丁加俊

(永升建設(shè)集團(tuán)有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

黃土邊坡穩(wěn)定模型數(shù)值分析及試驗(yàn)研究

丁加俊

(永升建設(shè)集團(tuán)有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

長(zhǎng)期大量的工程活動(dòng)難免會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成破壞，其中最為明顯的為黃土邊坡失穩(wěn)，這種黃土邊坡在形成后由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定很容易受到三維破壞。目前，工程中常利用物理模型試驗(yàn)對(duì)邊坡三維破壞機(jī)理進(jìn)行研究。通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的物理模型試驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)物理模型的準(zhǔn)確性。利用PIV技術(shù)測(cè)量了黃土邊坡的表層位移場(chǎng)，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

黃土邊坡； 三維破壞； 物理模型; 試驗(yàn)

0 引言

中國的黃土聞名世界，其特點(diǎn)是分布廣且沉積時(shí)間長(zhǎng)，在我國西北、華北以及長(zhǎng)江中下游等地區(qū)均有分布，總面積約占我國陸地面積的6.6%[1，2]。由于黃土具有獨(dú)特的地質(zhì)條件，這些地區(qū)在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，幾乎都會(huì)碰到黃土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)問題[3]。2010年～2030年，是我國的“西部大開發(fā)戰(zhàn)略”的第二階段——加速發(fā)展階段，在這一階段我國將會(huì)對(duì)土地、礦產(chǎn)等資源的利用效率水平提出更高的要求。目前，交通工程中的黃土邊坡穩(wěn)定性分析一般采用定性方法，所以交通工程建設(shè)中如何對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)成為現(xiàn)階段研究焦點(diǎn)[4，5]。

1 黃土邊坡特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

1.1 黃土邊坡特征

在中國，特別是在西北、華北等地區(qū)，這些地區(qū)處在黃土沉積與流水侵蝕的同時(shí)作用下，日積月累形成了現(xiàn)在的黃土高原，其基本地貌單元主要以塬、梁、峁與溝壑為主[6]。在工程建設(shè)中，施工人員通常要進(jìn)行挖方和填方工程，這樣就會(huì)出現(xiàn)大量的黃土邊坡。所以，在整個(gè)黃土高原地區(qū)，黃土邊坡是最常見的地貌特征。

黃土的獨(dú)特性在于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和直立性好，由此使得黃土邊坡的坡高都比較大。黃土邊坡的特征是：豎直方向上不僅高而且陡，水平方向上寬度比較大。因此這種形態(tài)的黃土邊坡經(jīng)常會(huì)受到自然或人類活動(dòng)的影響而使其發(fā)生破壞，從而形成所謂的滑坡，這樣的滑坡會(huì)嚴(yán)重危害人們的生命安全。

1.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

專家學(xué)者對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的主要方法為：工程地質(zhì)類比法、確定性分析法和隨機(jī)分析法[7]。這些方法已經(jīng)比較成熟，但是隨著工程復(fù)雜程度的提高，這些方法也出現(xiàn)了很多問題，很多專家學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)研究。其中，物理模型試驗(yàn)是一種通過建立原型的抽象體，并運(yùn)用數(shù)學(xué)關(guān)系建立兩者物理量之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)原型物理過程的重演或?qū)υ桶l(fā)展變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。所以，本文就采用物理模型試驗(yàn)對(duì)黃土邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

2 邊坡物理模型試驗(yàn)

在邊坡機(jī)理的相關(guān)研究中，物理模型試驗(yàn)是研究人員常用的重要手段之一[8]。其中，最能反映邊坡實(shí)際情況的試驗(yàn)是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和足尺模型試驗(yàn)，本節(jié)將會(huì)簡(jiǎn)單介紹黃土邊坡物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)和物理模型試驗(yàn)過程。

物理模型的主體將利用框架式的鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)閑置的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，這樣不僅節(jié)省原料而且也能充分滿足試驗(yàn)所需的功能，裝置設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 物理模型的主體示意圖

模型主體箱最上面的架構(gòu)是整個(gè)起重裝置的支架并起到軌道的作用。架構(gòu)是由12#的槽鋼構(gòu)成，主體箱的主要裝置是懸掛在頂部的電動(dòng)機(jī)，通過定滑輪等部件實(shí)現(xiàn)上升和下降操作，起重裝置的荷載設(shè)計(jì)為500 kg。該試驗(yàn)中主要測(cè)量黃土邊坡的位移場(chǎng)。在進(jìn)行位移場(chǎng)測(cè)量時(shí)，主要測(cè)量結(jié)果為機(jī)械性能和數(shù)字影像。機(jī)械測(cè)量通過電阻式直線位移傳感器接觸坡體后進(jìn)行測(cè)量；在進(jìn)行數(shù)字影像測(cè)量時(shí)，主要運(yùn)用PIV技術(shù)。研究過程中對(duì)黃土邊坡的破壞進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)所選用物理模型的合理性、坡面變形特征進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過3次試驗(yàn)并得到了相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通過軟件對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。

3.1 加載變形特征

圖2為第1次加載的加載過程曲線。試驗(yàn)中前期，以外荷載10 kPa的增量進(jìn)行加載，試驗(yàn)后期以外荷載5 kPa的增量進(jìn)行加載。在每次加載工程中，等到邊坡坡面基本穩(wěn)定不變之后再進(jìn)行下一次加載。從圖2中可以看出，在外荷載加載過程中，當(dāng)外載荷為50 kPa時(shí)，荷載壓頭傾斜比較嚴(yán)重，故將荷載物體全部卸下，然后將壓頭鋪平，隨后再重新進(jìn)行加載試驗(yàn)。重新加載過程曲線如圖3所示。從圖3中可以看到，“1#”、“2#”、“3#”分別代表位移傳感器，用于測(cè)量壓頭東北角、東南角和西北角測(cè)點(diǎn)的位移的變化量，取向上移動(dòng)位移方向?yàn)樨?fù)，中心點(diǎn)代表壓頭中心點(diǎn)位移變化量。

圖2 第1次試驗(yàn)加載曲線

圖3 重新加載曲線

由圖2和圖3可以看出，在外荷載加載過程中，施加每一級(jí)荷載后，壓頭都會(huì)傾斜，只是每一級(jí)傾斜程度有所不同。隨著荷載的不斷增加，壓頭傾斜現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，圖2中，“1#”、“2#”、“3#”傳感器位移曲線可以清楚地得到這一現(xiàn)象。基于壓頭傾斜現(xiàn)象，根據(jù)幾何關(guān)系，假設(shè)3個(gè)傳感器只進(jìn)行垂直方向的移動(dòng)。經(jīng)過處理后，得出外荷載加載過程中，壓頭形態(tài)變化特征曲線，如圖4所示。由壓頭形態(tài)變化特征曲線分布規(guī)律可以得出，在開始加載時(shí)，壓頭最上端的傾角是非常小的，基本可以忽略，但從圖4中可以看出壓頭此時(shí)已經(jīng)發(fā)生傾斜。由于外荷載一直存在，所以這一狀態(tài)一直保持到加載試驗(yàn)進(jìn)行到1×105s時(shí)，即外荷載為25 kPa時(shí)，方向開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而后這一狀態(tài)基本穩(wěn)定在北偏東約23°附近，但是壓頭的傾斜角度從0°明顯增加到8°，增加幅度很明顯。

圖4 壓頭最上端形態(tài)變化曲線

3.2 坡面變形特征

本試驗(yàn)運(yùn)用PIV技術(shù)對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行測(cè)量。通過試驗(yàn)中所產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以得到黃土邊坡坡面變形都是由于干裂導(dǎo)致的，但是在外荷載加載過程中這一變形現(xiàn)象并沒有大的變化。在試驗(yàn)過程中，由于設(shè)備存在問題，導(dǎo)致未能進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，因此在黃土邊坡破壞階段沒有得到完整的視頻記錄，而只得到了下面的照片，拍攝的最小間隔為1 s。其原始照片如圖5所示。圖6為破壞前1～2 s時(shí)，水平和豎直方向上的數(shù)字影像圖。由這2幅圖像可以得出，黃土邊坡在受到破壞時(shí)，邊坡中部發(fā)生了明顯的鼓脹現(xiàn)象。從水平方向的數(shù)字影像圖中可以看出，邊坡中部變形比較集中；從豎直方向數(shù)字影像圖看，邊坡中上部的變化是十分顯著，此處發(fā)生滑坡的可能性較大。

a) 破壞前30 s

b) 破壞前2 s

c) 破壞前1 s

d) 破壞時(shí)

a) 水平方向

b) 豎直方向

4 結(jié)語

結(jié)合文獻(xiàn)資料和當(dāng)前的理論模型，設(shè)計(jì)了黃土邊坡三維破壞物理模型試驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)物理模型試驗(yàn)臺(tái)的準(zhǔn)確性，其可以較好地對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。將PIV技術(shù)用于測(cè)量黃土邊坡表層位移場(chǎng)，研究表明：黃土邊坡在受到破壞時(shí)，邊坡中部發(fā)生了明顯的鼓脹現(xiàn)象；從豎直方向數(shù)字影像圖看，邊坡中部變形比較集中，邊坡中上部的變化是十分顯著。希望研究結(jié)果可為交通工程邊坡設(shè)計(jì)提供參考。

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2016-07-15

丁加俊( 1980-) ，男，工程師，研究方向: 公路工程。

1008-844X(2017)01-0067-03

U 416.1+4

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