楊偉峰, 劉　歡, 顧春生, 夏筱紅, 于宗仁

(1. 東華理工大學 江西省數(shù)字國土重點實驗室, 江西 南昌　330013;2. 中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院, 江蘇 徐州　221116)

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巖土工程專業(yè)綜合性設計實驗教學探索與實踐

楊偉峰1,2, 劉歡2, 顧春生2, 夏筱紅2, 于宗仁2

(1. 東華理工大學 江西省數(shù)字國土重點實驗室, 江西 南昌330013;2. 中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院, 江蘇 徐州221116)

結合野外工程實際環(huán)境和需求,利用實驗室可調設計實驗優(yōu)勢,兼顧室內和野外特色,以分析研究邊坡穩(wěn)定性的影響因素為著眼點,進行綜合性設計實驗。通過模型化尋參、調參監(jiān)測基本參數(shù),探索了降雨與切坡條件下邊坡性狀的變化與穩(wěn)定性。由模擬實驗條件與工程實際相結合的綜合性實驗,同樣可獲取現(xiàn)場實用的工程性質,而且較高分辨率的模型實驗條件設計,更有助于達到精準目的。

綜合性設計實驗； 巖土工程； 模型實驗

實驗教學中,傳統(tǒng)野外工程實踐設計逐漸與室內模型化設計和模擬實驗并行,室內模擬可以提供更多可能的實驗趨勢[1-3],而實驗設計精確性與可調節(jié)性是關鍵。巖土工程專業(yè)的實驗內容具有應用廣泛性和工程實用性,加大綜合性、設計性與探索性,將實驗體系進一步優(yōu)化整合,通過創(chuàng)新多元化的實驗教學模式提高學生思考與解決問題的能力[4]。教師或師生共同擬定綜合性設計實驗題目與綱要,給出實驗方向[5-7]。本文以綜合性設計實驗為著眼點,以若干邊坡穩(wěn)定性的影響因素實驗研究為例,探索降雨與切坡條件下邊坡性狀變化與穩(wěn)定性監(jiān)測,將實驗項目與工程實際相結合,提高學生的綜合分析、理解和解決實際問題的能力。

1　降雨對邊坡性狀影響實驗

1.1模型設計

以四川某邊坡為研究對象,該邊坡為坡積物沿下部緩傾角基巖面滑動的順層土質推移式滑坡,采用物理模型模擬觀測降雨影響下邊坡的穩(wěn)定性。坡體實際長600 m,坡高120 m。依據(jù)相似理論[8],模型取幾何相似比1∶300,采用帷幕式模型箱,箱體內鋪設相似材料。試驗材料選擇黏土、砂、石灰、石膏與碎石的混合材料,所建模型坡體長2 m,高0.4 m,寬0.8 m。

1.2模型監(jiān)測

根據(jù)試驗需求設計并制作了降雨裝置[9]。降雨系統(tǒng)主要包括水源、增壓泵、水管、連接裝置、噴頭。模擬的雨水降落在模型表面后,一部分向坡體內入滲,一部分沿坡面流出,如圖1(a)所示。為監(jiān)測邊坡性狀,坡體表面架設百分表,相機實時記錄變化情況。

圖1　降雨初期坡面及邊坡裂隙發(fā)展

1.3邊坡性狀分析

1.3.1滑坡發(fā)展過程

降雨初期,大量水體沿坡體表面流走,部分水流滲入坡體,坡體顏色逐漸加深。隨著降雨的持續(xù)進行,由于表面水流的持續(xù)沖刷,5 min 10 s(降雨量0.1 m3)時坡面出現(xiàn)淺層沖蝕,并逐漸加深形成小沖溝。在滲入坡體內部水體的影響下,內部土體逐漸軟化,由于滑帶土體松散,親水性強,水體沿土粒間裂隙滲透。7 min 32 s(降雨量0.15 m3)時,在坡腳處觀察可見坡體內及坡底與模型箱接觸面有水流滲出。此現(xiàn)象表明,雨水入滲在坡體內已形成滲流路徑。此階段邊坡的破壞形式主要為由于沖蝕形成的邊坡局部的淺層破壞。降雨50 min 06 s(降雨量1.00 m3)時,坡腳處土體開始發(fā)生塌落,但以小規(guī)模塌落為主,邊坡整體并無明顯變化。此階段為邊坡拉裂——蠕滑階段。

由于坡腳遭受破壞,坡體下部臨空而失去支撐,抗滑阻力逐漸減小,邊坡變形破壞增大。降雨1 h 08 min 20 s(降雨量1.37 m3)時,斜坡坡面上距坡頂約1.0 m處,沿坡體與模型箱接觸處開始出現(xiàn)蜂窩狀凹坑。隨降雨持續(xù),凹坑逐漸擴大、加深,直至露出滑面層并沿坡面向下發(fā)展成為沖溝,且坡體左右兩側沖溝大小形狀相似呈對稱分布。降雨使坡面不斷遭受沖刷,坡面沖溝加深,坡腳塌落,土體規(guī)模由小逐漸增大。隨著坡腳侵蝕塌落現(xiàn)象的加重,坡腳產生一個小的階梯狀弧面,在弧面影響下,坡體中部形成一個拉裂面。拉裂面附近坡體破壞嚴重,并最終發(fā)展成為大規(guī)模整體滑坡,直至邊坡完全破壞。

1.3.2邊坡裂縫的演變

裂縫的產生及發(fā)育是邊坡模型最終發(fā)生滑坡的關鍵因素,如圖1(b)所示。

裂縫的發(fā)展隨著滑坡發(fā)育過程由淺到深、由少到多,是一個量的積累過程,最終形成由坡體表面貫通到邊坡軟弱結構面的裂隙。降雨初期,雨水滲入坡體速度顯著低于在坡面形成徑流的速度,表面土體的飽和度大于坡體內土體,故表面土體首先飽和并逐漸往坡體內發(fā)展。由于雨水對土體有著軟化作用,土體抗剪強度弱化速度加快,最終小于剪切應力,導致坡體后緣產生拉裂,坡頂裂隙形成。降雨增加了坡體重度,坡體下滑力增加,滑體沿坡面下滑趨勢增加,同時坡頂裂隙的產生發(fā)育為雨水的深入入滲提供了通道。坡腳處逐漸塌落臨空,坡體抗滑力降低,在坡頂和坡腳變化的帶動下,坡面出現(xiàn)微裂隙。隨著降雨的持續(xù)進行,微裂隙繼續(xù)發(fā)展,形成貫通坡面的拉裂面。

在數(shù)量上,裂縫數(shù)量由少增多。降雨初期在坡頂處開始發(fā)育第一條裂隙,長約5 cm,深度較淺。到降雨中期,裂縫數(shù)目增加至5條,分散在坡頂及坡腳各處,長者達40 cm,深約0.5 cm,短者長約3 cm。降雨后期由于坡體發(fā)生滑移,坡頂及坡肩處產生大量裂隙,裂隙數(shù)目遞增至約30條,加速了滑坡的發(fā)生。

2　降雨邊坡的FBG監(jiān)測實驗

模型試驗模擬某含軟弱夾層的順層巖質邊坡。依據(jù)相似原理,巖石的節(jié)理裂隙發(fā)育可以通過控制試塊尺寸大小來加以近似模擬[10]。模型箱與降雨系統(tǒng)[11]同上,采用布拉格光纖光柵(FBG)傳感器排布于軟弱層體內。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與模型鋪設如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與模型鋪設

上層FBG監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。以上層FBG部分監(jiān)測數(shù)據(jù)為例,測點1、2、3均受拉,其趨勢隨著時間增加應變呈上升狀態(tài),逐漸趨于穩(wěn)定。由于降雨過程初期雨量入滲,邊坡表層上部巖石、巖體逐漸受拉應力作用,測點2、3位置應變變化較大,初期降雨可能已經造成巖土體強度降低,部分破壞。其中測點2應變值最大,處于滑坡的滑面破壞入口下方附近,兩側巖土體產生拉裂,拉動光纖,出現(xiàn)明顯的相對位移,造成測點2處應力增大；而測點1位于滑坡滑面破壞口上方附近,雖有拉動,但應變值較小。

圖3　軟弱層體內FBG傳感器變化

3　切坡影響下邊坡穩(wěn)定性實驗

以某順層土質邊坡在荷載及切坡影響下的穩(wěn)定性為研究目標,模型實驗在一個硬質鋼化玻璃箱內展開,刻畫間隔為10 cm的網格,用來比對、觀察實驗現(xiàn)象。邊坡總體模型長120 cm,寬45 cm,高100 cm,滑坡滑面設計高80 cm,長100 cm,邊坡土體的坡形高90 cm,長90 cm。模型設計與土壓力傳感器埋設如圖4所示,采用DT500智能可編程數(shù)據(jù)采集儀器進行數(shù)據(jù)采集,監(jiān)測加載及開挖切坡影響下邊坡土體的穩(wěn)定性。

圖4　邊坡模型設計

在坡頂逐級進行加載,每次加載20 kg,加載到120 kg時進行切坡。豎向切坡水平距離為5 cm。當切至坡腳水平距離20 cm左右時,邊坡失穩(wěn)發(fā)生滑動,發(fā)生迅速,如圖5所示。加載及切坡過程中,壓力計變化如圖6、圖7所示。

圖5　邊坡切坡失穩(wěn)

圖6　加載階段壓力計變化

圖7　切坡階段壓力計變化

見圖6,壓力計1由于處于荷載正下方,隨著荷載的不斷增加,壓力值逐漸增加；壓力計2與3埋設位置距離荷載較遠,僅有稍微增幅。見圖7,在切坡過程中,由于下方土的擾動,壓力計3位于坡腳,上部土體被挖除,壓力有所減??；壓力計1基本保持不變；壓力計2受到開挖影響,邊坡穩(wěn)定性減小,有逐漸向下滑動的趨勢,使得下滑力增加,壓力值有一定增幅。經穩(wěn)定系數(shù)計算,加載后切坡20 cm邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

4　結論

(1) 通過邊坡綜合性設計實驗案例,探索了降雨與切坡條件下邊坡性狀變化與穩(wěn)定性的問題,學生由此具備了運用模型實驗解決工程實際問題的能力,對鞏固學生所學理論知識有很大幫助。

(2) 本科綜合性實驗設計研究,不僅要發(fā)掘實驗本身的科學理論知識,更重要的是與實踐應用相聯(lián)系,同時集思廣益,發(fā)揮團隊作用,重視學生之間的交流協(xié)作,有利于培養(yǎng)學生的團隊精神和創(chuàng)新能力、探究精神和創(chuàng)新思維能力。

References)

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Exploration and practice on comprehensive design experimental teaching of Geological Engineering specialty

Yang Weifeng1,2, Liu Huan2, Gu Chunsheng2, Xia Xiaohong2, Yu Zongren2

(1. Jiangxi Province Key Lab for Digital Land, East China University of Technology,Nanchang 330013, China;2. School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116,China)

Combined with field engineering environment,using advantages of adjustable design experiments in the laboratory,a few examples of comprehensive design experiments are undertaken. Taking into account the characteristics of laboratory experiments and field engineering,these experiments analyzed the influential factors of slope stability. Through modeling,seeking,adjusting and monitoring basic parameters,the characteristic changes and stability of slope under rainfall and cut slope conditions were explored. Thereby,combined with the experimental conditions and the engineering practice,the comprehensive experiment can get on-site practical engineering properties. The experimental conditions of high-resolution model also help achieve precise purpose.

comprehensive design experiment; geological engineering; model experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.037

實驗教學研究

2016-02-25

江西省學位與研究生教育教學改革研究項目(JXYJG-2015-100)；中國礦業(yè)大學教育教學改革與建設課題項目(2013G17)

楊偉峰(1974—),男,內蒙古赤峰,博士,教授,從事巖土工程、工程地質與災害地質專業(yè)方向的教學與科研.

E-mail：yangwf888@163.com

G642.0

A

1002-4956(2016)9-0144-03