强降雨作用下岩质边坡失稳的尖点突变分析论文_苏程彰

强降雨作用下岩质边坡失稳的尖点突变分析论文_苏程彰

四川省冶金地质勘查局六0四大队 四川广元 628017

摘要:近年来,各地区均出现强降雨情况,导致边坡失去稳定性,最终引发水灾,危害人们生命、财产安全。一般来讲,边坡的稳定性是由抗剪强度、地震、岩土体密度等综合因素决定的,且相应因素具备随机性。边坡在失去稳定性后的演变过程需能量、物质的不断交换,造成失稳处于突变的动态变化过程。为更好分析强降雨作用下岩质边坡失稳定的尖点突变情况,现根据岩质边坡地质力学模型,综合分析应变软化、降雨等因素,科学、合理的判断边坡的稳定性。

关键词:岩质边坡;尖点突变;稳定性

1、岩质边坡地质力学模型

现阶段,在对边坡稳定性进行分析时通常选用刚体极限平衡法,该方法的应用过程中大多假定介质是均质,根据岩体情况在平衡性被破坏时有效判断边坡性能,这种情况下的软弱夹层各点能同时满足极限破坏需求。但也有部分学者认为介质在非均质的基础上,滑动面上的各点同时满足极限值需求是不可能的。

根据上述的设定,综合考虑强降雨对岩体重量的影响,建立岩质边坡力学模型。同时,分析滑坡体宽度的受力情况,得出最终的重量,公式 ,其中,L表示滑坡体的上部长度,H表示岩质的平均厚度,α表示坡角,β表示滑面、水平面之间的夹角,P表示岩体天然状态下的密度[1]。

岩体在自身重量作用下经由软弱夹层产生一定的位移,实际上软弱的夹层由不同性质的区段组成,强度相对较高的介质或剪应力相对较小的区段具备应变硬化的特征,抗剪应力会随着岩体形状的变化不断增大;而在另外的区段,因介质易破碎,所承受的剪应力相对较大,且该区段具备应变弱化的特征,抗剪应力将随着岩体形状的变化而增大。当岩体的抗剪应力超过规定的应力后,其抗剪应力也会随着岩体形状的变化减小。从不同软弱夹层介质的曲线图上来看,软弱夹层弹性区段的关系为 ,T1=Tm ,其中,T1表示软弱夹层的剪应力,u1表示失稳点的对应剪切位移,G1表示软弱夹层的介质剪切模量,Tm表示剩余的抗剪强度;软弱夹层的应变弱化区段关系为 ,其中,T2表示软弱夹层应变弱化段的剪应力,u2表示剪应力满足规定峰值点所对应的剪切位移,G2表示软弱夹层应变弱化段的剪切模量,m表示应变的软化系数,该系数越大,表明岩土层的应变软化性能越强。对上述公式进行二阶导数的计算,当结果显示为0时,可得出软弱基层的应变软化区段剪应力、岩土变形位移之间的拐点[2]。另外,考虑到强降雨对软弱夹层所带来的不利影响,可引入假设性的水致弱化函数 ,其中,w表示岩土的饱和度, 表示岩土体的软化系数。该弱化函数公式属于单调的递减函数,当岩土体处于完全干燥状态时,w=1,f(0)=1;当岩土体处于饱和度状态时,w=1,f(1)= <1。结果显示,通过对相应公式、函数的分析,能得出岩土体饱和度、抗剪强度的之间的关系,重点分析水对岩土体抗剪强度的影响。故在对力学模型进行分析时,不但要综合考虑应变弱化,还要考虑水致弱化,以科学、合理的分析两个区段在强降雨作用下的关系。

2、尖点突变模型

根据上述所建立的模型,得出最终的边坡系统函数公式 ,其中,L1表示弹性区段的滑面长度,L2表示应变弱化区段的滑面长度。另外,通过对该公式进行求导,能得出最终的平衡曲面、分叉集方程。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从突变理论的基础性知识上来看,当最终的结果a小于或等于0时,边坡系统才能更好的跨越分叉集突,由此可见,边坡系统突变的发生条件是a≤0。从上述公式中得知,弹性的区段剪切刚度越大,其弱化的区段剪切刚度也就越小,应变后软化的系数越大,边坡系统也就不易失去稳定性。相反,弹性的区段剪切刚度越小,弱化的区段剪切刚度就会越大,应变后软化的系统越小,边坡系统容易失去稳定性。此外,伴随着介质中水量的不断增加,弱化区段的介质峰值刚度逐渐增大,而硬化区段刚度减小,岩土自身重量增加,边坡的下滑应力增加,岩质边坡的稳定性越差。

3、实例分析

将某高速公路路基右侧的岩质边坡作为例子,边坡角度在45度左右,边坡的开挖深度为54米,边坡体为黄褐色的片岩,且该岩土边坡结构破碎,自边坡顶部向下20米左右深处夹层厚度为10厘米,边坡整体的稳定性相对较差,伴有滑坡的可能性。该工程的软弱泥夹层弹性区段长度为0.7米,饱和度为26.0%,边坡的软化系数为0.63,介质剪切模量为1.50×1010Pa;岩土体的软化夹层弱化区段长19米,饱和度为36.0%,边坡的软化系数为0.46,介质剪切模量为0.42×1010Pa。根据上述的公式,得出结果f1为0.850,f2为0.680。由相应文献得知软土的剪切强度为47kPa,长期的强度为25.0kPa。借助公式综合考量不同m值下的应变软化曲线,得知应变的软化系数为1.20,由此可见,边坡相对稳定,不会轻易的出现突变失稳情况。

另外,通过刚度极限平衡法的应用,得知稳定性系数为0.990,该方法认为岩土边坡的系数小于1时将失去稳定[3-5]。故而,该边坡不稳定,会出现失稳情况,和尖点突变的计算结果严重矛盾。从实际情况上来讲,边坡的开挖是一个相对稳定的过程,故本文的本构关系是正确的,可为岩质边坡的稳定性计算提供相对可靠、合理的依据。

4、小结

综上所述,在降雨量持续增加的地区,若岩质边坡突然失去稳定性,将引发水灾,危害人们的生命健康。本文通过对岩质边坡地质情况的分析,建立符合实际情况的力学模型,并综合考量降雨、应变软化等要素,从而建立规范的尖点突变模型。同时,在突变模型基础上分析系统的控制变量,并评估该变量是否受含水量、剪切刚度、应变软化程度等因素的影响,最终结果显示边坡系统的演化过程具备复杂性。此外,通过理论性的分析总结岩质边坡失稳的力学条件,通过实际性的工程案例分析、计算、验证尖点突变理论,进而更好分析岩质边坡稳定的准确性。

参考文献:

[1]郭华伟,朱宝龙,索玉文等.强降雨作用下岩质边坡失稳的尖点突变分析[J].西南科技大学学报,2014,29(4):43-46.

[2]施戈亮,刘静.强降雨作用下岩质边坡失稳的尖点突变[J].江西建材,2015,11(6):214-215.

[3]张社荣,谭尧升,王超等.强降雨特性对饱和-非饱和边坡失稳破坏的影响[J].岩石力学与工程学报,2014,33(z2):4102-4112.

[4]陈杰.强降雨作用下边(滑)坡稳定性分析及预警技术研究[J].城市建设理论研究(电子版),2014,10(8).

[5]顾成壮,胡卸文,张茂淳等.强降雨下饱和平滑型滑坡坡体水流运动及其边坡稳定效应分析——以四川汉源二蛮山滑坡为例[J].岩土力学,2013,34(4):1075-1081.

论文作者:苏程彰

论文发表刊物:《基层建设》2016年第33期

论文发表时间:2017/3/7

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