基于模型試驗的均質(zhì)邊坡破壞機理研究

1、第12卷第1期 工 程 技 術(shù) 通 訊2012年 2月 Engineering Technology Communication PAGE 142012-07-09 07:58:47 6.45%基于模型試驗的均質(zhì)邊坡破壞機理研究市政分公司鄭筱彥摘要：為研研究均質(zhì)質(zhì)邊坡產(chǎn)產(chǎn)生滑移移破壞的的誘發(fā)因因素，在在典型邊邊坡預(yù)應(yīng)應(yīng)力錨固固效果模模型試驗驗的準備備試驗中中，采用用相似材材料，進進行了3組對比比試驗：邊坡墊墊層厚度度取坡高高1/3和無墊墊層；邊邊坡坡高高為定值值時，1級邊坡坡和5級邊坡坡；旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)后坡面面加載、坡坡頂整體體加均布布荷載和和坡頂局局部加載載。試驗驗結(jié)果表表明，荷荷載施加加位置、墊墊

2、層厚度度、邊坡坡級數(shù)以以及坡率率對均質(zhì)質(zhì)邊坡破破壞模式式的影響響程度不不同。通通過準備備試驗，得得出了針針對實際際工程合合理的邊邊坡室內(nèi)內(nèi)模型試試驗的方方案，為為大型模模型試驗驗的順利利進行給給出了指指導(dǎo)性建建議。關(guān)鍵詞：均均質(zhì)邊坡坡；模型型試驗；破壞機機理；邊邊坡穩(wěn)定定性；強強度折減減法1 引言物理模擬研研究方法法應(yīng)用于于邊坡穩(wěn)穩(wěn)定性分分析具有有兩個突突出的意意義11：一一是能夠夠直接觀觀測和記記錄所研研究邊坡坡的變形形、破壞壞演變過過程；二二是可以以通過試試驗應(yīng)力力分析獲獲得邊坡坡的變形形演變過過程中各各階段的的應(yīng)力分分布狀態(tài)態(tài)以及由由于變形形與局部部破壞導(dǎo)導(dǎo)致的應(yīng)應(yīng)力重分分布情況況2。因

3、此此，對邊邊坡穩(wěn)定定性進行行模型試試驗研究究有重要要意義，它它不僅可可為工程程施工提提供科學(xué)學(xué)的理論論依據(jù)，而而且對邊邊坡加固固和滑坡坡的預(yù)測測預(yù)報也也具有重重要的指指導(dǎo)作用用3-4。邊邊坡破壞壞模式是是邊坡穩(wěn)穩(wěn)定性分分析的基基礎(chǔ)和前前提，也也是邊坡坡預(yù)測預(yù)預(yù)警和有有效防治治的必要要條件之之一55。試試驗方法法不得當當情況下下得到的的破壞模模式可能能是錯誤誤的結(jié)果果，因此此在邊坡坡穩(wěn)定性性研究試試驗前對對邊坡的的破壞模模式以及及破壞模模式的影影響因素素進行試試驗分析析，具有有重要的的意義。直直接在多多功能巖巖土工程程試驗儀儀上作研研究，不不僅周期期長而且且費用也也高，因因此針對對模型材材料的性

4、性質(zhì)，按按照相似似原理采采用小模模型設(shè)計計了幾組組實驗，研研究均質(zhì)質(zhì)邊坡破破壞模式式的影響響因素。目前模型試試驗的模模型制作作方法主主要有兩兩種：一一是按相相似原理理的要求求找到合合適的材材料，然然后將混混合料做做成試塊塊，再用用試塊堆堆積成邊邊坡；另另外一種種方法是是把配好好的材料料支模后后直接澆澆筑或填填料夯實實。這兩兩種方法法在研究究中都有有用到。對對于邊坡坡破壞試試驗加載載方法的的研究，查查閱相關(guān)關(guān)資料發(fā)發(fā)現(xiàn)，很很多試驗驗對這一一塊的描描述較少少，有很很大一部部分試驗驗都采用用了用千千斤頂直直接加載載集中力力，這種種加載方方式是否否符合工工程的實實際情況況并未作作詳細的的研究，因因此針

5、對對一些疑疑問，設(shè)設(shè)計了不不同的加加載方式式下邊坡坡破壞模模式的研研究試驗驗。2 模型試試驗概況況邊坡穩(wěn)定性性研究的的模型試試驗是以以二廣高高速公路路（粵境境）懷集集至三水水段第6標段K244+5883KK24+8100右側(cè)路路塹為研研究背景景，因此本本試驗材材料采用用模型試試驗材料料。本試試驗主要要研究同同種材質(zhì)質(zhì)的邊坡坡（均質(zhì)質(zhì)材料）破破壞模式式的影響響因素。2.1邊坡坡地質(zhì)條條件邊坡地層狀狀況比較較復(fù)雜，涉涉及到七七個不同同的巖層層，邊坡坡示意圖圖見圖1。沿垂垂直邊坡坡面切取取一個窄窄帶作為為研究對對象：高度選選取，從從路基平平面向上上選取550m高高度即取取第1級至第5級邊坡坡；橫向選

6、選取822.5mm，滿足足開挖所所需的應(yīng)應(yīng)力影響響范圍和和錨索對對邊坡作作用應(yīng)力力范圍。縱向選選取200m。模模型試驗驗所模擬擬的邊坡坡范圍內(nèi)內(nèi)邊坡地地層主要要分布在在三個巖巖層：弱弱風(fēng)化石石英砂巖巖、強風(fēng)風(fēng)化花崗崗巖、弱弱風(fēng)化花花崗巖，各各地層力力學(xué)參數(shù)數(shù)見表1。圖1模型型研究對對象示意意圖2.2模型型材料的的研制此模型試驗驗作為典典型邊坡坡預(yù)應(yīng)力力錨索錨錨固效應(yīng)應(yīng)相似模模型試驗驗的準備備試驗，因因此，此此模型試試驗材料料的選取取遵循相相似模型型試驗原原理，所所模擬的的邊坡范范圍內(nèi)巖巖體介質(zhì)質(zhì)主要是是弱風(fēng)化化石英雜雜砂巖、強強風(fēng)化花花崗巖和和弱風(fēng)化化花崗巖巖，按相相似比尺尺求得三三者的容容重

7、分別別為3.50 g/ccm3、3.366 g/cm33和3.557 gg/cmm3 ，數(shù)值大大小十分分接近，在在模型試試驗中很很難區(qū)分分，因此此擬將整整個邊坡坡模型用用一種介介質(zhì)材料料來模擬擬，其容容重取三三者的平平均值3.448 gg/cmm3。其配配合比為為鋼砂：重晶石石膏：水水=1：1：0.008。模擬擬巖體材材料力學(xué)學(xué)參數(shù)見見表1。表1邊坡巖巖體及模模型材料料力學(xué)參參數(shù)地層序號地層巖性容重（g/cmm3）粘聚力C(MPaa)內(nèi)摩擦角()泊松比變性模量(MPa)單軸抗壓強度Rc(MPaa)單軸抗拉強度Rt(MPaa)（1）亞粘土1.751.11150.254.523.7702.950.

8、50（2）亞粘土1.801.48200.255.964.8874.200.70（3）全風(fēng)化石英英雜砂巖1.902.07220.250.0055.915.8886.101.00（4）強風(fēng)化石英英雜砂巖2.202.96280.250.0059.651.65（5）弱風(fēng)化石英英雜砂巖2.453.70320.250.00513.2002.30（6）強風(fēng)化花崗崗巖2.352.96300.420.11959001688010.1551.70（7）弱風(fēng)化花崗崗巖2.507.40400.420.1184400007002030.9005.50模型材料3.480.21400.420.1181257.142000.

9、5770.113352.3 試試驗?zāi)Ｐ托陀煤穸葹?2cm的的鋼板作作為加載載邊坡的的側(cè)限，用用螺釘將將鋼板和和槽鋼相相連做成成模型模模具見圖圖2（a），按按比例配配料后，分分層在模模具中填填料夯實實，試驗驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)結(jié)構(gòu)尺寸寸如圖3所示，試試驗步驟驟見試驗驗流程圖圖4。（a）模具具 （b）試驗驗裝置圖2模具與與試驗裝裝置（a）模型型結(jié)構(gòu)尺尺寸圖 （b）制模模后模型型圖以及及模型旋旋轉(zhuǎn)90圖圖3模型圖圖圖4模型試試驗流程程圖3試驗方式式對邊坡坡破壞模模式影響響研究根據(jù)前期的的試驗結(jié)結(jié)果可知知，邊坡坡的開挖挖對邊坡坡的破壞壞影響作作用不明明顯，此此種材料料的邊坡坡，破壞壞模式受受以下4個方面面的影響響

10、：加載載的位置置、邊坡坡墊層的的厚度、修修坡的級級數(shù)以及及邊坡的的坡率。因因此根據(jù)據(jù)以上研研究結(jié)論論設(shè)計了了幾組試試驗：邊邊坡的墊墊層取邊邊坡高度度的1/3和無墊墊層；邊邊坡坡高高一定，修1級邊坡和修5級邊坡；旋轉(zhuǎn)后坡面加載、坡頂整體加均布荷載和坡頂局部加載；其中，邊坡坡率的影響通過旋轉(zhuǎn)模型來實現(xiàn)。4 側(cè)限對對試驗結(jié)結(jié)果的影影響研究究在分析本組組試驗結(jié)結(jié)果前，先先簡單的的分析一一個前期期的試驗驗，試驗驗中邊坡坡兩側(cè)未未加側(cè)限限。此次次試驗是是在巖土土工程多多功能試試驗儀上上完成的的，模型型邊坡是是用5ccm5cmm40ccm的小小長方塊塊體堆積積成的，在在沒有加加側(cè)限的的條件下下，在坡坡頂加載

11、載整體均均布荷載載，使邊邊坡發(fā)生生超載破破壞試驗驗，破壞壞形態(tài)見見圖5。（a）試驗驗試塊及及模型圖圖（b）模型型加載破破壞圖以以及局部部放大圖圖圖5無側(cè)限限條件下下邊坡的的模型以以及加載載后的破破壞形態(tài)態(tài)從圖5可以以看出，邊邊坡的破破壞發(fā)生生在兩側(cè)側(cè)，類似似于柱狀狀破壞。分分析其原原因，邊邊坡的破破壞總是是從最薄薄弱的地地帶開始始發(fā)生，坡坡面無約約束，兩兩側(cè)也無無約束條條件的情情況下，由由于邊坡坡兩側(cè)的的坡腳為為90，比坡坡面還容容易發(fā)生生破壞，因因此在無無側(cè)限的的條件下下，不會會出現(xiàn)坡坡面滑移移現(xiàn)象。因因此能否否正確找找到邊坡坡的破壞壞模式與與側(cè)限有有很重要要的關(guān)系系，首先先側(cè)限必必須能提提

12、供足夠夠的剛度度，使邊邊坡不發(fā)發(fā)生兩側(cè)側(cè)的位移移，在接接下來的的試驗中中采用22cm的的厚鋼板板做為加加載側(cè)限限的材料料，從試試驗結(jié)果果來看基基本上滿滿足了試試驗要求求；對側(cè)側(cè)限的另另一個要要求則是是要兩側(cè)側(cè)盡可能能的降低低摩擦力力，在試試驗中通通過在鋼鋼板上抹抹油解決決了這一一問題。5邊坡破壞壞形態(tài)比比較5.1有無無墊層對對邊坡破破壞模式式的影響響比較從加載力的的傳遞分分析，坡坡底有無無墊層對對邊坡的的破壞是是否有影影響是問問題之一一，因此此針對此此問題做做了一組組試驗，試試驗中一一模型取取墊層為為模型邊邊坡坡高高的1/33，另一模模型無墊墊層，相相關(guān)研究究見圖6；（a）有墊墊層破壞壞形態(tài)（

13、b）無墊墊層破壞壞形態(tài)圖6坡頂局局部加載載破壞形形態(tài)圖6（a）和和（b）分別別為邊坡坡有、無無墊層兩兩種情況況下，坡坡頂局部部加載破破壞后，左左、中、右右破壞形形態(tài)圖。由由圖可知知，邊坡坡有無墊墊層對邊邊坡的破破壞影響響作用不不明顯，在在定量的的模型試試驗研究究中，可可以忽略略此因素素的影響響作用。5.2邊坡坡的級數(shù)數(shù)對邊坡坡破壞模模式的影影響比較較邊坡的級數(shù)數(shù)是否對對邊坡的的破壞造造成較大大影響，也也是大型型模型試試驗可否否成功的的影響因因素之一一。因此此按大型型模型試試驗的邊邊坡坡率率進行修修坡，修修坡圖見見圖7（a），再再通過坡坡頂局部部加載研研究邊坡坡的破壞壞，破壞壞形態(tài)見見圖7（b）

14、。（a）5級級邊坡修修坡后（b）5級邊坡坡的破壞壞形態(tài)圖7坡頂局局部加載載五級邊邊坡的破破壞形態(tài)態(tài)圖7（b）為為五級邊邊坡坡頂頂加局部部荷載破破壞后，左左、中、右右的破壞壞形態(tài)。通通過試驗驗結(jié)果可可知，邊邊坡修坡坡后坡頂頂局部加加載，邊邊坡仍發(fā)發(fā)生整體體破壞，但但和上組組試驗未未修坡的的破壞形形態(tài)有不不同之處處，表現(xiàn)現(xiàn)在1級邊坡坡滑移線線在坡腳腳處貫通通，而5級邊坡坡的第一一條破壞壞線出現(xiàn)現(xiàn)在第3級的坡坡腳處，第第二條破破壞線出出現(xiàn)在第第4級坡腳腳處，并并未傳到到邊坡的的坡腳，滑滑移線的的位置不不同。5.3加載載位置不不同對邊邊坡破壞壞模式的的影響比比較從邊坡的安安全系數(shù)數(shù)方面分分析邊坡坡的破

15、壞壞，邊坡坡的抗滑滑力和邊邊坡的下下滑力都都和邊坡坡的穩(wěn)定定性有關(guān)關(guān)，因此此無論是是坡面加加載、旋旋轉(zhuǎn)還是是坡頂加加載都可可以增加加邊坡的的下滑力力，降低低邊坡的的安全系系數(shù)，從從而使邊邊坡發(fā)生生破壞。在在上述條條件下各各模型的的破壞形形態(tài)如下下：（1）旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)后坡面面加載破破壞形態(tài)態(tài)小模型試驗驗的設(shè)備備不能旋旋轉(zhuǎn)，因因此本試試驗選擇擇在巖土土多功能能試驗儀儀上進行行，模型型結(jié)構(gòu)的的尺寸按按實際工工程邊坡坡的1/550選取，此此試驗為為定性研研究。巖巖土多功功能試驗驗儀最大大旋轉(zhuǎn)角角度不超超過30，實際際試驗中中為了使使邊坡加加載裝置置可以垂垂直加載載，邊坡坡旋轉(zhuǎn)角角度為27，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)后坡面面加載

16、，直直至邊坡坡發(fā)生破破壞，試試驗裝置置及邊坡坡的破壞壞形態(tài)見見圖8。（a）巖土土多功能能試驗儀儀旋轉(zhuǎn)后后圖（b）破壞壞形態(tài)圖8旋轉(zhuǎn)后后坡面加加載破壞壞形態(tài)及及試驗裝裝置由試驗可知知，垂直直將力加加載在坡坡面上而而不擾動動邊坡是是試驗的的難點。配配重加載載，邊坡坡未發(fā)生生破壞，于于是想到到通過旋旋轉(zhuǎn)邊坡坡，再通通過千斤斤頂加載載使邊坡坡發(fā)生整整體破壞壞。從圖圖5（b）可知知，坡面面加載邊邊坡的破破壞范圍圍是有限限的，邊邊坡只發(fā)發(fā)生了局局部破壞壞，局部部出現(xiàn)裂裂縫，力力并未傳傳到邊坡坡更遠的的部位，當當局部受受力過大大，此部部位即發(fā)發(fā)生滑移移。試驗驗結(jié)果與與數(shù)值計計算結(jié)果果有很大大出入，推推測造成

17、成此結(jié)果果的原因因，可能能與坡面面加載方方式有關(guān)關(guān)，破壞壞位置發(fā)發(fā)生在框框架附近近，加框框架后，框框架與整整個邊坡坡并未形形成一個個整體，因因此如何何避免人人為因素素對試驗驗結(jié)果的的影響作作用還有有待于繼繼續(xù)研究究。（2）坡頂頂加均布布荷載破破壞形態(tài)態(tài)在模型頂部部加鋼板板，千斤斤頂直接接在鋼板板上加載載，直到到邊坡破破壞，破破壞形態(tài)態(tài)見圖9。 圖9坡坡頂整體體加載邊邊坡的破破壞形態(tài)態(tài) 圖10 邊坡模模型試驗驗加載圖圖以及破破壞形態(tài)態(tài)從圖6中我我們可以以明顯的的看到成成“八”字的破破壞形態(tài)態(tài)，破壞壞圖形于于單軸抗抗壓強度度的破壞壞圖形相相似，也也不滿足足試驗要要求。（3）坡頂頂加局部部荷載破破壞

18、形態(tài)態(tài)改變加載方方式，將將千斤頂頂?shù)淖饔糜昧釉谠诜戳芗苌?，將將反力加加在邊坡坡上，加加載使邊邊坡發(fā)生生破壞，破破壞形態(tài)態(tài)見圖6-7。在本本試驗中中發(fā)現(xiàn)：邊坡的的破壞過過程有一一定規(guī)律律可循，雖雖然其它它試驗條條件存在在不同，如如邊坡級級數(shù)不同同，墊層層的厚度度也不同同，但在在坡頂局局部加載載時，邊邊坡發(fā)生生破壞的的過程基基本相同同。都是是先在坡坡頂出現(xiàn)現(xiàn)裂縫，然然后坡頂頂出現(xiàn)局局部破壞壞，繼續(xù)續(xù)加載，力力向下傳傳先出現(xiàn)現(xiàn)在坡頂頂?shù)牧芽p縫向中間間擴展和和坡腳聯(lián)聯(lián)通形成成貫通的的破壞，形形成第一一條破壞壞線；繼繼續(xù)加載載，千斤斤頂隨坡坡頂介質(zhì)質(zhì)一起下下沉，坡坡頂出現(xiàn)現(xiàn)第二條條裂縫，裂裂縫繼續(xù)續(xù)

19、向下擴擴展與第第一條破破壞線貫貫通，形形成第二二條破壞壞線；以以此類推推出現(xiàn)第第三條破破壞線，直直到第一一破壞面面發(fā)生滑滑動，邊邊坡發(fā)生生破壞結(jié)結(jié)束。從物理機制制方面分分析邊坡坡的破壞壞原因，邊邊坡的破破壞并不不是瞬間間發(fā)生的的，而是是一個由由局部破破壞逐漸漸擴展以以至貫通通形成滑滑面的過過程，在在這一過過程中，由由于土體體的抗剪剪強度發(fā)發(fā)生衰減減，主要要是抗剪剪強度指指標發(fā)生生不同程程度的衰衰減，直直至抵抗抗不了下下滑力的的作用，邊邊坡發(fā)生生滑移6。6實際工程程合理的的邊坡模模型試驗驗方式從以上的試試驗可以以看出，雖雖然在坡坡頂施加加局部荷荷載可以以使邊坡坡發(fā)生滑滑移破壞壞，但是是結(jié)合工工程

20、實際際情況，高高速公路路兩旁的的路塹高高邊坡坡坡頂出現(xiàn)現(xiàn)較大的的荷載，可可能性不不大，因因此坡頂頂局部加加載的方方案也未未采納。根根據(jù)邊坡坡發(fā)生滑滑移的過過程，有有了新的的思路。能能否利用用強度折折減法的的思路7-88，降低低相似材材料的強強度，使使邊坡處處于臨界界狀態(tài)，那那么土體體抗剪強強度的折折減系數(shù)數(shù)就可以以用來表表征邊坡坡的安全全系數(shù)。 找到處處于臨界界狀態(tài)的的材料并并與相似似材料有有關(guān)聯(lián)的的材料是是試驗的的關(guān)鍵。通過不斷的的配比組組合，在在原有試試驗材料料的基礎(chǔ)礎(chǔ)上找到到了新的的材料，通通過內(nèi)部部增加容容重的方方法，找找到邊坡坡的臨界界破壞點點，以及及破壞時時對應(yīng)的的滑移位位置，依依

21、據(jù)強度度折減法法和極限限平衡條條分法，求求出增加加容重后后，邊坡坡抗剪強強度衰減減對應(yīng)的的折減系系數(shù)，用用折減系系數(shù)來衡衡量邊坡坡的穩(wěn)定定性。此此試驗已已獲得成成功，見見圖10，具體體的試驗驗內(nèi)容和和結(jié)果分分析將在在以后的的文章中中詳細介介紹。7結(jié)語通過3組試試驗可以以得出以以下幾點點結(jié)論： （1）人為為因素加加載使邊邊坡發(fā)生生破壞，不不同的加加載位置置產(chǎn)生不不同的破破壞模式式，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)后坡面面加載在在本次試試驗條件件下，不不能造成成邊坡整整體的破破壞，只只能產(chǎn)生生邊坡局局部破壞壞；而邊邊坡頂部部的整體體均布荷荷載的加加載方式式，邊坡坡產(chǎn)生破破壞的模模式類似似于長方方體的三三軸壓縮縮試驗，破破壞形態(tài)態(tài)與之類類似，呈呈“八字”形破壞壞；而坡坡頂有條條件的局局部荷載載可以產(chǎn)產(chǎn)生邊坡坡漸進性性的圓弧弧形破壞壞模式，及及先發(fā)生生局部破破壞，接接著發(fā)生生貫通的的整體滑滑移，當當邊坡滑滑移時多多形成幾幾條破壞壞線，破破壞線出出現(xiàn)的順順序有前前后之分分。（2）邊坡坡有無墊墊層對邊邊坡的破破壞作用用由以上上分析可可知，影影響作用用不明顯顯，在定定量的模模型試驗驗研究中中，可以以忽略此此因素的的影響作作用。（3）1級級邊坡和和5級邊坡坡在坡頂頂整體加加載的情情況下都都可以發(fā)發(fā)生整體體的破壞壞，由于于級數(shù)和和坡率的的原因，限限制了力力的傳播播方向，表表現(xiàn)為滑滑移面的的位置不不