含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型及其失稳破坏实验方法

本发明涉及地质力学模型制备，尤其涉及一种含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型及其失稳破坏实验方法。

背景技术：

1、在诸多灾难性滑坡中，锁固段型滑坡是最常见的类型之一。其中，锁固段指斜坡变形破坏过程中，滑面尚未连通、承受应力集中、提供关键承载作用的部位，此类由锁固段主控斜坡整体稳定性的斜坡统称为锁固段型斜坡。锁固段型斜坡失稳前，锁固段承受缓慢集中剪切应力或应力腐蚀作用，蕴含着极大的应变能，锁固段发生脆性断裂时，应变能转化为坡体动能，导致滑坡瞬时高速启动，因此该类型斜坡脆性破坏通常有着启动速度高、突发性强、破坏严重等特点，常造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此，锁固段型斜坡失稳破坏机制研究对斜坡失稳预测和灾害防治具有重要的现实意义和迫切的社会需求。

2、前人根据滑动面与地层产状关系和锁固段赋存形式对锁固段型斜坡进行分类，其中根据滑动面与地层产状关系分为：跨层斜切式、顺层直剪式、挡墙式、均质岩桥式、支撑拱式；根据锁固段赋存形式分为:三段式、挡墙溃屈式、平推式。尽管针对不同类型的锁固段型斜坡开展了大量的物理模型实验、数值模拟和理论研究，也极大推进锁固段型斜坡失稳破坏机制研究，但对锁固段内部结构考虑不足。前人研究往往将锁固段简化为主控斜坡稳定性的完整岩块，研究表明：天然锁固段实质为大尺寸岩体，其内通常包含层理、节理等弱面，其内部结构对于锁固段失稳破裂演化机制以及破坏形式等影响较大。因此，开展含反倾弱面锁固段型斜坡失稳机制研究，对于深刻揭示锁固段失稳破坏机制，推动斜坡失稳预测、灾害防治意义重大。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型及其失稳破坏实验方法，实现含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型的实验制备，及该模型失稳破坏。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

3、一方面，本发明提供一种含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型，该物理模型为五边形块体，包括上部分块体i和下部分块体ⅱ；块体ⅰ右半部分和块体ⅱ下半部分模拟基岩，块体ⅰ左半部分和块体ⅱ上半部分模拟滑体；块体ⅰ中裂隙模拟后缘拉裂隙，后缘拉裂隙深度设置为临界深度；块体ⅱ内嵌入亚克力板模拟前缘蠕滑段，后缘拉裂隙较低一端与前缘蠕滑段较高一端中间部分即为锁固段；块体ⅰ和块体ⅱ利用亚克力板分隔开，块体ⅰ和块体ⅱ间裂隙模拟“弱面”，弱面贯通整个块体，并且穿过锁固段。

4、另一方面，本发明还提供一种含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型的失稳破坏实验方法，包括以下步骤：

5、(一)制作模型箱

6、1.制作无盖五棱柱体亚克力模具；

7、2.在模具右上部、左下部和中部分别胶结不同尺寸的亚克力板；

8、3.室温放置至胶体完全凝固后待用；

9、(二)制备含反倾弱面锁固段型斜坡试样

10、1.考虑弹性模量、泊松比、抗压强度等参量，选取普通硅酸盐水泥、石英砂、石膏粉、水等原料按照重量比配比；

11、2.完成原料配比工作后，将上述原料灌浇到模型箱内，使块体i和块体ⅱ高度一致，在振动台作用下充分振动致密，并用水平尺矫正上端面；

12、3.试样成型后养护拆模，拆模时拆除块体上部与中部亚克力板，下部亚克力板滞留在块体内，即为“后缘拉裂隙”、“锁固段弱面”、“前缘蠕滑段”；拆模完成后在设定条件下养护；

13、(三)喷涂散斑

14、试样养护完成后取出，待试样表面完全干燥后，在锁固段部位以及后缘拉裂隙前端固定应变片；为增加对比度方便散斑识别，应变片布置完成之后在试样表面喷涂一层白漆，并用硬毛刷蘸取墨水，拨动毛刷使得墨水溅射于试样表面，呈现黑色均匀致密斑点；

15、(四)对含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型开展失稳破坏实验，进行含反倾弱面锁固段型斜坡变形破坏研究；

16、将含反倾弱面锁固段型斜坡试样至于载荷加载装置上，利用钢板限制试样左右两端及下侧法向位移，采用缓慢梯级加载方式在试样顶部施加荷载，模拟锁固段斜坡在重力作用下受力状态，直至试样破坏；过程中在加载装置正前方架设相机，焦点对于锁固段中部，记录失稳破坏实验过程；在试样监测位置粘贴应变片并连接应变监测仪，检测试样变形；

17、(五)分析实验结果

18、利用实验录像截取图片进行数字图像相关技术提取实验数据，并结合应变监测仪所得数据分析校正实验数据，校正过程以锁固段部位出现裂缝为分隔：裂缝出现前，以应力应变监测数据为基准，校准dic测量数据；在裂缝出现后，以校准后dic数据为基准，再次校准应力应变监测数据，基于校正后数据分析实验结果。

19、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型及其失稳破坏实验方法，该物理模型能够详尽展现含反倾弱面锁固段裂纹开展、发育直至最后破坏的动态过程，破坏时呈现极强的脆性并且伴有坡体的高速滑移，与实际含反倾弱面锁固段型斜坡破坏“蠕滑”、“脆性剪切”等变形破坏过程一一对应，可用于研究含反倾弱面锁固段型斜坡解锁机理研究，且模型制备方法简单易行，用材经济，可行性高。综上，此含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型实验方法是研究锁固段型斜坡解锁机理较为合理、理想的实验研究方法。

20、基于该模型，能够详细展现含反倾弱面锁固段裂纹产生、发育直至最后破坏的动态过程，结合应力应变监测、数字图像相关(dic)等技术，研究含反倾弱面锁固段变形破坏演化过程，分析锁固段内弱面结构对锁固段型斜坡破坏失稳影响机理，揭示含反倾弱面锁固段型斜坡解锁机制。

技术特征：

1.一种含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型，其特征在于：该物理模型为五边形块体，包括上部分块体i和下部分块体ⅱ；块体ⅰ右半部分和块体ⅱ下半部分模拟基岩，块体ⅰ左半部分和块体ⅱ上半部分模拟滑体；块体ⅰ中裂隙模拟后缘拉裂隙；块体ⅱ内嵌入亚克力板模拟前缘蠕滑段，后缘拉裂隙较低一端与前缘蠕滑段较高一端中间部分即为锁固段；块体ⅰ和块体ⅱ利用亚克力板分隔开，块体ⅰ和块体ⅱ间裂隙模拟“弱面”，弱面贯通整个块体，并且穿过锁固段。

2.根据权利要求1所述的一种含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型，其特征在于：后缘拉裂隙深度设置为临界深度。

3.一种含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型的失稳破坏实验方法，基于权利要求1所述物理模型实现，其特征在于：包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型的失稳破坏实验方法，其特征在于：所述制作模型箱的具体方法为：

5.根据权利要求4所述的含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型的失稳破坏实验方法，其特征在于：所述备含反倾弱面锁固段型斜坡试样的具体方法为：

6.根据权利要求5所述的含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型的失稳破坏实验方法，其特征在于：所述对试样喷涂散斑的具体方法为：

7.根据权利要求6所述的含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型的失稳破坏实验方法，其特征在于：所述分析实验结果的具体方法为：

8.根据权利要求7所述的含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型的失稳破坏实验方法，其特征在于：所述校正过程以锁固段部位出现裂缝为分隔：裂缝出现前，以应力应变监测数据为基准，校准dic测量数据；在裂缝出现后，以校准后dic数据为基准，再次校准应力应变监测数据，基于校正后数据分析实验结果。

技术总结
本发明提供一种含反倾弱面锁固段型斜坡物理模型及其失稳破坏实验方法，涉及地质力学模型制备技术领域。该模型为五边形块体，包括上部分块体I和下部分块体Ⅱ；块体Ⅰ右半部分和块体Ⅱ下半部分模拟基岩，块体Ⅰ左半部分和块体Ⅱ上半部分模拟滑体；块体Ⅰ中裂隙模拟后缘拉裂隙；块体Ⅱ内嵌入亚克力板模拟前缘蠕滑段，后缘拉裂隙较低一端与前缘蠕滑段较高一端中间部分即为锁固段；块体Ⅰ和块体Ⅱ利用亚克力板分隔开，块体Ⅰ和块体Ⅱ间裂隙模拟“弱面”，弱面贯通整个块体，并且穿过锁固段。该模型及方法研究含反倾弱面锁固段变形破坏演化过程，分析锁固段内弱面结构对锁固段型斜坡破坏失稳影响机理，揭示含反倾弱面锁固段型斜坡解锁机制。

技术研发人员：杨百存,赵杰,王志鹏
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29