由“高中物理斜面問題”淺談巖質(zhì)邊坡破壞受力分析

黃曼捷

摘 要：高中物理的斜面問題較多，數(shù)學(xué)解答斜面模型是高中物理中重要的模型之一，斜面問題千變?nèi)f化，斜面既可能光滑，也可能粗糙；斜面上的物體既可以靜止，也可以上下運(yùn)動。而斜面模型與實際的生活中的地質(zhì)滑坡現(xiàn)象非常相似，尤其是巖質(zhì)邊坡。所以本文利用求解斜面問題的方法，探討生活中的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，分析巖質(zhì)滑坡破壞特征。利用物理知識解決實際工程問題，從而達(dá)到學(xué)以致用的效果。

關(guān)鍵詞：斜面模型；巖質(zhì)邊坡模型；受力分析

1 概述

通過高中物理斜面實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)斜面模型與生活當(dāng)中的巖質(zhì)邊坡滑坡模型非常相似，如果能用物理知識解決邊坡滑坡問題，不僅能夠充分的理解斜面問題，而且能夠把知識應(yīng)用到實際生活中，來解決實際問題，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的。通過對物理實驗?zāi)Ｐ团c邊坡滑坡模型的對比分析，既培養(yǎng)學(xué)生的計算能力與創(chuàng)新能力，也培養(yǎng)了學(xué)生在實驗過程中的理解能力與豐富的想象力，對學(xué)生學(xué)習(xí)物理來解決實際問題起到很好的幫助作用。

2 物理模型與巖質(zhì)邊坡模型

高中物理中有如圖1所示的斜面模型，物體放在斜面上，斜面分為兩種情況，一是光滑斜面，二是粗糙斜面。物體在光滑斜面沿斜面加速下滑，斜面無摩擦力；而對于粗糙斜面，下滑的物體做受力分析，物體受重力mg、支持力FN、摩擦力f，由于支持力FN=mgcosθ，摩擦力f=μFN=μmgcosθ，而重力平行斜面向下的分力為mgsinθ，所以當(dāng)mgsinθ=μmgcosθ時，物體沿斜面勻速下滑，由此得sinθ=μcosθ，亦即μ=tanθ。其中μ為物體與斜面的摩擦系數(shù)，θ為斜面傾角。

對于巖質(zhì)邊坡工程如圖2所示，由圖1、圖2可以看出，巖質(zhì)邊坡類型與高中物理斜面模型非常相似。圖3為華山巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出華山巖質(zhì)邊坡程片狀結(jié)構(gòu)分布，與高中物理斜面模型也很相似。邊坡是地質(zhì)體的基本工程狀態(tài)之一，如自然巖質(zhì)邊坡、露天開挖、水利建設(shè)中開挖形成的邊坡，開挖路塹形成的路塹邊坡都是邊坡的一種形式，特別是20世紀(jì)80年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的恢復(fù)和高速發(fā)展及自然因素的影響，滑坡災(zāi)害呈逐年加重趨勢。因此研究邊坡工程在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要的意義。

3 巖質(zhì)邊坡破壞模型受力分析

3.1 模型假設(shè)

如圖3所示，巖質(zhì)邊坡為片狀結(jié)構(gòu)，層與層之間相互粘結(jié)。由圖1物理模型不難想象，圖3華山邊坡可以假設(shè)成圖2所示的模型，假設(shè)破裂面為ab，傾角為β，滑坡體自重為w。

3.2 模型受力分析

3.2.1 巖體臨界滑動受力分析

由物理模型計算理論可知，巖體臨界滑動時受力分析：

由巖體自重而產(chǎn)生的下滑力：f1=w·sinβ，由自重對邊坡產(chǎn)生的壓力為f2=w·cosβ，由自重而產(chǎn)生的摩擦力為f3=μwcosβ，其中μ為巖體與斜面的摩擦系數(shù)。當(dāng)邊坡滑坡時可以利用物理模型簡化計算得到邊坡下滑力，利用物理模型受力分析巖質(zhì)邊坡證明：確定巖體與斜面的摩擦系數(shù)是解決臨界滑坡下滑力的關(guān)鍵，受力分析可知邊坡滑坡時的傾角越大下滑力越大，且邊坡傾角越大越容易滑坡，通過以上受力分析可以通過物理模型來確定巖質(zhì)邊坡的最大傾角。

3.2.2 巖體無滑動時受力分析

當(dāng)巖體無滑動時，即不產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象，此時片狀巖體之間主要存在著粘結(jié)力。粘結(jié)力可能與巖體的粘結(jié)性質(zhì)有關(guān)，主要有以下幾種情況：一是層與層之間是本體粘結(jié)，此時巖體的破壞力等于巖體的粘結(jié)力；二是層與層之間有夾層，如粘土層，砂層等膠結(jié)體，此時巖質(zhì)邊坡的受力特征受膠結(jié)體的性質(zhì)影響。

3.3 滑坡現(xiàn)象影響因素

從物理模型來看影響邊坡下滑的主要因素是，坡腳傾角較大引起自重下滑分力增大，摩擦力減小，即高度越大、邊坡越陡，其穩(wěn)定性越低，造成巖質(zhì)邊坡滑坡；片狀巖質(zhì)邊坡之間水流下滲，水對巖質(zhì)邊坡起到潤滑作用導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低，尤其是層與層之間為粘土或者砂土膠結(jié)物時，粘結(jié)力會明顯降低，從而降低了摩擦力，增加邊坡的塌方、滑坡等自然災(zāi)害。

4 結(jié)語

通過物理斜面模型與巖質(zhì)邊坡受力分析，發(fā)現(xiàn)高中物理模型受力分析與巖質(zhì)邊坡受力特征非常相似；尤其是邊坡滑動時，物理斜面模型與巖質(zhì)邊坡受力特征一致，斜面摩擦力與巖質(zhì)邊坡下滑粘結(jié)力計算方法一致，所以巖質(zhì)邊坡受力特征可以用物理斜面模型代替；

通過高中物理力學(xué)學(xué)習(xí)及結(jié)合現(xiàn)實生活中的工程實踐，從而解決實際問題，達(dá)到了學(xué)以致用的目的。