王 杰， 鄧 拓

(北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 北京 100144)

0 引言

邊坡災(zāi)害分布廣、危害大，給人們的生命、生產(chǎn)和生活造成了極大的影響[1]。邊坡的穩(wěn)定性一直是工程界和學(xué)術(shù)界重點關(guān)注的問題之一，眾多學(xué)者對影響邊坡穩(wěn)定性的因素如坡角[2]、軟弱層強度[3]、坡面長度[4]、巖層厚度[5]等進(jìn)行了大量研究。節(jié)理也是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一[6]，近期仍有關(guān)于節(jié)理位置[7]、傾角、多節(jié)理組合[8]等與邊坡變形破壞關(guān)系的研究。陳亞軍等[9-10]進(jìn)行了自重作用下節(jié)理跡長分別為1m、2m和3m的對比試驗，發(fā)現(xiàn)節(jié)理位于坡面并且傾角一定時，節(jié)理跡長越長，邊坡的最大剪切位移量越大，穩(wěn)定性越低。秦溯等[11]發(fā)現(xiàn)當(dāng)節(jié)理傾角等于坡角時，邊坡穩(wěn)定性對節(jié)理長度最為敏感，隨著節(jié)理長度增大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)明顯減小。李連崇等[12]、莊曉瑩等[13]和王東等[14-15]通過數(shù)值模擬研究了坡頂順傾節(jié)理位置、內(nèi)部斷層位置與邊坡穩(wěn)定性間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)無論節(jié)理位于坡頂還是邊坡內(nèi)部，邊坡穩(wěn)定性都隨節(jié)理與臨空面的距離增加而增大。Mukhlisin等[7]發(fā)現(xiàn)在降雨環(huán)境下時，豎直方向的裂縫位于坡肩附近時邊坡安全系數(shù)遠(yuǎn)小于裂縫位于坡面中部時，并且安全系數(shù)隨著裂縫深度增大而減小。

1 實驗方案

1.1 模型制作

圖 1 實驗裝置及尺寸Fig.1 Experimental device and size

鐵氟龍鍍層和離型劑的組合應(yīng)用，可有效解決軟材料與玻璃之間的黏連問題，以達(dá)到良好的脫模效果。模型框架組裝完畢后直立擺放，將材料混合融化后倒入模型內(nèi)，在重力作用下冷凝固結(jié)成模。固結(jié)后將模型平放，打開木工夾，揭掉其中一側(cè)的玻璃板、鐵氟龍墊板，并將玻璃板內(nèi)側(cè)涂一層甘油后再次蓋回以減小摩擦力，撤掉鐵氟龍墊板，將模型翻轉(zhuǎn)再平放，撤掉另一側(cè)的鐵氟龍墊板和玻璃板。在模型中開挖高150mm、坡角為60°的邊坡，并按實驗方案采用小刀切出節(jié)理，在坡肩、坡腳、節(jié)理周圍和模型邊緣，插入短針狀細(xì)塑料作為變形監(jiān)測點，然后將玻璃板內(nèi)側(cè)涂甘油后蓋回，并再次用木工夾夾緊。將模型直立擺放到事先調(diào)好焦的照相機前，以6張/秒的速率自動拍照記錄變形過程。實驗開始120min后，邊坡變形趨于停止，以此時間節(jié)點作為變形結(jié)束時間來分析節(jié)理邊坡變形規(guī)律。

1.2 節(jié)理及觀測點布置

設(shè)計了兩組試驗研究節(jié)理長度與節(jié)理位置對邊坡變形的影響，觀測點布置如圖 2所示，其中S1、S2(D1、D2，T1、T2)表示靠近臨空面的節(jié)理上、下盤觀測點，S3、S4(D3、D4，T3、T4)表示節(jié)理中部上、下盤觀測點，S5、S6(D5、D6，T5、T6)表示遠(yuǎn)離臨空面的節(jié)理上、下盤觀測點。

圖 2 試驗準(zhǔn)備就緒Fig.2 Ready for test

圖 3 節(jié)理與觀測點位置及命名Fig.3 Location and name of the joint and observation points

第一組實驗中坡角60°、節(jié)理傾角30°，保持節(jié)理位置不變(圖 3節(jié)理①)，對比節(jié)理長度分別為30mm、40mm、50mm、60mm、70mm和80mm時邊坡的變形。

第二組實驗中保持坡角60°、節(jié)理傾角30°、節(jié)理長度80mm不變，對比節(jié)理分別在坡面、坡頂、坡底(圖 3中節(jié)理①、節(jié)理②、節(jié)理③)時邊坡的變形規(guī)律。節(jié)理與變形觀測點的位置及命名如圖 2所示。

圖 4 節(jié)理長度對節(jié)理兩側(cè)觀測點位移的影響 (觀測點布置見圖 2)Fig.4 Influence of joint length on displacement of observation points on both sides of the joint(the arrangement of observation points is shown inFig.2)

圖 5 坡面節(jié)理兩側(cè)觀測點的水平、豎直位移， 上下盤平均速度隨節(jié)理長度的變化Fig.5 Horizontal and vertical displacements of ob￣ser￣va￣tion points on both sides of slope joints， and average velocity of the hanging wall and footwall change with the length of joints

圖 6 節(jié)理位置對節(jié)理兩側(cè)觀察點的影響(i表示位置， 在坡面節(jié)理中i1表示為S1，坡頂為T1，坡底為D1)Fig.6 Influence of joint location on observation points on both sides of the joint(i represents position， i1 represents S1 in in slope joints， T1 at the top and D1 at the bottom)

圖 7 節(jié)理位置和長度對坡肩、坡腳觀測點的影響Fig.7 Influence of joint position and length on observation points of slope shoulder and slope foot

2 實驗結(jié)果分析

2.1 節(jié)理長度對邊坡變形的影響

對比圖4中節(jié)理上下盤成對的觀測點，發(fā)現(xiàn)節(jié)理上盤觀測點的位移一般大于下盤，隨著坡面節(jié)理長度的增加，節(jié)理兩側(cè)所有觀測點的位移都先減小后增大。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，所有觀測點的水平位移隨節(jié)理狀長度的增加先減小后增大，而豎直位移先增大后減小。節(jié)理兩側(cè)各觀測點的水平位移遠(yuǎn)大于豎向位移，且二者差距隨著節(jié)理長度的增加而增大。從變形開始至變形結(jié)束，上盤3個觀測點的平均變形速率總是大于下盤，隨著節(jié)理長度的增加，節(jié)理兩側(cè)觀測點的變形速率增大，而且上下盤之間的速度率差值也增大。

2.2 節(jié)理位置對邊坡變形的影響

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)理位于坡面時，兩側(cè)觀測點平均合位移最大，位于坡底時次之，位于坡頂時最小。節(jié)理位于坡面和坡底時，節(jié)理兩側(cè)觀測點的水平位移大于豎向位移，而節(jié)理位于坡頂時，豎向位移大于水平位移。從相對位移看，當(dāng)節(jié)理位于坡面和坡頂時，節(jié)理上盤位移大于下盤，節(jié)理位于坡底時恰好相反。將位移分解為平行于節(jié)理方向和垂直于節(jié)理方向，發(fā)現(xiàn)當(dāng)節(jié)理位于坡面和坡頂時，平行節(jié)理方向和垂直于節(jié)理方向的位移都由坡面向內(nèi)逐漸減小，而節(jié)理位于坡底時，節(jié)理中部的相對位移大于兩端。

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)理長度不變時，無論其位于坡面、坡頂還是坡腳，坡肩觀測點(T0)和坡腳觀測點(D0)的水平位移量都大于豎向位移。坡肩觀測點的豎向位移大于坡腳，水平位移并沒有明顯的規(guī)律。隨著節(jié)理長度的增加，坡肩和坡腳觀測點的豎向位移都是先減小后增大再減小，坡肩與坡腳豎向位移差值隨節(jié)理長度的增加而增大。

3 結(jié)論

(2)節(jié)理位于坡面時，隨著節(jié)理長度的增加，上下盤觀測點的位移先減小后增大，但節(jié)理兩側(cè)觀測點的變形速率始終增大，而且上下盤之間的速率差值也在增大。

(3)保持節(jié)理長度、傾角不變，當(dāng)節(jié)理位于坡面時，節(jié)理兩側(cè)觀測點的位移最大，坡底時次之，坡頂時最小[16]。