东北大学学报(自然科学版) ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (4): 573-583.DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2024.04.015
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陶志刚1,2, 史广诚1,2, 杨晓杰1,2, 何满潮1,2
收稿日期:
2022-12-09
出版日期:
2024-04-15
发布日期:
2024-06-26
作者简介:
陶志刚(1981-),男,河北邯郸人,中国矿业大学(北京)教授,博士生导师基金资助:
Zhi-gang TAO1,2, Guang-cheng SHI1,2, Xiao-jie YANG1,2, Man-chao HE1,2
Received:
2022-12-09
Online:
2024-04-15
Published:
2024-06-26
摘要:
为研究降雨滑坡的控制及临滑预警技术,以熊家山滑坡为原型,通过分析边坡变形的时空特征,设计了相似模型试验.以普通预应力锚索(简称PR锚索)和NPR锚索为加固材料,运用高速摄像机、孔压、土压和锚索力传感器,分析了降雨诱发的滑坡规律和锚索控制机理,并结合现场试验探究了滑坡牛顿力变化规律.结果表明:孔隙水压力突降与边坡局部滑塌近似同步;NPR锚索力突降,边坡内部产生局部变形;PR锚索因无法承受大变形被拉断失效,而NPR锚索凭借恒阻大变形特性产生高应力吸能控制功能,促使边坡达到二次平衡状态;NPR锚索在滑坡前表现出明显的“先突增,后突降”的变形-临滑动力学规律;现场试验揭示了滑坡全过程牛顿力演变规律,提前7.5 h发出临滑预警.
中图分类号:
陶志刚, 史广诚, 杨晓杰, 何满潮. 降雨诱发滑坡的NPR锚索控制机理及临滑预警[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2024, 45(4): 573-583.
Zhi-gang TAO, Guang-cheng SHI, Xiao-jie YANG, Man-chao HE. Control Mechanism and Early Warning of Rainfall- Induced Landslide Based on NPR Anchor Cable[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(4): 573-583.
材料 类型 | 容重/(kN·m-3) | 单轴抗压强度/MPa | 黏聚力/kPa | 摩擦角/(°) | 泊松比 | 弹性模量 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
天然 | 饱和 | 天然 | 饱和 | 天然 | 饱和 | 天然 | 饱和 | GPa | ||
滑体 | 21.3 | 22.6 | 1.1 | 0.8 | 5.4 | 2.5 | 33.1 | 26.5 | 0.35 | 2.2 |
滑床 | 24.9 | 25.4 | 80.7 | 60.3 | 493.4 | 451.3 | 35.6 | 33.8 | 0.29 | 25.5 |
基岩 | 26.2 | 26.4 | 109.1 | 103.9 | 3 126.9 | 3 045.5 | 36.8 | 35.4 | 0.27 | 35.4 |
表1 边坡岩体的主要物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of the slope rocks
材料 类型 | 容重/(kN·m-3) | 单轴抗压强度/MPa | 黏聚力/kPa | 摩擦角/(°) | 泊松比 | 弹性模量 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
天然 | 饱和 | 天然 | 饱和 | 天然 | 饱和 | 天然 | 饱和 | GPa | ||
滑体 | 21.3 | 22.6 | 1.1 | 0.8 | 5.4 | 2.5 | 33.1 | 26.5 | 0.35 | 2.2 |
滑床 | 24.9 | 25.4 | 80.7 | 60.3 | 493.4 | 451.3 | 35.6 | 33.8 | 0.29 | 25.5 |
基岩 | 26.2 | 26.4 | 109.1 | 103.9 | 3 126.9 | 3 045.5 | 36.8 | 35.4 | 0.27 | 35.4 |
材料 类型 | 容重/(kN·m-3) | 单轴抗压强度/MPa | 黏聚力/kPa | 摩擦角/(°) | 泊松比 | 弹性模量 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
天然 | 饱和 | 天然 | 饱和 | 天然 | 饱和 | 天然 | 饱和 | MPa | ||
滑体 | 19.6 | 21.3 | 0.03 | 0.01 | 0.06 | 0.03 | 26.7 | 20.3 | 0.38 | 17 |
滑床 | 22.4 | 23.5 | 0.92 | 0.71 | 4.5 | 3.9 | 30.3 | 28.5 | 0.26 | 246 |
基岩 | 25.9 | 26.2 | 1.05 | 0.93 | 30.2 | 27.6 | 34.1 | 30.4 | 0.23 | 341 |
表2 物理模型相似材料物理力学参数
Table 2 Physical and mechanical parameters of similar materials in physical model
材料 类型 | 容重/(kN·m-3) | 单轴抗压强度/MPa | 黏聚力/kPa | 摩擦角/(°) | 泊松比 | 弹性模量 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
天然 | 饱和 | 天然 | 饱和 | 天然 | 饱和 | 天然 | 饱和 | MPa | ||
滑体 | 19.6 | 21.3 | 0.03 | 0.01 | 0.06 | 0.03 | 26.7 | 20.3 | 0.38 | 17 |
滑床 | 22.4 | 23.5 | 0.92 | 0.71 | 4.5 | 3.9 | 30.3 | 28.5 | 0.26 | 246 |
基岩 | 25.9 | 26.2 | 1.05 | 0.93 | 30.2 | 27.6 | 34.1 | 30.4 | 0.23 | 341 |
阶段 | 降雨时间 | 静置时间 |
---|---|---|
Ⅰ-1 | 60 | 76 |
Ⅰ-2 | 60 | 60 |
表3 模型边坡第Ⅰ阶段降雨时间 (min)
Table 3 Duration of rainfall in stage Ⅰ
阶段 | 降雨时间 | 静置时间 |
---|---|---|
Ⅰ-1 | 60 | 76 |
Ⅰ-2 | 60 | 60 |
阶段 | 降雨时间 | 静置时间 |
---|---|---|
Ⅱ-1 | 64 | 70 |
Ⅱ-2 | 59 | 边坡失稳 |
表4 模型边坡第Ⅱ阶段降雨时间 (min)
Table 4 Duration of rainfall in stage Ⅱ
阶段 | 降雨时间 | 静置时间 |
---|---|---|
Ⅱ-1 | 64 | 70 |
Ⅱ-2 | 59 | 边坡失稳 |
阶段 | 破坏模式 | 成因分析 | 破坏特征 | 典型图片 | 示意图 |
---|---|---|---|---|---|
第 Ⅰ 阶 段 降 雨 过 程 | 坡表冲蚀 | 降雨导致坡体形成局部饱和状态 | 主要位于边坡浅表层 | ||
局部滑塌 | 边坡开挖回弹变形,雨水入渗形成局部饱和状态 | 主要位于开挖边坡,扩展速度快 | |||
滑塌扩展 | 滑塌为破坏扩展提供了空间,降雨降低了破坏区的抗剪强度 | 主要位于开挖边坡区域,扩展速度快 | |||
冲蚀沟 | 边坡局部饱和,呈流动状态,在边坡表面形成冲沟 | 主要位于边坡中上部,冲蚀沟的规模与降雨时间成正比 | |||
坡顶平台张拉裂隙 | 坡顶平台产生干缩裂隙,随边坡变形不断扩展 | 产生于静置期,后期雨水汇入内部的主要通道 |
表5 降雨诱发边坡变形破坏模式
Table 5 Deformation failure mode of slope induced by rainfall
阶段 | 破坏模式 | 成因分析 | 破坏特征 | 典型图片 | 示意图 |
---|---|---|---|---|---|
第 Ⅰ 阶 段 降 雨 过 程 | 坡表冲蚀 | 降雨导致坡体形成局部饱和状态 | 主要位于边坡浅表层 | ||
局部滑塌 | 边坡开挖回弹变形,雨水入渗形成局部饱和状态 | 主要位于开挖边坡,扩展速度快 | |||
滑塌扩展 | 滑塌为破坏扩展提供了空间,降雨降低了破坏区的抗剪强度 | 主要位于开挖边坡区域,扩展速度快 | |||
冲蚀沟 | 边坡局部饱和,呈流动状态,在边坡表面形成冲沟 | 主要位于边坡中上部,冲蚀沟的规模与降雨时间成正比 | |||
坡顶平台张拉裂隙 | 坡顶平台产生干缩裂隙,随边坡变形不断扩展 | 产生于静置期,后期雨水汇入内部的主要通道 |
预警等级 | 一级准则: 曲线斜率dF / dt | 二级准则: 牛顿力增量 ΔF/kN |
---|---|---|
稳定预警 | 0 | 20~50升至黄色 |
中期预警 | 大于0 | 50~100升至橙色 |
短期预警 | 大于0到小于0的转折点 | >100升至红色 |
临滑预警 | 小于0 | 牛顿力突降 |
表6 牛顿力监测预警等级及预警准则
Table 6 Newtonian force monitoring early?warning levels and early?warning criteria
预警等级 | 一级准则: 曲线斜率dF / dt | 二级准则: 牛顿力增量 ΔF/kN |
---|---|---|
稳定预警 | 0 | 20~50升至黄色 |
中期预警 | 大于0 | 50~100升至橙色 |
短期预警 | 大于0到小于0的转折点 | >100升至红色 |
临滑预警 | 小于0 | 牛顿力突降 |
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