降雨觸發(fā)滑坡的尖點突變模型

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1、第21卷第4期巖石力學與工程學報21(4)：502～5082002年4月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringApril，2002*降雨觸發(fā)滑坡的尖點突變模型龍輝秦四清萬志清(中國科學院地質與地球物理研究所工程地質力學重點實驗室北京100029)摘要針對降雨觸發(fā)的滑坡，以斜坡平面滑動失穩(wěn)為例，考慮滑面介質的應變軟化和水致弱化性質，提出了一個簡單的力學模型，并運用突變理論分析其失穩(wěn)的力學機制。在突變分析中，通過尖點突變模型，詳細討論了剛度比、含水量，幾何-力學參數等因素對滑坡孕育和觸發(fā)過程的影響。

2、結果表明：斜坡演化過程是其內部因素和外部因素共同作用的結果，其中內部因素起主導的定性作用，外部因素起觸發(fā)作用。通過突變分析發(fā)現，一個完整的滑坡孕育演化過程包括5個階段：穩(wěn)定～減速滑動～勻速滑動～加速滑動～劇滑。從整體上深化了對斜坡失穩(wěn)機理的認識。關鍵詞斜坡平面滑動失穩(wěn)，尖點突變，應變軟化，水致弱化，剛度比分類號TD824.7文獻標識碼A文章編號1000-6915(2002)04-0502-07的斜坡破壞，而具有相同或相似物理條件及外貌條1引言件的相鄰斜坡卻能穩(wěn)定存在；對同一斜坡系統(tǒng)，引發(fā)滑坡的降雨往往并非是強度最大的一次，而是在突變理論是法國

3、數學家Thom于1972年創(chuàng)立某一特定時刻、特定演化階段才會發(fā)生破壞。如果的，用來研究不連續(xù)現象，特別適用于描述作用力用常規(guī)的基于極限平衡的方法分析，很難較好地解或動力的漸變導致狀態(tài)突變的現象。地震、滑坡等釋這一現象。本文針對這個問題，以斜坡平面滑動巖體失穩(wěn)現象的孕育發(fā)生過程是漸變-突變過程，可失穩(wěn)為例，提出一個簡單的力學模型，通過滑面介借助突變理論進行分析研究。如：康仲遠分析了板質的含水量，將降雨的作用引入模型，用尖點突變狀巖體在水平力和垂直力共同作用下桿的歐拉失穩(wěn)模型分析其失穩(wěn)的力學機制。結果表明：斜坡演化問題，解釋了某些地震現象；殷有泉

4、等建立了斷層系統(tǒng)的性質主要是由參數剛度比和幾何-力學參數地震的尖點突變模型，從整體上把握住了地震非穩(wěn)決定的，外部因素(含水量)的觸發(fā)作用只在斜坡進定性機制；秦四清等將突變理論應用于斜坡失穩(wěn)研入或臨近臨界狀態(tài)時，才會產生巨大影響。并將一究，建立了順層斜坡失穩(wěn)、層狀巖體失穩(wěn)和斜坡平個完整的斜坡孕育演化過程分為5個階段：穩(wěn)定～面滑動失穩(wěn)的尖點突變模型。上述研究均加深了對減速滑動～勻速滑動～加速滑動～劇滑。從整體上巖體失穩(wěn)機制及其過程的認識，說明用突變理論分深化了對斜坡失穩(wěn)機理的認識。析巖體的突發(fā)失穩(wěn)現象是行之有效的。世界上許多滑坡是由降雨誘發(fā)的，許

5、多學者對[1～5]2滑面介質的應變軟化和水致弱化特此進行了大量研究。他們采用不同的方法和模型，給出了一些地區(qū)觸發(fā)滑坡的降雨強度/持續(xù)時間性域值。然而，由于滑坡演化的復雜性，在有些地區(qū)[6]許多斜坡的滑面由軟弱夾層組成，其中一些區(qū)并不能很好地給出這樣一個明確的域值。作者經常遇到這樣一些特殊情況：即使是同一場降雨，有段(如巖橋)介質強度高，表現為線彈性或非線性彈2000年5月27日收到初稿，2000年7月31日收到修改稿。*中國科學院“百人計劃”基金支持項目(555)。作者龍輝簡介：男，25歲，1994年畢業(yè)于西北大學地質系，現在中國科學院地質與

6、地球物理研究所攻讀博士學位，主要從事非線性工程地質力學方面的研究工作。第21卷第4期龍輝等.降雨觸發(fā)滑坡的尖點突變模型?503?性性質。為簡化分析，其本構關系可設為彈脆性的τ(見圖1)。?u?Ge(u≤u*)τ=?h(1)??τm(u＞u*)式中：Ge為剪切模量，u*為失穩(wěn)點對應的剪切位移，m=1τm為殘余抗剪強度。m=2m=3τou彈脆性介質圖2不同m值下的應變軟化曲線示意圖Fig.2Constitutivecurvesofstrain-softeningmediumwithdifferentm應變軟化介質裂紋，且裂紋會不斷擴展，材料的強度

7、降低，最后τm導致破壞，這一過程稱為應力腐蝕?；娼橘|中大都含有一定程度的裂隙，由于地表水的滲入或地下水面的上升，水對介質的化學作用可導致介質強度部分喪失，發(fā)生應力腐蝕。對于滑坡而言，腐蝕介ou0u*u質主要是水，所以又稱之為水致弱化。Vutukuri等圖1軟弱夾層兩種不同介質的本構曲線于1974年研究了石英質頁巖強度隨含水量變化的Fig.1Constitutivecurvesoftwokindsofinterlayermedia實驗曲線(圖3)，根據這個實驗曲線進行類比，作者30而另外一些區(qū)段由于介質破碎，在水的泥化作11用下，具應變軟化的

8、性質，當承受的剪切應力超過其峰值強度后，其抵抗變形的能力隨變形的增大而22減小。具有應變軟化性質介質的本構關系的一般公4420式，曾廣泛應用于地震和巖石工程的有限元