挖方邊坡變形機(jī)制的離心模型試驗(yàn)

柯鑒 鄧琴 荀利明 蔣文鵬 武松

摘要 依托小磨高速公路的K110+295～K110+410段挖方邊坡，基于自重情況下的土坡離心模型，觀察邊坡的破壞過(guò)程，并記錄坡表關(guān)鍵點(diǎn)的位移變化情況，探討挖方邊坡的變形機(jī)制及破壞機(jī)理。結(jié)果表明：在自重的作用下，挖方邊坡的坡頂首先出現(xiàn)裂縫，隨后向坡內(nèi)擴(kuò)展，同時(shí)坡內(nèi)產(chǎn)生多條裂縫，最終邊坡沿著土體與基巖接觸面以近似圓弧滑面剪出，表現(xiàn)為以剪切破壞為主的剪切-拉裂組合破壞模式。邊坡的破壞過(guò)程根據(jù)坡表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化規(guī)律可以分為相對(duì)勻速變形階段、加速變形階段和破壞后階段。最后采用數(shù)值模擬獲得的位移場(chǎng)和最大剪應(yīng)變分布圖驗(yàn)證了模型試驗(yàn)的合理性。

關(guān) 鍵 詞 挖方邊坡;心模型試驗(yàn);值仿真;切-拉裂破壞

中圖分類號(hào) TU 457? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Abstract Based on the Centrifuge model test，the deformation mechanism and failure characteristics of excavated slope on the k110+295～k110+410 of XiaoMo highway has been studied.During the model test，the failure process of the slope was observed and the displacement of key points was recorded.It shows that the top of the slope appears the crack firstly，and then it expands into interior.At the same time，many cracks occur in the slope.Ultimately，the slope is cut out along the interface of soil and bedrock with an approximate circular slip surface.Slope failure is characterized by shear-tension failure dominated by shear failure.The failure process can be divided into the relatively uniform deformation stage，the accelerated deformation stage and the post-failure stage.Finally，Numerical test has been studied to verify the validity of model test by displacement field and maximum shear strain distribution map.

Key words excavated slope;centrifugal model test;numerical simulation;shear-tension failure

公路的施工過(guò)程中不合理的開(kāi)挖，將會(huì)使得原始邊坡的穩(wěn)定性遭到破壞，從而導(dǎo)致邊坡變形失穩(wěn)。近些年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃的實(shí)施，高速公路建設(shè)快速發(fā)展，開(kāi)挖導(dǎo)致的滑坡災(zāi)害發(fā)生頻繁，因此挖方邊坡的變形機(jī)制越來(lái)越受到關(guān)注。目前大量研究集中在開(kāi)挖過(guò)程對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響[1-9]，然而，大量工程實(shí)踐證明，邊坡在開(kāi)挖的過(guò)程中是穩(wěn)定的，在開(kāi)挖完之后一段時(shí)間開(kāi)始出現(xiàn)顯著變形，最終發(fā)生滑坡。這類邊坡的穩(wěn)定性除了開(kāi)挖擾動(dòng)以外，坡面形態(tài)和滑帶參數(shù)劣化是主要影響因素。盧坤林等[10]通過(guò)對(duì)300個(gè)失穩(wěn)邊坡資料統(tǒng)計(jì)分析，得出了坡面形態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的初步結(jié)論。目前來(lái)說(shuō)，挖方邊坡的變形機(jī)制未得到明顯關(guān)注。

土工離心模型試驗(yàn)利用離心機(jī)的離心力模擬重力，結(jié)合相似準(zhǔn)則將原型幾何形狀縮小，并采用相同性狀的土體制成模型來(lái)研究工程形狀的一種測(cè)試技術(shù)。因模型試驗(yàn)?zāi)茉佻F(xiàn)土體的自重應(yīng)力場(chǎng)以及與自重有關(guān)的變形、發(fā)展直至破壞全過(guò)程，因此得到了廣泛應(yīng)用[11]。離心模型試驗(yàn)被廣大科研學(xué)者認(rèn)為是目前相似性最好的試驗(yàn)手段[12]。目前對(duì)于土坡變形機(jī)制的研究多是自然坡或者人工擬定的邊坡[12-14]，鮮見(jiàn)挖方邊坡的變形機(jī)制研究。本文以小磨高速公路K110+295～K110+410段挖方邊坡為原型，基于長(zhǎng)江科學(xué)院CKY-200土工離心機(jī)，結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)概況，采用室內(nèi)配比材料，模擬挖方邊坡的變形破壞過(guò)程，揭示變形規(guī)律及機(jī)制。最后采用數(shù)值模擬驗(yàn)證模型試驗(yàn)的合理性。

1 工程概況

小磨高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)G85重慶—昆明公路的聯(lián)絡(luò)線G8511昆明—磨憨（口岸）的末段，其中13標(biāo)的K110+295～K110+410段邊坡位于線路右側(cè)，深挖方長(zhǎng)度約115 m，中線最大挖深約14.24 m，形成邊坡最大高度約48.6 m。該深挖方于2015年10月開(kāi)始開(kāi)挖施工，開(kāi)挖到一級(jí)邊坡后，2016年01月17日凌晨2時(shí)，K110+295～+410段右側(cè)山體在沒(méi)有下雨的情況下發(fā)生大面積山體滑坡，開(kāi)挖坡口線邊距51.5 m，坡口線內(nèi)移約7 m，滑塌裂縫線寬約1.5～3 m，滑塌裂縫邊距約81.2 m，裂縫錯(cuò)臺(tái)高度約2～10 m，如圖1所示。坡體后緣裂縫如圖2。

滑動(dòng)面多位于強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的不整合接合面處。強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖孔隙發(fā)育，富水性強(qiáng);強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖孔隙性較差，具相對(duì)隔水性。

2 模型試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用長(zhǎng)江科學(xué)院CKY-200土工離心機(jī)設(shè)備，如圖3所示。該設(shè)備有效容量200g·t，最大加速度200g，調(diào)速精度0.1g;有效半徑3.7 m;吊藍(lán)凈空尺寸1.2 m×1.0 m× 1.5 m;模型箱尺寸（長(zhǎng)×寬×高）1.0 m×1.0 m×1.0 m、1.0 m×0.4 m×0.8 m兩種，適應(yīng)多種相似比的模型試驗(yàn)需求。

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?/p>

選取K110+370橫斷面圖為原型，采用相似比N=80g進(jìn)行模型的制作。模型高度為75 cm，對(duì)應(yīng)原型高度為60 m，邊坡上部坡比為1∶1.6，下部坡比約為1.1∶1。由于現(xiàn)場(chǎng)工況模型土體的復(fù)雜性與不確定性，模型試驗(yàn)中將邊坡巖土體材料概化為兩層，即滑動(dòng)面上部和下部，模型概化圖如圖4所示。

2.2 模型材料

為更為真實(shí)的模擬現(xiàn)場(chǎng)原土體的材料參數(shù)，選擇適宜的土體材料參數(shù)成為模型試驗(yàn)的首要前提。土體初步采用黃土與中粗砂混合，按照干樣質(zhì)量比分別為10∶0、7∶3、6∶4和5∶5的比例混合，控制混合樣干密度為1.95 g/cm3，并設(shè)置不同的含水率，測(cè)定不同配合比及含水率下材料強(qiáng)度指標(biāo)。經(jīng)綜合比對(duì)后，采用黃土∶中粗砂 = 7∶3配比，制樣含水率控制為15%，制樣干密度為1.95 g/cm3，按擊實(shí)度100%擊實(shí)來(lái)進(jìn)行土體制作?；鶐r的模擬采用重晶石和水泥按照重晶石粉∶水泥∶石灰 = 1∶1.21∶1.28的比例進(jìn)行混合澆筑，模擬現(xiàn)場(chǎng)基巖面，同時(shí)模型試驗(yàn)中忽略邊坡基巖的變形。土體參數(shù)如表1所示。

2.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹饕O(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括坡體表面位移和坡體斷面位移。1）坡體表面變形：在坡體表面布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用激光位移傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)坡體表明的變形情況。其中LDS1、LDS2、LDS3和LDS5位于坡表，LDS4位于坡腳。有效量程為30～80 mm，測(cè)量精度為0.01 mm。2）坡體斷面位移：通過(guò)邊坡斷面分層布設(shè)變形標(biāo)示點(diǎn)，離心機(jī)運(yùn)行中采用高速攝像系統(tǒng)拍攝斷面照片，運(yùn)用GetData Graph Digitizer、Excel 軟件提取數(shù)值并生成不同階段滑坡模型的位移矢量圖。模型斷面標(biāo)點(diǎn)鋪設(shè)和激光傳感器布置如圖5所示。需要注意的是，這里側(cè)面標(biāo)記點(diǎn)只是示意，其具體布置見(jiàn)圖6d）。

2.4 模型制作

首先在模型玻璃箱一側(cè)玻璃板上劃上基巖與滑體的分層線，并繪制滑坡的輪廓線，作為分層擊實(shí)與削坡的依據(jù);根據(jù)上述材料配比制作模型材料，將材料按照設(shè)定的濕密度稱量，5 cm一層，分層導(dǎo)入模型箱，按設(shè)計(jì)好的壓實(shí)度進(jìn)行擊實(shí)，分層鋪設(shè)標(biāo)記點(diǎn)，拍照并記錄每層土樣質(zhì)量。需要注意的是，每一層擊實(shí)之后采用鋼尺進(jìn)行表明劃毛處理，保證層與層之間密實(shí)接觸。最后按照輪廓線進(jìn)行削坡，并在表面布置傳感器。模型示意圖如圖6所示。

2.5 試驗(yàn)過(guò)程

將制備好的模型吊入離心機(jī)吊籃內(nèi)，并在吊籃另一端吊裝同等質(zhì)量配重。在所有傳感器和接收儀器檢查正常后，啟動(dòng)離心機(jī)，20g為一級(jí)，每級(jí)加速度下穩(wěn)定運(yùn)行4 min，利用架設(shè)在離心機(jī)室頂部的高速攝影系統(tǒng)對(duì)模型進(jìn)行拍照，得到每級(jí)加速下模型斷面標(biāo)點(diǎn)的位置并用激光位移傳感器記錄位移變化。運(yùn)行至模型發(fā)生整體發(fā)生破壞后停機(jī)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 變形破壞特征

圖7展示了不同加速度下邊坡變形圖。從圖中可以看出：加速度為20g時(shí)，坡面頂部首先出現(xiàn)2條張拉裂縫（圖7a）），加速度達(dá)到40g時(shí)，裂縫向坡底延伸（圖7b））。加速度為60g時(shí)，已有裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，同時(shí)伴隨多個(gè)裂縫產(chǎn)生（圖7c））。從測(cè)面標(biāo)點(diǎn)可以看出邊坡表面發(fā)生整體滑動(dòng)，此時(shí)邊坡已經(jīng)發(fā)生破壞。加速度達(dá)到80g時(shí)，邊坡發(fā)生整體垮塌，滑動(dòng)面從開(kāi)挖后的坡腳剪出。

將60g加速度下模型斷面標(biāo)點(diǎn)位移繪制得到離心機(jī)加載過(guò)程中模型斷面的矢量圖，如圖8所示?？梢钥闯?，坡表變形最大，變形向坡體內(nèi)部逐漸變小。測(cè)量得到邊坡最大位移約為6.8 cm。

結(jié)合模型斷面初始標(biāo)點(diǎn)位置，以及加速度60g和離心機(jī)停止時(shí)滑動(dòng)破壞時(shí)各標(biāo)點(diǎn)位置，描繪出模型斷面破壞圖和坡面裂縫見(jiàn)9。從圖中可以看出，60g時(shí)開(kāi)挖坡頂處以下位置變形較大，亦是張拉裂縫最先出現(xiàn)位置，滑坡體沿著張拉裂縫向下滑動(dòng)，最后從坡腳剪出，滑坡體平均深度為15 cm，滑面深層位置平行于基巖坡面，這和實(shí)際邊坡滑動(dòng)深度和滑動(dòng)范圍都很接近。

3.2 豎向位移發(fā)展規(guī)律

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)在邊坡表面架設(shè)激光位移傳感器測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中邊坡的變形結(jié)果如圖10所示，其中位移正值表示該點(diǎn)發(fā)生沉降變形，負(fù)值表示隆起變形?？紤]模型滑坡過(guò)程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能發(fā)成的沉降和隆起變形，因此試驗(yàn)前監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離坡面位置控制在3～4 cm，以便于監(jiān)測(cè)模型坡面可能出現(xiàn)的隆起與沉降變形。其中傳感器LDS-1、LDS-2、LDS-3、LDS-4分別監(jiān)測(cè)模型表面豎向位移。

從圖10中可以看出：1）在加速度小于40g時(shí)，點(diǎn)LDS-1位移隨著加速度的增加而增大，且在加速度保持穩(wěn)定時(shí)沉降趨于穩(wěn)定，40g穩(wěn)定時(shí)的沉降量約為11.2 mm。離心機(jī)加載至60g過(guò)程中LDS-1位移隨著加速度增加繼續(xù)增大，加速度達(dá)到60g穩(wěn)定時(shí)LDS-1沉降持續(xù)增加，直至超出傳感器量程，此時(shí)沉降量為22.98 m。2）點(diǎn)LDS-2和LDS-3在加速度達(dá)到40g之前，發(fā)生隆起變形，40g時(shí)隆起量為16.8 mm和11.8 mm。60g加載過(guò)程中位移超出量程，此時(shí)LDS-2的隆起量為25.1 mm，LDS-3在加速度達(dá)到60g時(shí)隆起量為30.6 mm，加速度穩(wěn)定后LDS-3測(cè)量值發(fā)生波動(dòng)，后超出量程。3）點(diǎn)LDS-4監(jiān)測(cè)坡腳位移，隨著離心加速度增加，坡腳位置發(fā)生隆起。40g時(shí)坡腳隆起高度為3.15 mm，加速度達(dá)到60g時(shí)后坡腳隆起量持續(xù)增加，最終達(dá)到23 mm。結(jié)合60g時(shí)模型斷面圖（圖7）得知在60g時(shí)邊坡表層巖體發(fā)生整體移動(dòng)，上述監(jiān)測(cè)點(diǎn)在邊坡破壞后位移持續(xù)增加直至超出量程。

4 挖方邊坡數(shù)值模擬驗(yàn)證

為了解挖方邊坡的破壞機(jī)理，采用Phase2有限元軟件開(kāi)展挖方邊坡的數(shù)值仿真分析，上方材料考慮為彈塑性，其采用的強(qiáng)度參數(shù)如表1所示，彈性模量和泊松比分別為80 MPa和0.30。采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

計(jì)算得到自重狀態(tài)下挖方邊坡的位移場(chǎng)和最大剪應(yīng)變?cè)茍D分別如圖12和13所示。從圖中可以看出，位移在坡表最大，且位移只要集中在基巖以上滑體，且上部模型與基巖接觸處剪應(yīng)變集中，這和離心模型試驗(yàn)獲取的位移場(chǎng)及破壞斷面圖相對(duì)應(yīng)（圖9）。這也說(shuō)明了模型試驗(yàn)結(jié)果的合理性。

5 結(jié)論

依托實(shí)際工程，采用離心模型試驗(yàn)技術(shù)，研究了挖方邊坡的變形機(jī)制和破壞機(jī)理，并采用數(shù)值模型驗(yàn)證了模型試驗(yàn)的合理性。主要結(jié)論如下：

1）自重作用下，挖方邊坡首先在坡頂出現(xiàn)拉裂縫，隨后向坡底延伸，并伴隨坡內(nèi)多個(gè)裂縫產(chǎn)生，最終邊坡發(fā)生整體滑動(dòng)并坍塌，滑動(dòng)面從坡腳剪出。

2）邊坡沿著土體與基巖接觸面以近似圓弧滑面剪出，邊坡失穩(wěn)，表現(xiàn)為以剪切破壞為主的剪切-拉裂組合破壞模式。

3）根據(jù)坡表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)規(guī)律，邊坡的破壞過(guò)程可以分為相對(duì)勻速變形階段、加速變形階段和破壞后階段。

4）針對(duì)挖方邊坡，開(kāi)展了自重作用下的數(shù)值試驗(yàn)分析，得到的邊坡位移場(chǎng)和最大剪應(yīng)變場(chǎng)和模型試驗(yàn)相吻合，驗(yàn)證了模型試驗(yàn)結(jié)果的合理性。

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[責(zé)任編輯 楊 屹]