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        邊坡失穩(wěn)過程模型試驗研究

        2012-11-02 08:12:10盧坤林朱大勇
        巖土力學(xué) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:滑面坡頂模型試驗

        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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