1、2014年第5期 西部探矿工程 143 竖向地震力对层面强度的弱化效应实验研究 郑海珍 ，张庆飞。 (1西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都610031； 2四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都610041) 摘要：采用振动模型实验，分滑体无节理发育、节理发育2种情况，做了在竖向振动荷载作用下层面 强度的弱化效应试验研究。根据试验数据分析发现竖向地震力对层面强度具有弱化效应；随着垂直 振动加速度的增加，顺层边坡岩层面内摩擦角的弱化值和弱化幅度均增大；滑体节理发育的情况下， 层面弱化效应比无节理发育时明显，且随着竖向振动加速度的增加，这种效应更明显。 关键词：竖向地震力；岩质
2、边坡；节理发育情况；层面强度；弱化效应 中图分类号：P64227文献标识码：A文章编号：1o045716(2(J14)05一O14305 2008年四川I汶川发生Ms80级强烈地震，地震触 发了大量的滑坡、崩塌等地质灾害，其数量之多、分布 之广、类型之复杂、破坏之巨大，举世罕见1。近年来， 学者对地震地质灾害内在动力学方面的研究也越来越 多；然而主要是对横波作用下的边坡动力反应研究，认 为地震对边坡的破坏主要是横波的作用，没有考虑竖 向地震的影响。但是本次地震产生的竖向峰值加速度 仅略小于水平向加速度，或是两者基本相当 。 地震荷载作用下边坡动力响应的几种研究方法 中，物理模拟中的振动台试验具
3、有地震动输人参数及 波形重复性可控等优势，因此成为研究的重要手段。 国内外通过振动台模型试验就土石坝的动力反应、砂 土动力液化等方面问题进行了较多的研究工作。王思 敬和他的合作者们较早地利用振动模拟试验，研究了 岩质边坡动力稳定性问题。之后，门玉明、王勇智、郝 建斌、许强等学者通过小型振动台试验，对边坡的破坏 机制展开大量的研究T作 。 本文采用振动模型实验研究竖向地震力对顺层岩 质边坡的层面强度弱化效应。 1模型选取及参数确定 11模型选取 由于研究的对象是顺层岩质边坡且实验是在振动 荷载作用下进行的，综合考虑相关因素之后，本次实验 选取密度较小的实木作为顺层岩质边坡的基岩，上层 采用水泥块
4、作为滑块如图l所示。 图1模型边坡示意图 饭 试件Al的尺寸为长240ram宽115mmx高53ram， 如图2，用于模拟无节理发育的滑体；试件A 由2块尺 寸为长120mmx宽ll5mmx高53ram试件组成，用于模 拟节理发育的滑体，如图3；试件B的底边500mm，高度 随着坡角的改变而改变。 图2试件A。平面图 12层面静强度参数的取值 如图4所示，设顺层模拟边坡试件A重量为G(约 263N)，施加给试件A的压力为N，试件A与B的接触 收稿日期：2013-07一l2修回日期：20130723 第一作者简介：郑海珍(1988一)，女(汉族)，浙江衢州人，西南交通大学球科学与环境T程在读硕士
5、研究生，研究方向：地质工程。 144 西部探矿工程 2014年第5期 面积为5，根据库仑定律： rC+。 an 式中： 层面静内摩擦角，(。)； ( 一层面粘聚力，kPa； r层面抗剪强度，kPa； 层面正应力，kPa。 图4边坡层面静强度实验 实验前，制作了5组模拟边坡，试件B坡角分别为 20。、25。、30。、35。、40。，底边长为500mm，高度分别为 182mm 233mm 289mm 350mm 420mm 实验时，将模拟边坡A和B如图4放置，用拉力计 恰好拉动试件A时的力为F；设模拟边坡A与B接触的 面积为S；正应力 (G+MS；剪应力r=FS。 该项实验对5个模型边坡做了5组每
6、组3次实验。 实验数据见表1。 由于模拟边坡A、B之间是刚性结构面即C=O。南 公式2得岩体层面的静内摩擦角为： =arctanl ( N)l (2) 式中： 。 第i次实验岩体层面的静内摩擦角，(。)； F第i次实验时恰好拉动试件A时的拉力计 读数，N； N第z次实验时施加在试件A上的压力，N； G试件A的重量，N。 通过实验数据和公式2可计算出5种不同粗糙度 的模拟边坡层面静内摩擦角，取各粗糙度层面静内 摩擦角加权平均 。 3作为该模型边坡层面的静内摩 擦角，由此得它们层面静内摩擦角分别为397。、403。、 415。、414。、419。 表1顺层边坡层面强度实验数据 2振动模型实验 本实
7、验针对刚性层面(即C一0)性质的顺层边坡滑 移失稳问题，通过改变模型软弱层面的倾角a，用Am ber振动控制仪记录不同模型边坡 所对应的岩层边坡 滑移失稳时的振动加速度a ，分析振动加速度ai与层面 内摩擦角弱化值、层面内摩擦角弱幅度之间的关系。 2014年第5期 西部探矿工程 145 实验分滑体无节理发育和滑体节理发育2种情况。 21滑体无节理发育 实验通过改变顺层边坡层面倾角，测试使其处 于临界滑移状态的不同竖向加速度，从而研究竖向 振动加速度对层面弱化的影响。该项实验共5组，模 拟边坡倾角分别为20。、25。、3O。、35。、40。，每组3次实 验。 每次实验随着时间的推移，振动加速度迅
8、速增加， 当A开始下滑时，即实验停止，读取终点的竖向加速 度。实验数据统计如表2所示。 表2层面强度和竖向加速度实验数据 序号 静内摩擦角 (。) 动内摩擦角 (9 (。) 强度弱化值 (9(。) 竖向振动加速度 a(g) 第一组 2 397 2O l97 403 25 l53 第i组 2 415 30 115 第四组 2 414 35 64 第五组 2 419 40 19 18 177 172 13l 119 在表2中， 表示模拟边坡层面静内摩擦角； 表 示顺层模拟边坡竖向振动加速度峰值为a时试件A处 于临界滑移状态的层面动内摩擦角。由于该边坡质的 C=0。根据库仑定律可知，层面动内摩擦角
9、等于顺 层边坡的层面倾角 。 表示振动作用下顺层边坡处 于临界滑移状态时的层面内摩擦角弱化值，A9=9 ，一 。 从表2顺层模型边坡垂直振动的测试数据可知，层 面倾角在20。40。之间时，边坡最大竖向振动加速度速 度峰值达到18g附近时的层面倾角为20。，最小振动速 度峰值为119g附近时的层面倾角为40。相同层面性 质的顺层模拟边坡在不同层面倾角下使其产生临界滑 移所对应的垂直加速度是不同的。从表2中统计数据 的大致规律来看，顺层边坡层面倾角越小，使其产生临 界滑移状态的垂直振动加速速度峰值越大。针对顺层 边坡在静态条件下处于稳定状态，而在振动荷载作用 H现滑移失稳的现象，笔者将其视为振动荷
10、载对层面 强度参数弱化的结果。振动荷载作用对顺层边坡层面 强度的弱化有何规律，需要对实验数据进一步研究才 能确定 实验数据分析。根据垂直振动作用下顺层模型边 坡实验数据表2，利用Excel对垂直振动加速a与层面 内摩擦角弱化值A9进行了回归分析。 根据表2的数据统计和图5中垂直振动加速a与层 面内摩擦角弱化值 的拟合来看，该边坡在垂直振动 荷载作用下，当垂直振动加速以一0时其层面内摩擦角 弱化值 必趋近于0；当垂直振动加速a增大到131g 附近时，层面内摩擦角 的弱化值大约为64。；当垂直 振动加速 增至177g附近时，层面内摩擦角 的弱化 值达到153。；且垂直振动加速a与层面内摩擦角弱化
11、值 之间关系如下： 一11857a (3) 式中： 层面内摩擦角弱化值； 以模型边坡处于临界滑移状态时的垂直振动 加速度。 由表2的数据统计和垂直振动加速a与层面内摩 擦角弱化值 的拟合关系式(公式3)可得，此顺层边 坡在垂直振动作用下，层面强度弱化幅度随垂直振动 加速“变化的规律： 捣 1 l l 1 l l 1 1 l 1 l l l l 1 146 西部探矿工程 2014年第5期 I100：I ()I l 。 振动加速度(g) 图5垂直振动加速与层面内摩擦角弱化值的关系曲线 (41 式中“模型边坡处于临界滑移状态时的垂直振动 加速度，g； 层面内摩擦角弱化值，(。)； 模拟边坡层面静内摩
12、擦角，(。)。 表3层面弱化幅度表 从公式4和表2、表3分析可知，此实验模型边坡在 垂直振动作用下，当垂直振动加速度达到119g附近 时，层面内摩擦角弱化幅度为45；随着垂直振速的增 加，层面内摩擦角弱化幅度逐渐增大；当垂直振动加速 度达到1 时，层面内摩擦角弱化幅度达到496。 由图5、公式3和公式4、表2、表3综合分析可知， 随着垂直振动加速度的增加顺层边坡岩层面内摩擦角 的弱化值和弱化幅度均增大。 22滑体节理发育 对于滑体内节理发育的情况，实验原理及方法与 滑体无节理发育的试验一致，该项实验也分5组，模拟 边坡倾角分别为2O。、25。、30。、35。、4O。，每组3次实验。 受篇幅所限
13、，对试验过程及数据不在重复，在此仅 对实验结果进行了分析及归纳。根据垂直振动作用下 顺层模型边坡实验数据，利用Excel对垂直振动加速a 与层面内摩擦角弱化值 进行了回归分析。 根据图6中垂直振动加速口与层面内摩擦角弱化 值 的拟合来看，该边坡在垂直振动荷载作用下，当垂 直振动加速nO时其层面内摩擦角弱化值 必趋近 于0 振动加速度(g) 图6垂直振动加速与层面内摩擦角弱化值的关系曲线 当垂直振动加速a增大到12g附近时，层面内摩 下： 擦角 的弱化值大约为64。；当垂直振动加速a增至 Af=17123a 。 161g附近时，层面内摩擦角 的弱化值达到153。；且 式中符号意义同前。 垂直振动
14、加速a与层面内摩擦角弱化值 之间关系如 (5) (下转第150页) 15O 西部探矿工程 2014年第5期 3结论 (1)压汞实验表明，大佛寺井田4 、4 煤储层孑L容 分布以小孔为主，孔喉半径较小，排驱压力较低，中值 压力较高，退汞效率较低，孑L隙类型以墨水瓶状或细颈 瓶形孔为主。 (2)低温液氮吸附表明，大佛寺井田4 、4 煤储层 孔径分布以小孔为主，孔隙类型以墨水瓶状或细颈瓶 形孔为主，与压汞实验结果基本吻合。 (3)扫描电镜表明，大佛寺井田4 。、4 煤储层孑L隙 成因类型属于原生孔中的组织孔。4 煤储层裂隙发 育，渗透性好，对煤层气开发有利。 参考文献： 1晋香兰，张培河，吴敏杰鄂尔
15、多斯盆地低煤阶煤储层孔隙特 征及地质意义【J1煤炭科学技术，2012，40(10)：28-32 【2】张培河，原德胜，张进军鄂尔多斯盆地低变质煤的煤层气抽 采潜力以彬长大佛寺矿为例fJ1中国煤层气，201 1，8(5)： 1518 3】李卫波不同成因无烟煤解吸特征研究D】西安：西安科技大 学。2011 4蔺亚兵煤层气解吸滞后效应研究D西安：西安科技大学， 2012 5】陈萍，唐修义低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研究IJ】煤 炭学报，2001，26f5)：105109 【6】降文萍，宋孝忠，钟玲文基于低温液氮实验的不同煤体结构 煤的孔隙特征及其对瓦斯突出影响fJ】煤炭学报，201 l，36(4)
16、： 78-83 7张慧，李小彦，郝琦，等中国煤的扫描电子显微镜研究MI北 京：地质出版社，2003 (上接第146页) 由实验数据统计和垂直振动加速 与层面内摩擦 角弱化值 的拟合关系公式5可得，此顺层边坡在垂 直振动作用下，层面强度弱化幅度随垂直振动加速以变 化的规律： 100：l ：z 堡 ! I ()1 I 0 式中符号意义同前。 (6) 从公式6和表4分析可知，此实验模型边坡在垂直 振动作用下，当垂直振动加速度达到115g附近时，层 面内摩擦角弱化幅度为45；随着垂直振动加速度的 增加，层面内摩擦角弱化幅度逐渐增大；当垂直振动加 速度达到165g时，层面内摩擦角弱化幅度达到496。 由
17、图6、公式5和6、表4综合分析可知，随着垂直振 动加速度的增加顺层边坡岩层面内摩擦角的弱化值和 弱化幅度均增大。 23滑体节理发育情况与层面弱化效应的关系 从图7可看出，滑体发育节理的情况下，层面弱化 效应越明显 随着竖向振动加速度的的增加，这种效应 更明显。 3小结 (1)本文根据相似理论与动力学模型实验设计的 基本方法，提出了模型设计方案，并采用不同的试件 A，来模拟滑体的节理发育情况； (2)通过静力平衡试验确定不同粗糙程度的刚性 (即c=o)J ul层边坡层面静内摩擦角，试验观察发现层 理面越粗糙其静内摩擦角值越大，并求得其静内摩察 0 ； ， ，i ， ， ，0 一 垂直振动加速度r
18、 g) 图7滑体节理发育情况与层面弱化效应的关系 角。本试验为振动作用下刚性顺层边坡层面内摩擦角 弱化分析奠定了基础； (3)主要分滑体无节理发育、节理发育2种情况，做 了在竖向振动荷载作用下层面强度的弱化效应试验研 究。根据试验数据分析得如下结论：随着垂直振动 加速度的增加顺层边坡岩层面内摩擦角的弱化值和弱 化幅度均增大；滑体具有节理的情况下，层面弱化效 应越明显，随着竖向振动加速度的的增加，这种效应更 明显 参考文献： 【1黄润秋，李为乐“512”汶川大地震触发地质灾害的发育分 布规律研究【J】岩石力学与工程学报，2009，27(12)：2585 2592 【2】黄润秋汶川80级地震触发崩滑灾害机制及其地质力学模 式J1岩石力学与工程学报，2009，28(6)：12391249 【3】董金玉，杨国香，伍法权，祁生文地震作用下顺层岩质边坡动 力响应和破坏模式大型振动台试验研究 1岩土力学，201 1， 32r10、：29772982
