邊坡失穩過程模型試驗研究

盧坤林，朱大勇，楊 揚

（合肥工業大學 土木與水利工程學院，合肥 230009）

1 引 言

滑坡是一種常見的地質災害，對人類的生命財產帶來重大威脅，諸如最近的重慶武隆滑坡、榆林子洲和廣西容縣山體滑坡等。雖然人類與滑坡災害作斗爭的努力從未間斷，但至今尚未能全面認識滑坡的發生、發展機制[1]。

目前，針對邊坡失穩破壞(滑坡)課題，國內外學者采用的研究手段包括了理論研究、數值模擬、模型試驗和現場監測等[2]。就模型試驗而言，學術界很早開始利用各種模型試驗方法，來探索邊坡失穩破壞機制，歷經傾斜模型槽、基底摩擦試驗、足尺模型試驗和離心模型試驗等階段，其中以傾斜模型槽和離心模型試驗最為常用[3]。

陳祖煜[4]和羅先啟[3]先后詳細綜述了截至 2005年傾斜模型槽試驗成果。左保成[5]研究了反傾巖質邊坡的破壞機制；任偉中[6]建立了相似比為 1:200的邊坡模型，研究了模型邊坡的變形破壞機制和加固效果；Shigemura[7]研究了坡趾形態對邊坡失穩的影響；Chen[8]研究了散粒體在干燥和潮濕狀態下的破壞形式；Li[9]對堆積塊體的破壞模式進行了研究；黃昕[10]研究了塊裂層狀邊坡的破壞模式。

綜上所述，國內外學者通過傾斜模型槽試驗對邊坡破壞機制開展了大量卓有成效的工作，但普遍存在模型寬度較小，不能反映三維效應。本文在一個模型槽中制作寬高比為2.5的模型邊坡(素土和加筋)，通過傾斜模型槽觸發邊坡失穩破壞，研究三維形態下邊坡失穩的發生、發展以及最終形態。有助于了解邊坡失穩破壞過程及破壞形態，為邊坡治理提供科學依據。

2 試驗裝置及模型邊坡

2.1 試驗裝置

試驗采用在模型槽中制作邊坡模型，通過傾斜模型槽致使邊坡失穩破壞，研究滑坡的發生、發展以及滑體形態。如圖 1所示，模型槽尺寸為1 m×2 m×4 m（高×寬×長），通過雙聯升降螺桿組成的升降裝置抬升模型槽的一端來達到傾斜模型槽的目的。在模型槽的正面和頂面安裝了2臺高清數碼攝像機組成的影像采集系統，實時記錄邊坡破壞過程。為了防止邊坡沿著模型槽地面或側壁滑出，對其進行了防滑處理。

圖1 模型試驗示意圖Fig.1 Sketch of model test

2.2 模型試驗用土性質

制作模型土樣選用潮濕的細砂（含泥），級配曲線如圖2所示，物理力學指標列于表1中。

圖2 試驗用土的級配曲線Fig.2 Gradation curve for test soil

表1 試驗用土的物理力學參數Table 1 Pysico-mechanical parameters of test soil

2.3 模型邊坡的設計與制作

本次試驗設計了 30°、45°和 60°共 3種坡度，坡面考慮了平面和凸面兩種形式。同時，針對凸面坡還設計了一排加筋和兩排加筋。

模型邊坡高為 0.8 m，采用人工分層填筑，保持制樣的均勻性，填筑完成后，人工修整為所需要的模型邊坡幾何尺寸。

3 試驗過程及測試結果

3.1 坡頂裂縫開展的描述

在模型槽中制作所需要的邊坡模型，通過傾斜模型槽來改變模型的坡度，觸發其失穩破壞，用 2臺攝像機記錄該過程。

圖3～8為不同坡度和坡面形式下，坡頂裂縫開展過程的俯視圖。坡頂網格密度為20 cm×20 cm；每組兩個平行試驗，分別以粗線和細線區分。

整個裂縫開展過程基本呈現了三維形態，兩端由于側壁限制，同一批次的裂縫位置比較接近坡頂，總體呈圈椅狀。

隨著坡度逐漸增加，第1批裂縫位置離坡面距離越近。以平坡為例，30°坡時第1批裂縫距坡頂約為70 cm，45°坡時約為50 cm，而60°坡時僅有35 cm左右。對于坡度較緩的邊坡，裂縫開展較為緩慢，裂縫批次較多；而陡坡則表現為裂縫批次較少，一出現裂縫就滑動破壞。比較平坡與凸坡，同一坡度下，每個批次裂縫位置基本一致。對于凸坡而言，側壁限制的影響較弱，端部裂縫位置較平坡有些差異。

圖3 30°平坡坡頂裂縫開展過程Fig.3 Cracking progress of flat slope for grade angle 30°

圖4 30°凸坡坡頂裂縫開展過程Fig.4 Cracking progress of convex slope for grade angle 30°

圖5 45°平坡坡頂裂縫開展過程Fig.5 Cracking progress of flat slope for grade angle 45°

圖6 45°凸坡坡頂裂縫開展過程Fig.6 Cracking progress of convex slope for grade angle 45°

圖7 60°平坡坡頂裂縫開展過程Fig.7 Cracking progress of flat slope for grade angle 60°

圖8 60°凸坡坡頂裂縫開展過程Fig.8 Cracking progress of convex slope for grade angle 60°

3.2 邊坡破壞的三維形態

圖9給出了凸坡破壞形態照片。可以看出，坡度影響著滑面形態：坡度較緩時，滑面呈現橢球面或圓柱面+端部過渡滑面（見圖9(a)）；而坡度較陡時，則沿著原邊坡輪廓滑落（見圖9(c)），與文獻[11]利用數值方法搜索得到的三維滑面形態基本一致。

圖9 素土凸坡最終破壞模式Fig.9 Failure forms of natural convex slopes

3.3 失穩后的滑程

圖10匯總了凸坡破壞后滑體的沖程，虛線為原坡底輪廓線，其他線為失穩后滑體前緣輪廓線（共4組）。總體而言，沖程曲線呈現中間大、兩端小的特點。

坡度為30°、45°、60°時，最大沖程平均值分別為29.1、33.5、42.3 cm。可見，沖程大小與坡度有關：即坡度緩，沖程小；坡度陡，沖程大。

圖10 素土凸坡失穩后的滑程（俯視）Fig.10 Slip progresses of natural convex slopes (planform)

3.4 加筋邊坡的破壞過程

為了研究加筋對邊坡穩定的貢獻及加筋邊坡破壞過程，在凸坡中設置通長筋帶，一排筋帶設置在50 cm高位置，兩排筋帶分別設置在40 cm和60 cm高位置，水平間距為20 cm。以坡度45°為例，筋帶剖面布置如圖11所示。

圖11 筋帶布置剖面圖Fig.11 Experimental schemes for reinforcement

圖12、13分別給出了一排和兩排加筋凸坡坡頂裂縫開展過程，均為俯視圖。現僅以坡度 45°為例說明，其他情況類似。

加筋后，坡頂裂縫開展速度顯著放緩，但最終裂縫位置與未加筋基本一致，針對陡坡裂縫批次多于未加筋情況。

圖12 45°一排加筋凸坡坡頂裂縫開展過程Fig.12 Cracking progress of convex slope with reinforcement of single layer for grade angle 45°

圖13 45°兩排加筋凸坡坡頂裂縫開展過程Fig.13 Cracking progress of convex slope with reinforcement of double layer for grade angle 45°

由圖12、13還可以發現，第1批裂縫位置也基本上位于未加筋邊坡第2批裂縫位置附近，而第2批裂縫位置卻和未加筋第1批裂縫位置接近。

圖14給出了加筋凸坡的最終破壞形態照片。加筋后，邊坡表現為先淺層剝離，而后整體滑動，破壞模式與未加筋存在區別。

圖14 加筋邊坡最終破壞模式Fig.14 Final failure forms of reinforced slopes

3.5 破壞時模型槽傾斜的角度

當模型邊坡失穩后，停止升降裝置，測量傾斜角度。表2總結了各種試驗情況下，破壞時傾斜角度的變化范圍及平均值。

表2 不同角度邊坡破壞時模型槽抬升角度Table 2 Tilting angles for model box with different dip angles of failure slope

初始坡度較陡的邊坡破壞時傾斜角度較低，而初始坡度較緩的邊坡破壞時傾斜角度較高；比較同一坡度下的平坡與凸坡，破壞時模型槽傾角高于凸坡約2°～4°，表明凸坡較平坡容易失穩破壞。

加筋后，增強了邊坡的穩定，破壞時模型槽傾斜角度明顯高未加筋坡，一排加筋增加約3°～6°，兩排加筋增加約 6°～10°。比較一排和兩排加筋，后者高于前者1°～3°。

4 分析與討論

4.1 滑面的形態和位置

穩定性評價是邊坡工程的核心問題，對于均質土坡而言，通常認為滑動面為一曲面，在平面上一般用圓弧近似表示。然而，實際邊坡是一個三維問題，滑動面的空間分布形狀會受到許多因素影響，往往并非理想的圓柱滑面。本次試驗得到的滑面在空間上呈現橢球滑面，斷面上比較接近圓弧形；理論上的最危險滑面在坡頂位置和試驗的第1組裂縫位置基本一致，但試驗破壞位置要比理論分析更接近坡面，尤其是凸面邊坡。

4.2 模型試驗結果與實際邊坡間的關系

根據模型試驗的3個相似定律，以安全系數作為衡量標準可得，幾何相似比約為 1∶10，即模型試驗與實際高約8 m均質邊坡相對應。

另外，模型試驗是完全理想狀態，而實際邊坡不論從邊界條件、土體性質方面均與模型試驗存在一定的差異。

4.3 模型尺度的影響

模型試驗中模型尺度對試驗結果的影響較大，因此，為了盡可能地降低模型尺度效應，加大了模型尺寸、對側壁和底板進行了防滑處理等措施。具體的定量研究尚未開展。

5 結 語

（1）介紹了一個在尺寸為1 m×2 m×4 m（高×寬×長）的模型槽中制作的素土邊坡和加筋邊坡的失穩破壞過程的模型試驗。

（2）邊坡失穩破壞呈現典型的三維形態，滑面形態受坡度、坡形等因素制約，總體上呈現橢球滑面，斷面上比較接近圓弧形；理論上的最危險滑面在坡頂位置與試驗的第1組裂縫位置基本一致。

（3）滑坡沖程呈現中間大、兩端小的特點，坡度越大，最大沖程也越大，且數據的離散程度較低，比較有規律可循。

（4）在其他參數不變的情況下，凸面邊坡土體受約束的程度低于平面邊坡對土體的約束，更容易失穩破壞。

（5）加筋可以有效地提升邊坡的穩定性，破壞模式也有所改變。

（6）本次模型未埋設相關測試元件，不能夠得到相關坡體內部應力和變形等指標的變化。另外，模型尺寸也可能偏小，不能夠全面反映三維效應。

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