三段式滑坡物理模型及其制备方法
【专利摘要】本发明属于地质力学模型制备技术领域，具体涉及三段式滑坡物理模型及其制备方法，包括模拟基岩和滑体的主体部分即第Ⅳ部分，主体部分内依次包括第Ⅰ部分、第Ⅱ部分和第Ⅲ部分，第Ⅰ部分为有垂直的拉裂段，第Ⅱ部分为弧线形状的锁固段，第Ⅲ部分为蠕滑段，蠕滑段倾角为0?8°，较高的一端通过锁固段与拉裂段下端连接，较低一端延伸至主体部分的侧壁，所述的侧壁上有斜坡，主体部分为五边形块体。各部分由水泥、石膏粉、石英砂、水按照不同比例配置制成。本发明提供的三段式滑坡物理模型，与野外斜坡结构高度吻合，能有力保障“蠕滑—拉裂—剪断”变形破坏过程的再现，模型的制备方法操作方便，取材易行，用料经济节约。
【专利说明】
三段式滑坡物理模型及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于地质力学模型制备技术领域，具体涉及三段式滑坡物理模型及其制备 方法。
【背景技术】
[0002] "三段式"滑坡是在自重作用下，经历"前缘蠕滑"、"后缘拉裂"两阶段的发展演化 后，在结构面中部形成"锁固段"，并最终剪断破坏形成的典型灾难性滑坡，因锁固段应力长 期积累下形成的突发脆性破坏而常常表现为高速远程滑移，由此带来惨痛的人员伤亡和重 大的经济损失。坡体主体由相对均质的脆性岩体或半成岩(土)体构成，但坡脚发育近水平 或缓倾坡外的结构面或夹有相对较薄的缓倾坡外的软弱夹层。此类滑坡稳定性主要受控于 锁固段，探明锁固段破坏机制对其防灾减灾意义重大。
[0003] "三段式"滑坡的研究概况是：以野外实地调查和宏观地质描述下的地质分析为基 础，主要从数值模拟角度分析和揭示此类滑坡的变形机制。野外地质调查往往是根据灾后 地貌特征、堆积物结构特征等对边坡失稳过程进行推断和分析，属于粗放的、非精细化的研 究；而数值模拟虽是定量分析，但其以诸多假设为前提条件，难以精准模拟野外斜坡失稳。 显然，若要从细观和微观角度揭示"三段式"滑坡变形机理，尤其是"锁固段"破坏机制，物理 模拟实验有极强的优越性。
[0004] 目前针对锁固段型滑坡的物理实验研究多以岩桥直剪实验为主，较少涉及更为精 细的实验室物理模拟。专利号201310121643.7公开的一种高速滑坡启程机理试验装置可实 现锁固段大小、位置、材料等的制作，进行锁固段破坏机理研究，但只能模拟直线型滑面斜 坡失稳，滑面结构具有显著局限性。若能实现复杂滑面结构的室内物理模拟，动态再现斜坡 变形失稳全过程，必将有力推动"三段式"滑坡锁固段破坏机制研究。
【发明内容】
[0005] 针对上述技术问题，本发明提供一种"三段式"滑坡模型及其简便易行的制作方 法。基于该模型，将能够完成"三段式"滑坡"蠕滑一拉裂一剪断"全过程物理模拟实验研究， 通过一系列监测仪器，实现模型变形一破坏过程中动态信息的捕捉，以期深刻揭示"三段 式"滑坡锁固段破坏机制。
[0006] 三段式滑坡物理模型，包括模拟基岩和滑体的主体部分即第IV部分，主体部分内 依次包括第I部分、第π部分和第m部分，第I部分为有垂直的拉裂段，第π部分为弧线形状 的锁固段，第m部分为蠕滑段，蠕滑段倾角为〇-8°，较高的一端通过锁固段与拉裂段下端连 接，较低一端延伸至主体部分的侧壁，所述的侧壁上有斜坡，主体部分为五边形块体，高、宽 分别为L，厚W，斜坡的坡角70°。
[0007] 三段式滑坡物理模型的制备方法，包括以下过程：
[0008] (1)制作三段式滑坡物理模型的矩形木质模具
[0009] (2)三段式滑坡物理模型各部分材料按照以下原料按照重量比配比：
[0010] 第I部分，水泥:石膏粉:石英砂:水为0.4:1:3:0.7~0.9;
[0011] 第Π 部分，水泥:石膏粉:石英砂:水为0.7:1:3:0.7~0.9;
[0012] 第m部分，水泥:石膏粉:石英砂:水为0.5:1:3:0.7~0.9;
[0013] 第IV部分，水泥:石膏粉:石英砂:水为1:1:3:0.7~0.9;
[0014] 所述的水泥为普通硅酸盐水泥，型号为P · 0 42.5;所述的石英砂为60目；
[0015] 完成第I部分、第Π 部分、第IV部分各部分材料制作，完成第I部分、第Π 部分、第IV 部分材料装填工作，第m部分用第I部分材料填充占位，在振动棒作用下充分振动密实，用 刮刀剔除浮浆，用水平尺校正上端面；
[0016] (3)试样成型后养护48h拆模，各部分材料的养护时间：第I部分、第Π 部分、第IV部 分在温度20°C、湿度65%的条件下养护15-18天，第IV部分切边成坡，顶部开缝制作第ΙΠ 部 分，配制第m部分材料，完成第m部分材料换填，第m部分材料在温度2〇°c、湿度65 %的条 件下养护6小时。
[0017] 本发明提供的三段式滑坡物理模型，与野外斜坡结构高度吻合，能有力保障"蠕 滑一拉裂一剪断"变形破坏过程的再现，具有真实可靠、简单易行的特点。模型的制备方法 操作方便，取材易行，用料经济节约。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的结构示意图；
[0019] 图2为本发明的木质模具结构示意图；
[0020] 图3为本发明的模型切割及换填操作示意图。 具体实施例
[0021] 下面结合实施例和对比例，对本发明的【具体实施方式】进行阐明。
[0022]实施例
[0023]如图1所示，三段式滑坡物理模型，包括模拟基岩和滑体的主体部分即第IV部分， 主体部分内依次包括第I部分、第Π 部分和第m部分，第I部分为有垂直的拉裂段，第π部分 为弧线形状的锁固段，第m部分为蠕滑段，蠕滑段倾角为〇-8°，较高的一端通过锁固段与拉 裂段下端连接，较低一端延伸至主体部分的侧壁，所述的侧壁上有斜坡，主体部分为五边形 块体高、宽分别为L，厚w，斜坡的坡角70°。
[0024] 具体的：
[0025] 第IV部分为主体部分，强度最高，模拟基岩和滑体。
[0026] 第m部分为蠕滑段，强度最低，为整个模型中的软弱基座。此段左侧起点距模型底 面0.27L，长为0.47L，宽0.03L，厚W，缓倾坡外，倾角为0-8°。
[0027] 第I部分为拉裂段，强度低于第Π 部分、第IV部分，长0.37L，宽0.03L，厚W。此段垂 向布置，倾角为90°，距离右侧边界0.43L。
[0028] 第Π 部分为锁固段，其强度仅次于第IV部分，是蠕滑、拉裂变形后的坡体稳定性控 制段。该段厚W，宽0.03L，弧线连接蠕滑段右端点和拉裂段下端点。
[0029] 第I部分、第Π 部分、第m部分强度均低于第IV部分，联合构成本次试验模型的结 构面。
[0030] 三段式滑坡物理模型的制备方法，包括以下过程：
[0031] (1)制作三段式滑坡物理模型的矩形木质模具，如图2所示，木质模具为矩形槽状 模具，内部尺寸长宽分别U深W，L = 30cm，W=5cm，无盖。
[0032] (2)三段式滑坡物理模型各部分材料按照以下原料按照重量比配比：
[0033]表1实施例三段式滑坡物理模型各部分材料配比
L〇〇35」所还的水泥为晋通硅酸盐水泥，型兮为P · 0 42.5。
[0036] 所述的石膏粉普通建筑用石膏粉。
[0037] 所述的石英砂为普通石英砂，型号为60目。
[0038]木质模具内，在结构面对应的位置用硬纸板填充占位，倒入搅拌均匀的第IV部分 专配混合料，在振动棒作用下充分振动密实。
[0039] (3)取出硬纸板，用相对应的专配混合料对结构面各段进行填充，此时第m部分用 第I部分材料填充占位。模型各部分填充密实之后，用刮刀剔除浮浆，用水平尺校正上端面。
[0040] (4)试样成型后养护48h拆模，在温度20°C，湿度65%的条件下养护风干。各部分材 料的养护时间:第I部分、第Π 部分、第IV部分在温度20°C、湿度65 %的条件下养护15-18天。
[0041] (5)养护后，如图3所示，切除左上角部分，切除部分为一个直角边长分别为6cm、 24cm的直角三角形块体;然后在与拉裂段对应的坡面顶部位置开设一条宽约1mm、深约3mm 的引导缝。
[0042] (6)切除第m部分原填充的材料，将模型放入模具并完成第m部分材料填充工作， 养护6h之后拆模。
[0043]进行二维地质力学物理模拟试验:将模型立面放置，限制下侧及右侧边界变形，使 用千斤顶从"滑体"顶部竖向逐级加载，历时约30min。结果显示，基于该模型的实验从现象 上较好地实现了"蠕滑一拉裂一剪断"变形破坏过程的模拟，锁固段实现脆性剪切破坏，滑 体完成高速远程滑移。因此，该模型是模拟"三段式"滑坡的理想模型。
[0044] 对比例Γ三段式"岩质边坡锁固段破坏实验研究(均质块体）
[0045] 取L = 30cm，W = 5cm，并按前述要求确定模型结构尺寸，令全区域为均质块体，水 泥、石膏粉、石英砂、水的用量之比为1: 1: 3:0.8。按照上述配比配料、装填、制样，在温度20 °C，湿度65%的条件下养护15天。然后在区域I和区域m对应位置用锯条制作裂缝，未贯通 部分(区域Π 对应位置)则形成此类模型的锁固段。
[0046] 最后进行地质力学物理模拟试验:将模型立面放置，限制下侧及右侧边界变形，使 用千斤顶从"滑体"顶部竖向逐级加载，历时约30min。多次实验结果表明：该模型常常竖向 贯通破裂，而非理想的滑面贯通下的滑体滑移。虽然通过改进滑面结构（主要措施为加大区 域m位置的滑面倾角），能实现滑面贯通下的滑体滑移，但是其与"三段式"滑坡概念模型滑 面特征差异甚大，实验效果类似于岩桥直剪。因此，该模型不能模拟"三段式"滑坡。
[0047]对比例2"三段式"岩质边坡锁固段破坏实验研究(构造软弱结构面）
[0048] 取L = 30cm，W = 5cm，并按前述要求确定模型结构尺寸;分主体部分（区域IV)和结 构面(区域i、n、m)两部分进行材料填充，配比为:主体部分，水泥、石膏粉、石英砂、水的用 量之比为1:1:3:0.8,养护15天;结构面部分，水泥、石膏粉、石英砂、水的用量之比为0.4:1: 3:0.7,养护2天。
[0049]进行地质力学物理模拟试验:将模型立面放置，限制下侧及右侧边界变形，使用千 斤顶从"滑体"顶部竖向逐级加载，历时约30min。多次实验结果表明：基于该模型的实验虽 然能实现滑面贯通下的滑体滑移，但是无法模拟以"蠕滑一拉裂一剪断"为特征的变形破坏 过程，不能模拟出锁固段脆性破坏和滑体的突发性高速滑移等典型特征性效果。此外，此模 型还有主体部分与结构面部分连接不稳固的缺陷。因此，该模型不能模拟"三段式"滑坡。
【主权项】
1. 三段式滑坡物理模型，其特征在于:包括模拟基岩和滑体的主体部分即第IV部分，主 体部分内依次包括第I部分、第Π 部分和第m部分，第I部分为有垂直的拉裂段，第π部分为 弧线形状的锁固段，第m部分为蠕滑段，蠕滑段倾角为〇-8°，较高的一端通过锁固段与拉裂 段下端连接，较低一端延伸至主体部分的侧壁，所述的侧壁上有斜坡，主体部分为五边形块 体。2. 根据权利要求1所述的三段式滑坡物理模型的制备方法，其特征在于，包括以下过 程： (1) 制作三段式滑坡物理模型的矩形木质模具 (2) 三段式滑坡物理模型各部分材料按照以下原料按照重量比配比： 第I部分，水泥:石膏粉:石英砂:水为0.4:1:3:0.7~0.9; 第Π 部分，水泥:石膏粉:石英砂:水为0.7:1:3:0.7~0.9; 第ΙΠ 部分，水泥:石膏粉:石英砂:水为0.5:1:3:0.7~0.9; 第IV部分，水泥:石膏粉:石英砂:水为1:1:3:0.7~0.9; 所述的水泥为普通硅酸盐水泥，型号为P · 〇 42.5;所述的石英砂为60目； 完成第I部分、第Π 部分、第IV部分各部分材料制作，完成第I部分、第Π 部分、第IV部分 材料装填工作，第m部分用第I部分材料填充占位，在振动棒作用下充分振动密实，用刮刀 剔除浮浆，用水平尺校正上端面； (3) 试样成型后养护48h拆模，进行养护后，第IV部分切边成坡，顶部开缝制作第m部 分，配制第m部分材料，完成第m部分材料换填，再进行养护。3. 根据权利要求2所述的三段式滑坡物理模型的制备方法，其特征在于，各部分材料的 养护条件为:第I部分、第Π 部分、第IV部分在温度20°C、湿度65%的条件下养护15-18天;第 m部分材料在温度20°C、湿度65%的条件下养护6小时。
【文档编号】G01N33/24GK105842423SQ201610331656
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】陈国庆, 唐鹏, 蒋万增, 黄润秋, 冉耀
【申请人】成都理工大学