点击名片 关注我们
标题
Title
期刊: International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences
作者：Tianzheng Li a b , Limin Zhang b* , Wenping Gong a , Huiming Tang a , Ruochen Jiang b
年份：2024
1
摘要
冻融循环被认为是全球寒冷地区一些重大山体滑坡的关键触发因素之一。尽管冻融循环对岩石强度退化的影响已得到广泛研究，但在定性评估其如何促使稳定岩质边坡演变为大规模块体运动方面所做的努力却很少。在本研究中，我们使用基于离散元的数值模型来模拟具有随机分布初始裂缝的边坡在冻融循环作用下山体滑坡启动的整个过程。这项工作的主要目标是定量描述山体滑坡演化过程中的边坡位移、裂缝扩展、应力链和承载结构。我们的结果揭示了受冻融循环影响的山体滑坡位移演化的本质，即冻胀压力引发新裂缝的产生，导致边坡承载结构的破坏和重建。当边坡被断层穿过时，可能会发生深层山体滑坡；否则，边坡容易发生表面侵蚀或浅层山体滑坡。
2
图表
图 1. 数值实验和模型设置。
（a）该数值模型由超过 58,000 个颗粒组成。它呈直角梯形形状，下边长和高分别为 70 米和 50 米。斜坡的倾斜度为 60°。埋深小于 20 米的模型区域填充有半径在 0.05 米和 0.1 米之间均匀分布的颗粒。对于其余区域，颗粒半径逐渐增加到 1.0 米。一个断层带被配置为宽度为 0.5 米、倾角为 48°的条带。其下端距离模型底部 10 米。数值模型中包含三组初始裂缝，其倾角分别等于 10°、60°和 140°。（b）对于每个被归类为裂缝的区域，由于水的渗入，孔隙被假定始终处于饱和状态。水相变引起的冻胀压力导致粘结破坏和新裂缝的产生。
图 2. 边坡内部初始裂缝的随机建模。一个概念性裂缝由三个参数定义，包括长度 l、裂缝中心位置（x，y）和倾角 θ。具体而言，x（y）表示从裂缝中心到坡面（模型下边界）的水平（垂直）距离；θ 是指概念性裂缝与正 X 轴形成的角度。在离散元模型中实现一个概念性裂缝是找到与这个概念性裂缝相交的接触。然后这些接触被重新分配到线性模型中，并且包含这些接触的“区域”被标记为活跃。由于地质勘测的限制，这些属性很难被研究人员完全捕获。因此，l、（x，y）和 θ 的参数被视为随机变量，它们遵循表 2 中列出的分布规律。在我们的模拟中，根据倾角将初始裂缝分为三组，即 10°、60°、140°。每组裂缝的总数设置为 30。
图 3. 斜坡模型每个“区域”的温度设置。斜坡表面的年最高和最低温度以及恒温层的恒定温度可以通过易贡气象站与研究区域之间的海拔差来估算。因此，随着时间变化的温度从最高到最低分为 80 个范围，将这些范围的逆序组合起来形成一个冻融循环的温度序列 T = [T1, T2, …, T180]。我们假设热活性层的厚度为 10 米，温度从斜坡表面到恒温层呈线性变化。因此，每个“区域”获得其与深度相关的温度序列，并且序列中的每个元素在冻融循环模拟的持续时间内有效。
图 4. 所提出方法的流程图。该模拟是基于表 1 中描述的斜坡模型进行的。N是用户设置的冻融循环总次数。温度序列T是一个包含 160 个元素的集合，每个元素代表“区域”在冻融循环期间将经历的温度。由于不同的埋藏深度，每个“区域”与其他“区域”具有不同的温度序列。集合D表示受冻胀压力影响的区域，其随冻融循环的增加是为了模拟水渗透的效果。
图 5. 断层带下端埋深等于（a）9 米、（b）6 米、（c）3 米情况下的位移和新产生裂缝的数量。位移是通过对位移在 0.01 至 5.0 米之间的粒子求平均得到的，以排除可能的局部滑坡的影响。（d）P-I 时期最后一个 FT 循环的位移随温度的演变。（e）P-II 时期最后一个 FT 循环的位移随温度的演变。对于（d）和（e），曲线 1、2、3 分别与（a）、（b）、（c）的情况相关。需要注意的是，这些曲线是为了便于比较和观察而进行了缩放，因此它们的高度和位移之间没有绝对关系。
图 6. 在第 11 次、第 13 次、第 15 次和第 16 次冻融循环结束时坡脚处岩石颗粒位移和裂缝分布。（a）第 11 次、（b）第 13 次、（c）第 15 次和（d）第 16 次冻融循环结束时坡脚处岩石颗粒位移和裂缝分布。初始裂缝用绿色标记。与前一时刻相比新生成的裂缝用红色标记。因此，剩余的裂缝用蓝色标记。
图 7. 第 11 次、第 13 次、第 15 次、第 16 次冻融循环结束时坡脚处的应力链和概念性承载结构。通过将任意两个颗粒之间的接触力除以它们的平均直径得到应力链，并根据应力对应力链进行颜色编码。
图 9. 考虑不同裂缝倾角时边坡位移与冻融循环次数的关系。在右侧，标记了边坡位移达到 0.1 时的冻融循环次数，以便进行比较。边坡位移的计算方法与图 2 相同。随机建模的随机种子（rs）分别设置为 1、2、3、4、5，对应于（a）、（b）、（c）、（d）、（e）。（f）给出了所有情况下边坡位移达到 0.1 米时的冻融循环次数轴。
3
结论
这项工作使用离散元方法在冻融循环和水入渗作用下对滑坡启动的整个过程进行了数值重现。我们的模型可以定量描述滑坡演化过程，解释滑坡启动机制，并为寒冷地区的滑坡预警和预防提供理论基础。主要结论总结如下：1. 冻融诱发的滑坡演化可分为三个阶段。早期阶段的特点是在一个冻融循环内坡体位移呈现“增长-稳定-回弹”的趋势。在这个阶段滑坡的演化较为平缓。在第二阶段，位移回弹消失，滑坡进入快速演化时期。在最后阶段，坡体位移在整个冻融循环中持续增长，表明滑坡已被触发。2. 坡体位移主要发生在坡面温度大于 0°时，这准确地模拟了冻结期由于水的相变导致的冰岩界面强度的增加。因此，可以推测在较温暖的月份融诱发滑坡的风险更大。3. 冻胀压力导致裂缝的产生，从而引起承重结构的破坏和重建，这是坡体位移演化的本质。在冻胀压力和上覆荷载作用下最终承重结构的破坏是滑坡的直接触发因素。承重结构的演化过程可以解释为从强承重结构（粘结形式）演变为弱承重结构（摩擦形式）。仔细识别承重结构并实施有效的支撑措施以避免坡体破坏是很有必要的。4. 初始裂缝的性质和断层带的埋深对坡体抵抗冻融循环有显著影响。尽管由于初始裂缝的不确定性和冻融诱发滑坡的复杂性很难得出一般性结论，但我们的研究表明，有必要加强坡脚和靠近地表的断层附近的岩体。5. 当初始裂缝倾角接近坡角时，在滑坡演化的早期阶段，冻融引起的坡体变形相对较小。这可能表明不与坡面平行的裂缝更有可能促进冻融引起的变形。这为寒冷地区的坡体变形控制和滑坡预防提供了一些指导。6. 对于由冻融循环触发的滑坡，深层破坏通常需要坡体被断层穿过，否则坡体容易发生表面侵蚀或浅层滑坡。
4
参考文献
扫码关注，欢迎来稿
邮箱丨engeomodel@gmail.com
免责声明
本公众号推广所有论文，仅供学术交流，由于小编水平有限，摘要、图表均为原文内容，文字翻译部分仅代表小编个人理解，本公众号不具该原文的版权。在文献解读或作者简历介绍过程中如有疏漏，我们深表歉意，如涉及侵权问题或冒犯之处，请作者团队及时联系本公众号（邮箱），我们会在第一时间进行修改或删除，感谢您的谅解！
