由“高中物理斜面问题”浅谈岩质边坡破坏受力分析
发布时间：2020-02-17
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边坡下滑力，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。
由“高中物理斜面问题”浅谈岩质边坡破坏受力分析相关期刊推荐：《科技风》是经国家新闻出版总署批准,河北省科学技术协会主管，河北省科技咨询服务中心主办的国内公开发行的大型综合类科技期刊。反映科教工作者的言论和呼声，关注基层科教工作者在其理论领域内的探索、创新实践活动和学术研究成果，致力于发展研究改革开放，经济发展过程中出现的各种科学技术、经济问题以及教育教学等方面具有较高水平的理论文章，是广大科教工作者阐释观点和理论的平台。
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。
