的模拟是可行的。

5 结 论

（1）模型试验中加载方法的选取，是模拟滑坡模型破坏方式的关键，在滑坡模型后缘施加推力的加载方法，相比于倾斜模型加载方法，可以更好地进行推移式滑坡变形破坏的模拟。

（2）通过对滑坡模型后缘施加推力的数值模拟，发现坡体的破坏与推移式滑坡的破坏特征相吻合，表现为后部坡体率先发生剪切破坏，随着推力的增大，剪切破坏区逐渐向滑坡前缘扩展，直至剪切面贯通出现破坏。因此，此加载方法可以用于推移式滑坡破坏机制的模拟。

（3）按照数值模型尺寸制作滑坡模型并进行试验，得到了滑坡模型变形破坏全过程，对比发现：模型破坏与数值计算结果基本一致，说明后缘施加推力的加载方法可以在推移式滑坡的实际模拟过程中应用。

［1］陈陆望，白世伟，李一帆.开采倾斜近地表矿体地表及围岩变形陷落的模型试验研究［J］.岩土力学，2006，27（6）：885－889，894.（CHEN Lu-wang，BAIShi-wei，LIYi-fan.Model Test Study of Deformation and Subsidence of Ground Surface and Surrounding Rock Caused by Exploiting Inclining Mine Near Surface［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（6）：885－889，894.（in Chinese））

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［10］罗先启，葛修润.滑坡模型试验理论及其应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2008：1－8.（LUO Xian-qi，GE Xiu-run.Theory and Practice of Landslide Model Test［M］.Beijing：China Water Power Press，2008：1－8.（in Chinese） ）

（编辑：王 慰）

长江科学院岩土重点实验室参加第二届海洋工程地质发展战略研讨会

第二届海洋工程地质发展战略研讨会暨国家重大科研仪器研制项目“复杂深海工程地质原位长期观测设备研制”启动会于2014年11月1—3日在中国海洋大学召开，中国工程院龚晓南院士、中国科学院何满潮院士出席会议，长江科学院副总工程师、水利部岩土重点实验室主任程展林教授作为特邀嘉宾参加本次会议。参加本次研讨会共有50余位工程地质领域的专家。

程展林在大会上作了“吸力桶式水下静力触探的研制及应用”特邀报告，重点介绍了长江科学院院研发的“吸力桶式水下静力触探仪”，报告引起了与会海洋工程地质界专家和多家单位的高度兴趣和讨论，对该设备的进一步改进及合作应用提出了许多具体建议。

11月2日，与会专家还参观了国土资源部青岛海洋地质研究所、国家海洋局第一海洋研究所大洋样品馆、中国海洋大学大型波浪海流模拟海洋工程实验室、正在建设中的国家海洋科学技术实验室和国家深海基地。

（摘自：长江水利科技网）

M ethod of Driving Force Loading in M odel Test of Landslide Caused by Thrust Load

XIA Hao1，2，YONG Rui2，MA Jun-wei2
（1.Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group，Wuhan 430071，China；2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Themethod of loading in landslide physicalmodel test is often related with the prototype.In this research we applied driving force at the back of the slope model to simulate the deformation failure of landslide caused by thrust load.To verify the feasibility of thismethod，we took simplified rigid slip mass for example and analysed the driving force loading and the inclined loading which are commonly used inmodel test for comparison.Results show that the back force loading could also change the anti-sliding safety factor of rigid slip mass continuously.Furthermore，we conducted numerical simulation and physicalmodel test to research the stress field and strain field of the slope model subjected to back force already.Results reveal that as the force applied at the back of the slopemodel increases，the shear failure of slope expands gradually from the back of the slopemodel to the front until the shear plane penetrates through the slope and the slope begins to slip.This failure process is consistent with the failure process of landslide caused by thrust load.Themethod of loading driving force is verified to be feasible in the simulation of landslide caused by thrust load.

landslide caused by thrust load；model test；numerical simulation；driving force loading

P642.22

A

1001－5485（2015）01－0112－05

10.3969/j.issn.1001－5485.2015.01.023

2013－08－20；

2013－08－30

国家重点基础研究发展计划973项目（2011CB710604）；中国地质大学（武汉）教学实验室开放基金（SKJ2012139）

夏 浩（1989－），男，湖北武汉人，硕士，研究方向为滑坡物理模型试验与岩土工程数值模拟，（电话）15972950903（电子信箱）511787791＠qq.com。