• ISSN 0258-2724
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基于离心试验的边坡倾倒变形下弯折带演化特征

郑达 唐劲松

郑达, 唐劲松. 基于离心试验的边坡倾倒变形下弯折带演化特征[J]. 西南交通大学学报, 2021, 56(6): 1232-1240. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200319
引用本文: 郑达, 唐劲松. 基于离心试验的边坡倾倒变形下弯折带演化特征[J]. 西南交通大学学报, 2021, 56(6): 1232-1240. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200319
ZHENG Da, TANG Jingsong. Slope Toppling Deformation and Development Characteristics of Bending Belts by Centrifugal Model Test[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2021, 56(6): 1232-1240. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200319
Citation: ZHENG Da, TANG Jingsong. Slope Toppling Deformation and Development Characteristics of Bending Belts by Centrifugal Model Test[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2021, 56(6): 1232-1240. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200319

基于离心试验的边坡倾倒变形下弯折带演化特征

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200319
基金项目: 国家重点研发计划(2018YFC1504905);国家自然科学基金(41772317)
详细信息
    作者简介:

    郑达(1977—),男,教授,博士,研究方向为地质灾害评价防治及高边坡稳定性,E-mail:zhengda@cdut.cn

  • 中图分类号: U213.13

Slope Toppling Deformation and Development Characteristics of Bending Belts by Centrifugal Model Test

  • 摘要:

    边坡倾倒变形过程中岩层弯折带的发育特征与演化规律是研究该类边坡变形破坏的地质过程与力学行为的关键. 为了揭示坡角变化对弯折带发育规律的影响,以澜沧江古水水电站坝前倾倒变形体为原型边坡,概化设计3组不同坡角的试验模型,通过离心模拟试验,尝试再现反倾层状岩质边坡倾倒变形的演化过程,分析边坡内部岩层弯折带的发育特征. 研究结果表明:边坡倾倒变形主要发生在倾倒折断基准面上方,基准面与层面法线的夹角位于12°~16°,该值不随坡角的改变而发生变化;边坡倾倒变形时,弯折带由坡脚开始以参差阶坎状的形式向坡顶延伸直至贯通,坡度陡的边坡会在一级弯折带上方的已倾倒岩体中产生新的次级弯折带,边坡倾倒折断模式由单级折断逐渐转为多级折断;弯折带孕育过程可概化为3个阶段:岩层弯曲变形、坡脚破裂-弯折带向坡顶延伸、弯折带贯通-坡体临界失稳;坡角变化对边坡倾倒变形发育特征有较大影响,随着坡角的增加,边坡倾倒变形范围扩大,程度加剧.

     

  • 图 1  坝前倾倒变形体Ⅶ-Ⅶ地质剖面图

    Figure 1.  Geological section view of the toppling deformation body Ⅶ-Ⅶ in front of the dam

    图 2  模型设计(单位:cm)

    Figure 2.  Model design (unit: cm)

    图 3  初始弯曲变形

    Figure 3.  Initial bending deformation

    图 4  边坡变形发展

    Figure 4.  Slope deformation development

    图 5  一级弯折带贯通

    Figure 5.  First-level bending belt penetration

    图 6  边坡倾倒后破坏形态

    Figure 6.  Destructive mode after slope dumping

    图 7  弯折带发育关键节点加速度值

    Figure 7.  Acceleration values of key nodes in development of bending belts

    图 8  模型边坡位移曲线

    Figure 8.  Model slope displacement curves

    图 9  模型边坡应变曲线

    Figure 9.  Model slope strain curves

    图 10  弯折带发育特征

    Figure 10.  Development characteristics of bending belts

    表  1  倾倒变形体的变形破裂类型

    Table  1.   Deformation and rupture types of toppling deformation body

    部位 变形破裂类型 变形破裂特征
    前缘 倾倒坠覆  岩层张烈变形显著、架空明显,内部填充大量碎石及岩屑;岩体风化程度高、破碎严重,部分甚至发生坠覆位移. 该类变形主要发生在坡表浅层
    内部 倾倒蠕动  受岩层内部片理面的剪切蠕滑错动控制,表现为岩体发生连续倾倒,岩层倾角无突变,其在力学上属于塑性连续变形
    后缘 倾倒-弯曲、
    倾倒-折断
     反倾薄层状岩体在自重力矩作用下弯曲变形,当岩层较软时其发育深度较深,可以在岩层倾角发生较大变化时仍不出现破裂现象;当弯矩较大或岩层为硬质岩时,其在弯矩强烈部位较易发生脆性折断破裂
    内部、底界 倾倒-折断  在重力力矩作用下,变形体底部弯折强烈处发生折断变形,形成 25°~40° 的倾向坡外的折断面,该面并非连续的平面,受原有软弱结构面控制,往往呈参差阶坎状,岩层倾角发生突变,该变形在力学上属于不连续脆性破裂
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    表  2  各分区倾倒变形发育概况

    Table  2.   General situation of toppling deformation development in each district

    变形分区 变形特征 岩层倾角/(°) 层内拉张量/mm  卸荷变形  风化特征
    A  岩体强烈倾倒,破碎现象严重,部分甚至发生坠覆位移,松弛现象严重,局部架空 < 40 ≥ 20  强卸荷  强风化
    B  岩层倾倒较为强烈,层内张拉变形明显,局部发生切层剪切位移 40~60 2~24  总体强卸荷,
    下部弱卸荷
     总体为弱风化,
    上部为强风化
    C  岩体倾倒变形较弱,主要发生层间的剪切错动,层内张拉变形较小 55~72 2~8  弱卸荷  弱风化
    D  岩体未倾倒,岩层无张拉、错动 70~80 ≤ 2  弱卸荷  弱风化
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    表  3  离心模型试验主要相似参数关系

    Table  3.   Relationship of major similar parameters for centrifugal model tests

    物理量符号相似比符号比例系数(模型/原型)
    长度$ L $$ {C}_{L} $1/120
    密度$ \rho $$ {C}_{\rho } $1/1
    弹性模量$ E $$ {C}_{E} $1/1
    加速度$ a $$ {C}_{a} $120/1
    位移$ u $$ {C}_{u} $1/120
    黏聚力$ c $$ {C}_{c} $1/1
    内摩擦角$ \phi $$ {C}_{\phi } $1/1
    应力$ \sigma $$ {C}_{\sigma } $1/1
    应变$ \varepsilon $$ {C}_{\varepsilon } $1/1
    泊松比$ \mu $$ {C}_{\mu } $1/1
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    表  4  原型及相似材料物理力学参数

    Table  4.   Physical and mechanical parameters of prototypes and similar materials

    材料
    种类
    密度/
    (g•cm−3
    弹性模量/MPa抗压强度/MPa抗拉强度/MPa内聚力/kPa内摩擦角/(°)
    原型变质砂岩2.423000151.75
    层间粘结3516
    模型变质砂岩2.38280014.81.84
    层间粘结34.515.8
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    表  5  三组边坡LVDT3位移突变值及其对应加速度值

    Table  5.   Three sets of slope LVDT3 mutation displacement values and corresponding acceleration values

    边坡坡度/(°)LVDT3 位移
    突变值/mm
    对应重力加
    速度值/(×g
    对应边坡
    变形阶段
    55 2274.8一级弯折带贯通
    65 2358.2一级弯折带贯通
    75 1633.1一级弯折带贯通
    749.8二级弯折带贯通
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-25
  • 修回日期:  2020-08-20
  • 网络出版日期:  2020-09-15
  • 刊出日期:  2020-09-15

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