由“高中物理斜面问题”浅谈岩质边坡破坏受力分析

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　　摘 要：高中物理的斜面问题较多，数学解答斜面模型是高中物理中重要的模型之一，斜面问题千变万化，斜面既可能光滑，也可能粗糙；斜面上的物体既可以静止，也可以上下运动。而斜面模型与实际的生活中的地质滑坡现象非常相似，尤其是岩质边坡。所以本文利用求解斜面问题的方法，探讨生活中的地质灾害现象，分析岩质滑坡破坏特征。利用物理知识解决实际工程问题，从而达到学以致用的效果。
　　关键词：斜面模型；岩质边坡模型；受力分析
　　1 概述
　　通过高中物理斜面实验现象，发现斜面模型与生活当中的岩质边坡滑坡模型非常相似，如果能用物理知识解决边坡滑坡问题，不仅能够充分的理解斜面问题，而且能够把知识应用到实际生活中，来解决实际问题，从而达到学以致用的目的。通过对物理实验模型与边坡滑坡模型的对比分析，既培养学生的计算能力与创新能力，也培养了学生在实验过程中的理解能力与丰富的想象力，对学生学习物理来解决实际问题起到很好的帮助作用。
　　2 物理模型与岩质边坡模型
　　高中物理中有如图1所示的斜面模型，物体放在斜面上，斜面分为两种情况，一是光滑斜面，二是粗糙斜面。物体在光滑斜面沿斜面加速下滑，斜面无摩擦力；而对于粗糙斜面，下滑的物体做受力分析，物体受重力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为mgsinθ，所以当mgsinθ=μmgcosθ时，物体沿斜面匀速下滑，由此得sinθ=μcosθ，亦即μ=tanθ。其中μ为物体与斜面的摩擦系数，θ为斜面倾角。
　　对于岩质边坡工程如图2所示，由图1、图2可以看出，岩质边坡类型与高中物理斜面模型非常相似。图3为华山岩质边坡结构，从图中可以看出华山岩质边坡程片状结构分布，与高中物理斜面模型也很相似。边坡是地质体的基本工程状态之一，如自然岩质边坡、露天开挖、水利建设中开挖形成的边坡，开挖路堑形成的路堑边坡都是边坡的一种形式，特别是20世纪80年代以来，随着经济建设的恢复和高速发展及自然因素的影响，滑坡灾害呈逐年加重趋势。因此研究边坡工程在国民经济建设中具有重要的意义。
　　3 岩质边坡破坏模型受力分析
　　3.1 模型假设
　　如图3所示，岩质边坡为片状结构，层与层之间相互粘结。由图1物理模型不难想象，图3华山边坡可以假设成图2所示的模型，假设破裂面为ab，倾角为β，滑坡体自重为w。
　　3.2 模型受力分析
　　3.2.1 岩体临界滑动受力分析
　　由物理模型计算理论可知，岩体临界滑动时受力分析：
　　由岩体自重而产生的下滑力：f1=w·sinβ，由自重对边坡产生的压力为f2=w·cosβ，由自重而产生的摩擦力为f3=μwcosβ，其中μ为岩体与斜面的摩擦系数。当边坡滑坡时可以利用物理模型简化计算得到邊坡下滑力，利用物理模型受力分析岩质边坡证明：确定岩体与斜面的摩擦系数是解决临界滑坡下滑力的关键，受力分析可知边坡滑坡时的倾角越大下滑力越大，且边坡倾角越大越容易滑坡，通过以上受力分析可以通过物理模型来确定岩质边坡的最大倾角。
　　3.2.2 岩体无滑动时受力分析
　　当岩体无滑动时，即不产生滑坡现象，此时片状岩体之间主要存在着粘结力。粘结力可能与岩体的粘结性质有关，主要有以下几种情况：一是层与层之间是本体粘结，此时岩体的破坏力等于岩体的粘结力；二是层与层之间有夹层，如粘土层，砂层等胶结体，此时岩质边坡的受力特征受胶结体的性质影响。
　　3.3 滑坡现象影响因素
　　从物理模型来看影响边坡下滑的主要因素是，坡脚倾角较大引起自重下滑分力增大，摩擦力减小，即高度越大、边坡越陡，其稳定性越低，造成岩质边坡滑坡；片状岩质边坡之间水流下渗，水对岩质边坡起到润滑作用导致摩擦系数降低，尤其是层与层之间为粘土或者砂土胶结物时，粘结力会明显降低，从而降低了摩擦力，增加边坡的塌方、滑坡等自然灾害。
　　4 结语
　　通过物理斜面模型与岩质边坡受力分析，发现高中物理模型受力分析与岩质边坡受力特征非常相似；尤其是边坡滑动时，物理斜面模型与岩质边坡受力特征一致，斜面摩擦力与岩质边坡下滑粘结力计算方法一致，所以岩质边坡受力特征可以用物理斜面模型代替；
　　通过高中物理力学学习及结合现实生活中的工程实践，从而解决实际问题，达到了学以致用的目的。
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