貴陽分部廣州分部
網站地圖聯系我們所長信箱建議留言內部網English中國科學院
 
 
首頁概況簡介機構設置研究隊伍科研成果實驗觀測合作交流研究生教育學會學報圖書館黨群工作創新文化科學傳播信息公開
  新聞動態
  您現在的位置:首頁 > 新聞動態 > 學術前沿
NC:剪切帶內孔隙壓力短時增加可觸發巨型巖質滑坡加速蠕滑
2020-04-28 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  巨型巖質滑坡在自然界廣泛分布,由于其滑體方量巨大(通??蛇_106–108 m3),一旦失穩往往動能大、滑移距離遠,對人類生命和財產安全構成重大威脅。令人費解的是,巨型巖質滑坡在經歷很長時間緩慢蠕滑后,會突然加速蠕滑直至災難性失穩滑動(圖1),然而這種由慢到快過渡的調控機制至今仍懸而未決。 

1 典型的斜坡三階段蠕變曲線

  通常,大型自然斜坡通過坡體漸進破壞過程對外界擾動做出響應,其中對水文條件的變化非常敏感。為此,很多學者認為捕捉巨型滑坡在不同蠕變階段起始點處水文過程與力學過程之間的耦合行為是預測其從慢到快過渡的關鍵。 

  然而,當前對滑坡隨時間變化的運動和對水文觸發瞬態響應的認識,多依賴于對降雨、地下水和位移時間序列的統計分析以及基于簡化粘性流變學的數學模型。盡管這些方法很有用,也比較容易應用,但它們并不能全面反映巖質滑坡的演化特征,且其自身相當大的不確定性往往影響預測模型和預警標準的可靠性。此外,亦有一些學者利用依賴速度-狀態的摩擦模型來描述滑坡運動(包括緩慢滑動和災難性崩塌),亦或引用不排水的水-力耦合和擴張型強化機制來解釋滑坡運動的周期性和時變模式。然而,將這些模型應用于巨型緩慢蠕滑的巖質滑坡尚缺乏實驗支持,且有關模型也無法在原位現場和實驗室數據之間進行直接比較。 

  近期,意大利米蘭大學的Federico Agliardi博士及合作者通過對意大利Spriana巨型巖質滑坡的基底剪切帶物質開展室內不排水蠕變剪切試驗,以揭示水動力作用下大型巖質滑坡蠕變速率由慢到快轉化的物理力學機制。通過保持法向應力和剪切應力恒定,以階梯式加載路徑逐次在短時間內增加樣品孔隙水壓力的方法,來模擬實際降水、冰雪融化等入滲引起滑坡基底剪切帶物質的孔壓快速變化。如圖2a的實驗結果顯示,短時間內快速增加樣品孔壓,會引起剪切帶的蠕變速率突然增加而形成一個加速脈沖,同時伴隨著剪脹變形發生。每個蠕變速率的脈沖峰值均出現在孔壓增加之后,且延遲時間隨著孔壓的持續增加而逐漸變小。同時,每個加速脈沖之后存在著一個自減速階段(Creep I),并逐漸演化為長時等速蠕變階段(Creep II),其蠕變速率相比于峰值減小十倍以上。隨著蠕變速率的增加,剪切帶的壓密變形增加。剪切變形的自減速效應隨著孔壓持續增加而減弱,從而提升等速蠕變階段(Creep II)的整體蠕變速率。當應力狀態接近樣品的剪切強度時,繼續增加孔壓激發加速脈沖后,僅發生一個短時間的自減速過程,然后就轉化為加速蠕變階段(Creep III),直至最終破壞。以上的實驗巧妙地模擬了巖質滑坡基底剪切帶受水力耦合作用過程,表明當剪切應力較高時在短時間內蠕變速率就能達到峰值,且只需很小的孔隙水壓力增量就能觸發剪切帶由慢速蠕變階段快速過渡到加速蠕變階段(Creep III)。 

2 孔隙水壓力階梯式增加剪切蠕變試驗結果(τ=0.86τs)。(a)剪切滑移速率隨時間的變化;(b)累積剪切位移隨時間的變化;(c)法向位移隨時間的變化;(d-f)分別對應(a-c)粉紅色區域的放大圖Agliardi et al., 2020

  在此基礎上,Federico Agliardi等人將室內試驗結果與野外觀測結果進行對比發現,雖然模型尺度和復雜程度存在差異,但是試驗獲得的峰值脈沖時間(TVP)、峰值蠕變速率(VP)以及長時蠕變速率(VPCII)隨孔隙水壓力增量(ΔPp)的變化與實測的結果具有很好的一致性。隨著ΔPp的增加,TVP表現出逐漸減小的趨勢,而VPVPCII表現出很強的對數線性增大趨勢。 

3 試驗結果和野外觀測結果對比(Agliardi et al., 2020

  以上研究從試驗角度模擬了水動力作用下巨型巖質滑坡的蠕變力學行為,揭示了其由慢速蠕變階段過渡到快速蠕變階段的水力耦合作用機制,為其預測預報提供了基于物理過程和與尺度無關的試驗依據。 

    

  延伸閱讀

  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.鏈接 

  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.鏈接 

  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.鏈接 

  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.鏈接 

  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).鏈接 

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

(撰稿:黃曉林,薛雷/頁巖氣與工程室)

 
地址:北京市朝陽區北土城西路19號 郵 編:100029 電話:010-82998001 傳真:010-62010846
版權所有© 2009- 中國科學院地質與地球物理研究所 京ICP備05029136號 京公網安備110402500032號
股票期权的交易规则