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NC:剪切带内孔隙压力短时增加可触发巨型岩质滑坡加速蠕滑
2020-04-28 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  巨型岩质滑坡在自然界广泛分布,由于其滑体方量巨大(通常可达106–108 m3),一旦失稳往往动能大、滑移距离远,对人类生命和财产安全构成重大威胁。令人费解的是,巨型岩质滑坡在经历很长时间缓慢蠕滑后,会突然加速蠕滑直至灾难性失稳滑动(图1),然而这种由慢到快过渡的调控机制至今仍悬而未决。 

1 典型的斜坡三阶段蠕变曲线

  通常,大型自然斜坡通过坡体渐进破坏过程对外界扰动做出响应,其中对水文条件的变化非常敏感。为此,很多学者认为捕捉巨型滑坡在不同蠕变阶段起始点处水文过程与力学过程之间的耦合行为是预测其从慢到快过渡的关键。 

  然而,当前对滑坡随时间变化的运动和对水文触发瞬态响应的认识,多依赖于对降雨、地下水和位移时间序列的统计分析以及基于简化粘性流变学的数学模型。尽管这些方法很有用,也比较容易应用,但它们并不能全面反映岩质滑坡的演化特征,且其自身相当大的不确定性往往影响预测模型和预警标准的可靠性。此外,亦有一些学者利用依赖速度-状态的摩擦模型来描述滑坡运动(包括缓慢滑动和灾难性崩塌),亦或引用不排水的水-力耦合和扩张型强化机制来解释滑坡运动的周期性和时变模式。然而,将这些模型应用于巨型缓慢蠕滑的岩质滑坡尚缺乏实验支持,且有关模型也无法在原位现场和实验室数据之间进行直接比较。 

  近期,意大利米兰大学的Federico Agliardi博士及合作者通过对意大利Spriana巨型岩质滑坡的基底剪切带物质开展室内不排水蠕变剪切试验,以揭示水动力作用下大型岩质滑坡蠕变速率由慢到快转化的物理力学机制。通过保持法向应力和剪切应力恒定,以阶梯式加载路径逐次在短时间内增加样品孔隙水压力的方法,来模拟实际降水、冰雪融化等入渗引起滑坡基底剪切带物质的孔压快速变化。如图2a的实验结果显示,短时间内快速增加样品孔压,会引起剪切带的蠕变速率突然增加而形成一个加速脉冲,同时伴随着剪胀变形发生。每个蠕变速率的脉冲峰值均出现在孔压增加之后,且延迟时间随着孔压的持续增加而逐渐变小。同时,每个加速脉冲之后存在着一个自减速阶段(Creep I),并逐渐演化为长时等速蠕变阶段(Creep II),其蠕变速率相比于峰值减小十倍以上。随着蠕变速率的增加,剪切带的压密变形增加。剪切变形的自减速效应随着孔压持续增加而减弱,从而提升等速蠕变阶段(Creep II)的整体蠕变速率。当应力状态接近样品的剪切强度时,继续增加孔压激发加速脉冲后,仅发生一个短时间的自减速过程,然后就转化为加速蠕变阶段(Creep III),直至最终破坏。以上的实验巧妙地模拟了岩质滑坡基底剪切带受水力耦合作用过程,表明当剪切应力较高时在短时间内蠕变速率就能达到峰值,且只需很小的孔隙水压力增量就能触发剪切带由慢速蠕变阶段快速过渡到加速蠕变阶段(Creep III)。 

2 孔隙水压力阶梯式增加剪切蠕变试验结果(τ=0.86τs)。(a)剪切滑移速率随时间的变化;(b)累积剪切位移随时间的变化;(c)法向位移随时间的变化;(d-f)分别对应(a-c)粉红色区域的放大图Agliardi et al., 2020

  在此基础上,Federico Agliardi等人将室内试验结果与野外观测结果进行对比发现,虽然模型尺度和复杂程度存在差异,但是试验获得的峰值脉冲时间(TVP)、峰值蠕变速率(VP)以及长时蠕变速率(VPCII)随孔隙水压力增量(ΔPp)的变化与实测的结果具有很好的一致性。随着ΔPp的增加,TVP表现出逐渐减小的趋势,而VPVPCII表现出很强的对数线性增大趋势。 

3 试验结果和野外观测结果对比(Agliardi et al., 2020

  以上研究从试验角度模拟了水动力作用下巨型岩质滑坡的蠕变力学行为,揭示了其由慢速蠕变阶段过渡到快速蠕变阶段的水力耦合作用机制,为其预测预报提供了基于物理过程和与尺度无关的试验依据。 

    

  延伸阅读

  Agliardi F, Scuderi M M, Fusi N, et al. Slow-to-fast transition of giant creeping rockslides modulated by undrained loading in basal shear zones[J]. Nature Communications, 2020, 11: 1352.链接 

  Crosta G B, Agliardi F, Rivolta C, et al. Long-term evolution and early warning strategies for complex rockslides by real-time monitoring[J]. Landslides, 2017, 14(5): 1615-1632.链接 

  Geng Z, Bonnelye A, Chen M, et al. Time and temperature dependent creep in Tournemire Shale[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2018, 123(11): 9658-9675.链接 

  Handwerger A L, Rempel A W, Skarbek R M, et al. Rate-weakening friction characterizes both slow sliding and catastrophic failure of landslides[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016, 113(37): 10281-10286.链接 

  Helmstetter A, Sornette D, Grasso J R, et al. Slider block friction model for landslides: Application to Vaiont and La Clapiere landslides[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2004, 109(B2).链接 

  Scholz C H. Mechanism of creep in brittle rock[J]. Journal of Geophysical Research, 1968, 73(10): 3295-3302.链接 

(撰稿:黄晓林薛雷/页岩气与工程室)

 
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