CN115629193B - 一种基覆型滑坡失稳过程的确定方法 - Google Patents

一种基覆型滑坡失稳过程的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基覆型滑坡失稳过程的确定方法，涉及地质力学模型试验技术领域，包括获取基覆型滑坡原型的上覆滑体参数信息、基岩参数信息和界面参数信息；利用所述上覆滑体参数信息确定上覆滑体模拟材料的参数约束条件；获取上覆滑体模拟材料的时间约束条件，利用所述参数约束条件和所述时间约束条件在相似材料数据库中选取上覆滑体模拟材料；构建基岩模拟材料的选取条件，根据所述选取条件选取基岩模拟材料；由选取的混合料和基岩模拟材料制作得到基覆型滑坡模型；将所述基覆型滑坡模型浸没在选取的软化溶液中进行软化试验，确定基覆型滑坡模型的失稳过程，本发明用于确定上覆土体全域均匀软化引起的基覆型滑坡失稳过程。

Description

一种基覆型滑坡失稳过程的确定方法
技术领域
本发明涉及地质力学模型试验技术领域，具体而言，涉及一种基覆型滑坡失稳过程的确定方法。
背景技术
滑坡物理模型试验是根据相似准则对原型滑坡进行缩尺，用缩尺后的模型代替原型进行测试的试验方法。由于模型试验方法能够实现在试验室内近距离直接观测滑坡的失稳全过程及失稳机理，故该方法经常被用于研究滑坡。对于基覆型滑坡而言，上覆土体与下部基岩的界面为滑带的形成提供有利条件，故基覆型滑坡的滑体一般为上覆土体，滑床一般为基岩，滑带一般位于界面处。除了界面强度不足或时效软化外，上覆土体强度不足或时效软化也是一些基覆型滑坡发生的条件，迄今为止，尚未有确定上覆土体全域均匀软化引起的基覆型滑坡失稳过程的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基覆型滑坡失稳过程的确定方法，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
获取基覆型滑坡原型的上覆滑体参数信息、基岩参数信息和界面参数信息；
利用所述上覆滑体参数信息确定上覆滑体模拟材料的参数约束条件，所述上覆滑体模拟材料包括软化溶液和混合料；
获取上覆滑体模拟材料的时间约束条件，利用所述参数约束条件和所述时间约束条件在相似材料数据库中选取上覆滑体模拟材料；
利用所述基岩参数信息和界面参数信息构建基岩模拟材料的选取条件，根据所述选取条件选取基岩模拟材料；
由选取的混合料和基岩模拟材料制作得到基覆型滑坡模型；
将所述基覆型滑坡模型浸没在选取的软化溶液中进行软化试验，确定基覆型滑坡模型的失稳过程。
本发明的有益效果为：
一方面，本发明根据基覆型滑坡中上覆滑体的几何参数和力学参数设定约束条件，用于限定上覆滑体模型的材质的约束条件和软化溶液的约束条件，保证上覆滑体的模型与上覆滑体的相似性；同理，根据基覆型滑坡中基岩参数信息和界面参数信息选取用于模拟基岩模型的材料，从而保证由上覆滑体模型和基岩模型制得而成的基覆型滑坡模型与基覆型滑坡原型高度一致，确保模拟试验的精准性。
另一方面，通过基覆型滑坡模型和软化溶液进行模拟试验既可实现上覆滑体全域软化又可实现上覆滑体局部软化：当固化混合料被软化溶液完全浸没时，则可模拟上覆滑体全域软化；当固化混合料被软化溶液局部浸没时，则可模拟上覆滑体局部软化；可为采用地质力学模型试验研究以下两个重要滑坡问题提供了方法基础：1.上覆滑体时效软化引起的基覆型滑坡失稳全过程和失稳机理；2.预测基覆型滑坡的潜在失稳过程。
用本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中所述的基覆型滑坡失稳过程的确定方法流程示意图;
图2为本发明实施例中所述的模型箱的立体结构示意图；
图3为本发明实施例中所述的模型箱的截面图。
图中标记：
1、模型箱；2、构型模板；3、空腔；4、基岩模型。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1：
本实施例提供了一种基覆型滑坡失稳过程的确定方法。
参见图1，图中1示出了本方法包括:
S1.获取基覆型滑坡原型的上覆滑体参数信息、基岩参数信息和界面参数信息；
具体的，所述步骤S1包括：
S11.获取基覆型滑坡原型的上覆滑体的第一力学参数和几何参数L p，所述第一几何参数包括高度和宽度，所述第一力学参数包括密度ρ p、黏聚力c p和内摩擦角φ p，本实施例中，所述上覆滑体的第一力学参数和几何参数如表1所示：
表1
Figure 815853DEST_PATH_IMAGE002
S12.获取基覆型滑坡原型的基岩的第二力学参数和几何参数，所述第二力学参数包括抗压强度σ c0、抗拉强度σ t0和弹性模量E 0；
S13.获取基覆型滑坡原型的界面摩擦角
Figure 264152DEST_PATH_IMAGE003
，所述界面摩擦角表示上覆滑体与 基岩之间的界面摩擦角；
本实施例中，如图3所示，所述界面摩擦角有两个，一个为上部界面摩擦角，为28°，一个为下部界面摩擦角，为10°。
基于以上实施例，本方法还包括：
S2.利用所述上覆滑体参数信息确定上覆滑体模拟材料的参数约束条件，所述上覆滑体模拟材料包括软化溶液和混合料；
具体的，所述步骤S2包括：
S21.获取几何相似常数Sl、密度相似常数Sρ和重力加速度相似常数Sg；
本实施例中，根据试验的需求设计得到上覆滑体模型与原型的几何相似常数和密度相似常数分别为Sl=1: 122.61和Sρ=1: 0.519；模型试验设计为1g模型试验，故重力加速度相似常数为Sg=1: 1。
S22.基于几何相似常数、密度相似常数和重力加速度相似常数，利用相似理论公式计算得到应力相似常数、黏聚力相似常数和内摩擦角相似常数，计算公式如下：
Figure 575048DEST_PATH_IMAGE004
；（1）
式中，Sσ表示应力相似常数，由此得到应力相似常数为1: 63.61；
Figure 501415DEST_PATH_IMAGE005
；（2）
式中，Sc表示黏聚力相似常数，由此得到应力相似常数为1: 63.61；
Figure 581367DEST_PATH_IMAGE006
； （3）
式中，
Figure 731726DEST_PATH_IMAGE007
表示内摩擦角相似常数，由此得到内摩擦角相似常数为1: 1。
S23.由所述几何相似常数、密度相似常数、黏聚力相似常数和内摩擦角相似常数计算得到上覆滑体模型的几何参数、基础密度、基础黏聚力和基础内摩擦角，具体计算公式如下：
Figure 264338DEST_PATH_IMAGE008
；（4）
式中，Lm为上覆滑体模型的几何参数;
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；（5）
式中，ρm为基础密度；
Figure 558178DEST_PATH_IMAGE010
；（6）
式中，cm为基础黏聚力；
Figure 758216DEST_PATH_IMAGE011
；（7）
式中，
Figure 282738DEST_PATH_IMAGE012
为基础内摩擦角。
本实施例中，通过公式（4）-（7）计算得到上覆滑体模型的几何参数、基础密度、基础黏聚力和基础内摩擦角，如表2所示：
表2
Figure 364963DEST_PATH_IMAGE014
S24.根据基础密度、基础黏聚力和基础内摩擦构建关于上覆滑体模拟材料的参数约束条件，具体的，所述参数约束条件为：
Figure 367554DEST_PATH_IMAGE016
；（8）
式中，
Figure 923563DEST_PATH_IMAGE017
为选用的混合料固化后在软化溶液中的浮密度，c f为选用的混合料固 化后的黏聚力，
Figure 884566DEST_PATH_IMAGE018
为选用的混合料固化后的内摩擦角。
基于以上实施例，本方法还包括：
S3.获取上覆滑体模拟材料的时间约束条件，具体的，时间约束条件为选用的混合料固化后浸没在软化溶液中软化至破坏所用时间不小于15 min，利用所述参数约束条件和所述时间约束条件在相似材料数据库中选取上覆滑体模拟材料；
具体的，所述步骤S3包括：
S31.在相似材料数据库中筛选符合所述参数约束条件和时间约束条件下的球颗粒的材料类型和级配、白乳胶与防水胶的第一质量配比、球颗粒与胶水的第二质量配比和水与甘油的第三质量配比；
具体的，所述相似材料数据库为：在不同白乳胶与防水胶质量配比的胶水、不同球颗粒与胶水质量配比的混合料、不同水与甘油质量配比的软化溶液下，胶结体在软化溶液中的浮密度、黏聚力和内摩擦角以及软化至破坏所用时间，所述胶结体为固化的混合料。
所述胶水、混合料和软化溶液的质量配比如表3所示：
表3
Figure 454087DEST_PATH_IMAGE020
表3中，胶水、混合料和软化溶液分别有6种配比，将所述胶水、混合料和软化溶液进行组合可得到36种不同混合料，再将36种混合料均采用6种软化溶液进行试验，可得到216种浮密度、黏聚力和内摩擦角以及软化至破坏所用时间，并存储在相似材料数据库中，该216种结果在本说明书中不一一进行举例说明。
本实施例中，利用参数约束条件和所述时间约束条件在相似材料数据库中进行筛选，得到球颗粒为不锈钢钢球、级配为单一粒径3 mm，所述第一质量配比为1:0、第二质量配比为1846:5和第三质量配比为1:0.7。
S32.按照所述第一质量配比混合白乳胶和防水胶得到胶水；
S33.按照第二质量配比混合球颗粒和胶水得到混合料；
S34.按照第三质量配比混合水和甘油得到软化溶液。
基于以上实施例，本方法还包括：
S4.利用所述基岩参数信息和界面参数信息构建基岩模拟材料的选取条件；
具体的，所述步骤S4包括：
S41.根据基岩的抗压强度、抗拉强度和弹性模量分别计算抗压强度的选取条件、抗拉强度的选取条件和弹性模量的选取条件；具体的，所述选取条件如下：
Figure 260369DEST_PATH_IMAGE022
；（9）
式中，σc为选取的基岩模拟材料的抗压强度，σt为选取的基岩模拟材料的抗拉强度，E为选取的基岩模拟材料的弹性模量；σc0为基岩原型的抗压强度，σt0为基岩原型的抗拉强度，E0为基岩原型的弹性模量。
S42.根据界面摩擦角计算摩擦角的选取条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；（10）
式中，
Figure 966157DEST_PATH_IMAGE003
为基覆型滑坡原型的界面摩擦角，
Figure 566903DEST_PATH_IMAGE024
为基岩模拟材料的界面摩擦角，需 要说明的是，由于本实施例中所述基覆型滑坡原型的界面摩擦角包括上部界面摩擦角和下 部界面摩擦角，因此需要利用所述上部界面摩擦角和下部界面摩擦角分别构造摩擦角的选 取条件。
优选的，所述基岩模拟材料可以为松木、柏木、栎木等木材，便于对基岩模拟材料表面进行打磨或光滑处理，即使基岩模拟材料与混合料界面的摩擦角不满足所述选取条件，也可通过对基岩模拟材料表面进行打磨或光滑处理使其满足；
本实施例中，由所述选取条件得到的基岩模拟材料为松木。
基于以上实施例，本方法还包括：
S5.由选取的混合料和基岩模拟材料制作得到基覆型滑坡模型；
具体的，所述步骤S5包括：
S51.根据上覆滑体参数信息和基岩参数信息，利用选取的基岩模拟材料制作初级模型；
具体的，如图2所示，所述步骤S51包括：
S511.根据上覆滑体参数信息和基岩参数信息制作模型箱1；
S512.根据上覆滑体参数信息制作构型模板2；
S513.根据基岩参数信息，利用所述基岩模拟材料制作基岩模型4；
S514.依次将所述基岩模型4和构型模板2置于模型箱1内得到初级模型，所述基岩模型和构型模板之间形成一个倾斜的空腔3，所述空腔的形状为上覆滑体模型的形状；
S52.将选取的混合料分层倒入初级模型中，固化后得到基覆型滑坡模型。
具体的，所述步骤S52包括：
S521.将所述混合料分层倒入所述初级模型的空腔中并分层插捣致密，直到混合料将空腔填满；
S522.将初级模型置于第一预设温度的无风条件下养护第一预设时间；
具体的，本实施例将初级模型置于30 ± 2°C无风条件下养护1天。
S523.再将初级模型置于第二预设温度的通风条件下养护第二预设时间；
具体的，本实施例将初级模型置于30 ± 2°C的通风条件下养护5天。
S524.取出构型模板，混合料固化后和所述基岩模型共同形成了基覆型滑坡模型。
基于以上实施例，本方法还包括：
S6.将所述基覆型滑坡模型浸没在选取的软化溶液中进行软化试验，确定基覆型滑坡模型的失稳过程；
具体的，所述步骤S6包括：
S61.将所述软化溶液注入模型箱内，直到软化溶液将所述基覆型滑坡模型浸没；
具体的，将所述软化溶液快速注入原来放置构型模板的空间内，直到将基覆型滑坡模型完全浸没，浸没在软化溶液中的上覆滑体模型即可呈现时效软化特性。
S62.获取基覆型滑坡模型的演化全过程影像，确定基覆型滑坡模型的失稳时间；
S63.采用数字图像技术分析演化全过程影像，得到基覆型滑坡模型从被软化溶液浸没到失稳时间的期间内所述应力场、位移场和破裂面空间位置的变化过程；
本实施例中，从基覆型滑坡模型被完全浸没时开始记录时间，模型上覆滑体模型的强度随软化时间的增加而逐渐减小。当软化时间持续16 min 33 s时，由于滑体强度不足，临近坡脚处开始出现一个破裂面。当软化时间持续17 min 59 s时，上覆滑体发生大规模下滑，因此，失稳时间为17 min 59 s。
在0—17 min 59 s的时间区间内记录应力场变化曲线图和位移场变化曲线图。
S64.将所述混合料固化为试样，优选的，所述试样为圆柱体；
S65.采用所述软化溶液和试样进行软化试验，在软化试验的时间进行至所述失稳时间时测得试样对应的失稳黏聚力；
具体的，将所述试样完全浸没在软化溶液中，当所述软化试验的时间进行至所述失稳时间时，对试样进行无侧限压缩试验，得到软化时间为17 min 59 s时的试样的失稳黏聚力为1.097 kPa。
S66.获取基覆型滑坡模型在临界时间时对应的应力场和位移场；
S67.由应力相似常数、几何相似常数和黏聚力相似常数，推算出基覆型滑坡原型失稳时的应力场、位移场和失稳黏聚力。
基于以上实施例，本方法还包括：
S7.根据所述覆型滑坡模型的失稳演化过程推断出基覆型滑坡原型的失稳机理和失稳模式，所述失稳模式包括牵引式和推动式。
具体的，所述步骤S7包括：
本实施例中，由于基覆型滑坡模型开始于坡脚破坏的一系列从坡脚到坡顶的破坏，因此可以推断出基覆型滑坡原型的失稳模式为牵引式特征，失稳机理为坡脚处界面的摩擦角和抗滑能力低，当上覆滑体的黏聚力降低到一定临界黏聚力时，坡脚处滑体先发生滑移、坍落，后缘滑体失去支撑，进而发生一系列从坡脚到坡顶的牵引式下滑。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基覆型滑坡失稳过程的确定方法，其特征在于，包括：
获取基覆型滑坡原型的上覆滑体参数信息、基岩参数信息和界面参数信息；
利用所述上覆滑体参数信息确定上覆滑体模拟材料的参数约束条件，所述上覆滑体模拟材料包括软化溶液和混合料；
获取上覆滑体模拟材料的时间约束条件，利用所述参数约束条件和所述时间约束条件在相似材料数据库中选取上覆滑体模拟材料，具体包括：
在相似材料数据库中筛选符合所述参数约束条件和时间约束条件下的球颗粒的材料类型和级配、白乳胶与防水胶的第一质量配比、球颗粒与胶水的第二质量配比和水与甘油的第三质量配比；
按照所述第一质量配比混合白乳胶和防水胶得到胶水；
按照所述第二质量配比混合球颗粒和胶水得到混合料；
按照所述第三质量配比混合水和甘油得到软化溶液；
利用所述基岩参数信息和界面参数信息构建基岩模拟材料的选取条件，根据所述选取条件选取基岩模拟材料；
由选取的混合料和基岩模拟材料制作得到基覆型滑坡模型；
将所述基覆型滑坡模型浸没在选取的软化溶液中进行软化试验，确定基覆型滑坡模型的失稳过程。
2.根据权利要求1所述的基覆型滑坡失稳过程的确定方法，其特征在于,所述获取基覆型滑坡原型的上覆滑体参数信息、基岩参数信息和界面参数信息，包括：
获取基覆型滑坡原型的上覆滑体的第一力学参数和几何参数，所述第一力学参数包括密度、黏聚力和内摩擦角，所述几何参数包括高度和宽度；
获取基覆型滑坡原型的基岩的第二力学参数和几何参数，所述第二力学参数包括抗压强度、抗拉强度和弹性模量；
获取基覆型滑坡原型的界面摩擦角。
3.根据权利要求1所述的基覆型滑坡失稳过程的确定方法，其特征在于,利用所述上覆滑体参数信息确定上覆滑体模拟材料的参数约束条件，具体包括：
获取几何相似常数、密度相似常数和重力加速度相似常数；
基于几何相似常数、密度相似常数和重力加速度相似常数，利用相似理论公式计算得到应力相似常数、黏聚力相似常数和内摩擦角相似常数；
由所述几何相似常数、密度相似常数、黏聚力相似常数和内摩擦角相似常数计算得到上覆滑体模型的几何参数、基础密度、基础黏聚力和基础内摩擦角；
根据基础密度、基础黏聚力和基础内摩擦构建关于上覆滑体模拟材料的参数约束条件。
4.根据权利要求2所述的基覆型滑坡失稳过程的确定方法，其特征在于,利用所述基岩参数信息和界面参数信息构建基岩模拟材料的选取条件，具体包括：
根据基岩的抗压强度、抗拉强度和弹性模量分别计算抗压强度的选取条件、抗拉强度的选取条件和弹性模量的选取条件；
根据界面摩擦角计算摩擦角的选取条件。
5.根据权利要求1所述的基覆型滑坡失稳过程的确定方法，其特征在于,所述由选取的混合料和基岩模拟材料制作得到基覆型滑坡模型，具体包括：
根据上覆滑体参数信息和基岩参数信息，利用选取的基岩模拟材料制作初级模型；
将选取的混合料分层倒入初级模型中，固化后得到基覆型滑坡模型。
6.根据权利要求5所述的基覆型滑坡失稳过程的确定方法，其特征在于,所述根据上覆滑体参数信息和基岩参数信息，利用选取的基岩模拟材料制作初级模型，具体包括：
根据上覆滑体参数信息和基岩参数信息制作模型箱；
根据上覆滑体参数信息制作构型模板；
根据基岩参数信息，利用所述混合料制作基岩模型；
依次将所述基岩模型和所述构型模板置于模型箱内得到初级模型，所述基岩模型和构型模板之间形成一个倾斜的空腔，所述空腔的形状为上覆滑体模型的形状。
7.根据权利要求6所述的基覆型滑坡失稳过程的确定方法，其特征在于,将所述混合料分层倒入初级模型中，固化后得到基覆型滑坡模型，具体包括：
将所述混合料分层倒入所述初级模型的空腔中并分层插捣致密，直到混合料将空腔填满；
将初级模型置于第一预设温度的无风条件下养护第一预设时间；
再将初级模型置于第二预设温度的通风条件下养护第二预设时间；
取出构型模板，混合料固化后和所述基岩模型共同形成了基覆型滑坡模型。
8.根据权利要求7所述的基覆型滑坡失稳过程的确定方法，其特征在于,将所述基覆型滑坡模型浸没在选取的软化溶液中进行软化试验，确定基覆型滑坡模型的失稳过程，具体包括：
将所述软化溶液注入模型箱内，直到软化溶液将所述基覆型滑坡模型浸没；
获取基覆型滑坡模型的演化全过程影像，确定基覆型滑坡模型的失稳时刻；
采用数字图像技术分析演化全过程影像，得到基覆型滑坡模型从被软化溶液浸没到失稳时刻的期间内应力场、位移场和破裂面空间位置的变化过程；
根据所述应力场、所述位移场和所述破裂面空间位置的变化过程确定基覆型滑坡模型的失稳模式。
9.根据权利要求8所述的基覆型滑坡失稳过程的确定方法，根据所述应力场、所述位移场和所述破裂面空间位置的变化过程确定基覆型滑坡模型的失稳模式之后，还包括：
将所述混合料固化为试样；
采用所述软化溶液和试样进行软化试验，在软化试验进行至所述失稳时刻时测得试样对应的失稳黏聚力；
获取基覆型滑坡模型在失稳时刻的应力场和位移场；
由应力相似常数、几何相似常数和黏聚力相似常数，计算出基覆型滑坡原型失稳时的应力场、位移场和失稳黏聚力。
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