盧坤林，朱大勇，楊 揚

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009）

1 引 言

滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，對人類的生命財產(chǎn)帶來重大威脅，諸如最近的重慶武隆滑坡、榆林子洲和廣西容縣山體滑坡等。雖然人類與滑坡災(zāi)害作斗爭的努力從未間斷，但至今尚未能全面認(rèn)識滑坡的發(fā)生、發(fā)展機制[1]。

目前，針對邊坡失穩(wěn)破壞(滑坡)課題，國內(nèi)外學(xué)者采用的研究手段包括了理論研究、數(shù)值模擬、模型試驗和現(xiàn)場監(jiān)測等[2]。就模型試驗而言，學(xué)術(shù)界很早開始利用各種模型試驗方法，來探索邊坡失穩(wěn)破壞機制，歷經(jīng)傾斜模型槽、基底摩擦試驗、足尺模型試驗和離心模型試驗等階段，其中以傾斜模型槽和離心模型試驗最為常用[3]。

陳祖煜[4]和羅先啟[3]先后詳細(xì)綜述了截至 2005年傾斜模型槽試驗成果。左保成[5]研究了反傾巖質(zhì)邊坡的破壞機制；任偉中[6]建立了相似比為 1:200的邊坡模型，研究了模型邊坡的變形破壞機制和加固效果；Shigemura[7]研究了坡趾形態(tài)對邊坡失穩(wěn)的影響；Chen[8]研究了散粒體在干燥和潮濕狀態(tài)下的破壞形式；Li[9]對堆積塊體的破壞模式進(jìn)行了研究；黃昕[10]研究了塊裂層狀邊坡的破壞模式。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者通過傾斜模型槽試驗對邊坡破壞機制開展了大量卓有成效的工作，但普遍存在模型寬度較小，不能反映三維效應(yīng)。本文在一個模型槽中制作寬高比為2.5的模型邊坡(素土和加筋)，通過傾斜模型槽觸發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞，研究三維形態(tài)下邊坡失穩(wěn)的發(fā)生、發(fā)展以及最終形態(tài)。有助于了解邊坡失穩(wěn)破壞過程及破壞形態(tài)，為邊坡治理提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗裝置及模型邊坡

2.1 試驗裝置

試驗采用在模型槽中制作邊坡模型，通過傾斜模型槽致使邊坡失穩(wěn)破壞，研究滑坡的發(fā)生、發(fā)展以及滑體形態(tài)。如圖 1所示，模型槽尺寸為1 m×2 m×4 m（高×寬×長），通過雙聯(lián)升降螺桿組成的升降裝置抬升模型槽的一端來達(dá)到傾斜模型槽的目的。在模型槽的正面和頂面安裝了2臺高清數(shù)碼攝像機組成的影像采集系統(tǒng)，實時記錄邊坡破壞過程。為了防止邊坡沿著模型槽地面或側(cè)壁滑出，對其進(jìn)行了防滑處理。

圖1 模型試驗示意圖Fig.1 Sketch of model test

2.2 模型試驗用土性質(zhì)

制作模型土樣選用潮濕的細(xì)砂（含泥），級配曲線如圖2所示，物理力學(xué)指標(biāo)列于表1中。

圖2 試驗用土的級配曲線Fig.2 Gradation curve for test soil

表1 試驗用土的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Pysico-mechanical parameters of test soil

2.3 模型邊坡的設(shè)計與制作

本次試驗設(shè)計了 30°、45°和 60°共 3種坡度，坡面考慮了平面和凸面兩種形式。同時，針對凸面坡還設(shè)計了一排加筋和兩排加筋。

模型邊坡高為 0.8 m，采用人工分層填筑，保持制樣的均勻性，填筑完成后，人工修整為所需要的模型邊坡幾何尺寸。

3 試驗過程及測試結(jié)果

3.1 坡頂裂縫開展的描述

在模型槽中制作所需要的邊坡模型，通過傾斜模型槽來改變模型的坡度，觸發(fā)其失穩(wěn)破壞，用 2臺攝像機記錄該過程。

圖3～8為不同坡度和坡面形式下，坡頂裂縫開展過程的俯視圖。坡頂網(wǎng)格密度為20 cm×20 cm；每組兩個平行試驗，分別以粗線和細(xì)線區(qū)分。

整個裂縫開展過程基本呈現(xiàn)了三維形態(tài)，兩端由于側(cè)壁限制，同一批次的裂縫位置比較接近坡頂，總體呈圈椅狀。

隨著坡度逐漸增加，第1批裂縫位置離坡面距離越近。以平坡為例，30°坡時第1批裂縫距坡頂約為70 cm，45°坡時約為50 cm，而60°坡時僅有35 cm左右。對于坡度較緩的邊坡，裂縫開展較為緩慢，裂縫批次較多；而陡坡則表現(xiàn)為裂縫批次較少，一出現(xiàn)裂縫就滑動破壞。比較平坡與凸坡，同一坡度下，每個批次裂縫位置基本一致。對于凸坡而言，側(cè)壁限制的影響較弱，端部裂縫位置較平坡有些差異。

圖3 30°平坡坡頂裂縫開展過程Fig.3 Cracking progress of flat slope for grade angle 30°

圖4 30°凸坡坡頂裂縫開展過程Fig.4 Cracking progress of convex slope for grade angle 30°

圖5 45°平坡坡頂裂縫開展過程Fig.5 Cracking progress of flat slope for grade angle 45°

圖6 45°凸坡坡頂裂縫開展過程Fig.6 Cracking progress of convex slope for grade angle 45°

圖7 60°平坡坡頂裂縫開展過程Fig.7 Cracking progress of flat slope for grade angle 60°

圖8 60°凸坡坡頂裂縫開展過程Fig.8 Cracking progress of convex slope for grade angle 60°

3.2 邊坡破壞的三維形態(tài)

圖9給出了凸坡破壞形態(tài)照片?？梢钥闯?，坡度影響著滑面形態(tài)：坡度較緩時，滑面呈現(xiàn)橢球面或圓柱面+端部過渡滑面（見圖9(a)）；而坡度較陡時，則沿著原邊坡輪廓滑落（見圖9(c)），與文獻(xiàn)[11]利用數(shù)值方法搜索得到的三維滑面形態(tài)基本一致。

圖9 素土凸坡最終破壞模式Fig.9 Failure forms of natural convex slopes

3.3 失穩(wěn)后的滑程

圖10匯總了凸坡破壞后滑體的沖程，虛線為原坡底輪廓線，其他線為失穩(wěn)后滑體前緣輪廓線（共4組）?？傮w而言，沖程曲線呈現(xiàn)中間大、兩端小的特點。

坡度為30°、45°、60°時，最大沖程平均值分別為29.1、33.5、42.3 cm。可見，沖程大小與坡度有關(guān)：即坡度緩，沖程??；坡度陡，沖程大。

圖10 素土凸坡失穩(wěn)后的滑程（俯視）Fig.10 Slip progresses of natural convex slopes (planform)

3.4 加筋邊坡的破壞過程

為了研究加筋對邊坡穩(wěn)定的貢獻(xiàn)及加筋邊坡破壞過程，在凸坡中設(shè)置通長筋帶，一排筋帶設(shè)置在50 cm高位置，兩排筋帶分別設(shè)置在40 cm和60 cm高位置，水平間距為20 cm。以坡度45°為例，筋帶剖面布置如圖11所示。

圖11 筋帶布置剖面圖Fig.11 Experimental schemes for reinforcement

圖12、13分別給出了一排和兩排加筋凸坡坡頂裂縫開展過程，均為俯視圖。現(xiàn)僅以坡度 45°為例說明，其他情況類似。

加筋后，坡頂裂縫開展速度顯著放緩，但最終裂縫位置與未加筋基本一致，針對陡坡裂縫批次多于未加筋情況。

圖12 45°一排加筋凸坡坡頂裂縫開展過程Fig.12 Cracking progress of convex slope with reinforcement of single layer for grade angle 45°

圖13 45°兩排加筋凸坡坡頂裂縫開展過程Fig.13 Cracking progress of convex slope with reinforcement of double layer for grade angle 45°

由圖12、13還可以發(fā)現(xiàn)，第1批裂縫位置也基本上位于未加筋邊坡第2批裂縫位置附近，而第2批裂縫位置卻和未加筋第1批裂縫位置接近。

圖14給出了加筋凸坡的最終破壞形態(tài)照片。加筋后，邊坡表現(xiàn)為先淺層剝離，而后整體滑動，破壞模式與未加筋存在區(qū)別。

圖14 加筋邊坡最終破壞模式Fig.14 Final failure forms of reinforced slopes

3.5 破壞時模型槽傾斜的角度

當(dāng)模型邊坡失穩(wěn)后，停止升降裝置，測量傾斜角度。表2總結(jié)了各種試驗情況下，破壞時傾斜角度的變化范圍及平均值。

表2 不同角度邊坡破壞時模型槽抬升角度Table 2 Tilting angles for model box with different dip angles of failure slope

初始坡度較陡的邊坡破壞時傾斜角度較低，而初始坡度較緩的邊坡破壞時傾斜角度較高；比較同一坡度下的平坡與凸坡，破壞時模型槽傾角高于凸坡約2°～4°，表明凸坡較平坡容易失穩(wěn)破壞。

加筋后，增強了邊坡的穩(wěn)定，破壞時模型槽傾斜角度明顯高未加筋坡，一排加筋增加約3°～6°，兩排加筋增加約 6°～10°。比較一排和兩排加筋，后者高于前者1°～3°。

4 分析與討論

4.1 滑面的形態(tài)和位置

穩(wěn)定性評價是邊坡工程的核心問題，對于均質(zhì)土坡而言，通常認(rèn)為滑動面為一曲面，在平面上一般用圓弧近似表示。然而，實際邊坡是一個三維問題，滑動面的空間分布形狀會受到許多因素影響，往往并非理想的圓柱滑面。本次試驗得到的滑面在空間上呈現(xiàn)橢球滑面，斷面上比較接近圓弧形；理論上的最危險滑面在坡頂位置和試驗的第1組裂縫位置基本一致，但試驗破壞位置要比理論分析更接近坡面，尤其是凸面邊坡。

4.2 模型試驗結(jié)果與實際邊坡間的關(guān)系

根據(jù)模型試驗的3個相似定律，以安全系數(shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)可得，幾何相似比約為 1∶10，即模型試驗與實際高約8 m均質(zhì)邊坡相對應(yīng)。

另外，模型試驗是完全理想狀態(tài)，而實際邊坡不論從邊界條件、土體性質(zhì)方面均與模型試驗存在一定的差異。

4.3 模型尺度的影響

模型試驗中模型尺度對試驗結(jié)果的影響較大，因此，為了盡可能地降低模型尺度效應(yīng)，加大了模型尺寸、對側(cè)壁和底板進(jìn)行了防滑處理等措施。具體的定量研究尚未開展。

5 結(jié) 語

（1）介紹了一個在尺寸為1 m×2 m×4 m（高×寬×長）的模型槽中制作的素土邊坡和加筋邊坡的失穩(wěn)破壞過程的模型試驗。

（2）邊坡失穩(wěn)破壞呈現(xiàn)典型的三維形態(tài)，滑面形態(tài)受坡度、坡形等因素制約，總體上呈現(xiàn)橢球滑面，斷面上比較接近圓弧形；理論上的最危險滑面在坡頂位置與試驗的第1組裂縫位置基本一致。

（3）滑坡沖程呈現(xiàn)中間大、兩端小的特點，坡度越大，最大沖程也越大，且數(shù)據(jù)的離散程度較低，比較有規(guī)律可循。

（4）在其他參數(shù)不變的情況下，凸面邊坡土體受約束的程度低于平面邊坡對土體的約束，更容易失穩(wěn)破壞。

（5）加筋可以有效地提升邊坡的穩(wěn)定性，破壞模式也有所改變。

（6）本次模型未埋設(shè)相關(guān)測試元件，不能夠得到相關(guān)坡體內(nèi)部應(yīng)力和變形等指標(biāo)的變化。另外，模型尺寸也可能偏小，不能夠全面反映三維效應(yīng)。

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