巖土工程專業(yè)綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

楊偉峰, 劉　歡, 顧春生, 夏筱紅, 于宗仁

(1. 東華理工大學(xué) 江西省數(shù)字國(guó)土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌　330013;2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州　221116)

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巖土工程專業(yè)綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

楊偉峰1,2, 劉歡2, 顧春生2, 夏筱紅2, 于宗仁2

(1. 東華理工大學(xué) 江西省數(shù)字國(guó)土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌330013;2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州221116)

結(jié)合野外工程實(shí)際環(huán)境和需求,利用實(shí)驗(yàn)室可調(diào)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì),兼顧室內(nèi)和野外特色,以分析研究邊坡穩(wěn)定性的影響因素為著眼點(diǎn),進(jìn)行綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。通過模型化尋參、調(diào)參監(jiān)測(cè)基本參數(shù),探索了降雨與切坡條件下邊坡性狀的變化與穩(wěn)定性。由模擬實(shí)驗(yàn)條件與工程實(shí)際相結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn),同樣可獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用的工程性質(zhì),而且較高分辨率的模型實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì),更有助于達(dá)到精準(zhǔn)目的。

綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)； 巖土工程； 模型實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,傳統(tǒng)野外工程實(shí)踐設(shè)計(jì)逐漸與室內(nèi)模型化設(shè)計(jì)和模擬實(shí)驗(yàn)并行,室內(nèi)模擬可以提供更多可能的實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)[1-3],而實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精確性與可調(diào)節(jié)性是關(guān)鍵。巖土工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有應(yīng)用廣泛性和工程實(shí)用性,加大綜合性、設(shè)計(jì)性與探索性,將實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)一步優(yōu)化整合,通過創(chuàng)新多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提高學(xué)生思考與解決問題的能力[4]。教師或師生共同擬定綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目與綱要,給出實(shí)驗(yàn)方向[5-7]。本文以綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為著眼點(diǎn),以若干邊坡穩(wěn)定性的影響因素實(shí)驗(yàn)研究為例,探索降雨與切坡條件下邊坡性狀變化與穩(wěn)定性監(jiān)測(cè),將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與工程實(shí)際相結(jié)合,提高學(xué)生的綜合分析、理解和解決實(shí)際問題的能力。

1　降雨對(duì)邊坡性狀影響實(shí)驗(yàn)

1.1模型設(shè)計(jì)

以四川某邊坡為研究對(duì)象,該邊坡為坡積物沿下部緩傾角基巖面滑動(dòng)的順層土質(zhì)推移式滑坡,采用物理模型模擬觀測(cè)降雨影響下邊坡的穩(wěn)定性。坡體實(shí)際長(zhǎng)600 m,坡高120 m。依據(jù)相似理論[8],模型取幾何相似比1∶300,采用帷幕式模型箱,箱體內(nèi)鋪設(shè)相似材料。試驗(yàn)材料選擇黏土、砂、石灰、石膏與碎石的混合材料,所建模型坡體長(zhǎng)2 m,高0.4 m,寬0.8 m。

1.2模型監(jiān)測(cè)

根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)計(jì)并制作了降雨裝置[9]。降雨系統(tǒng)主要包括水源、增壓泵、水管、連接裝置、噴頭。模擬的雨水降落在模型表面后,一部分向坡體內(nèi)入滲,一部分沿坡面流出,如圖1(a)所示。為監(jiān)測(cè)邊坡性狀,坡體表面架設(shè)百分表,相機(jī)實(shí)時(shí)記錄變化情況。

圖1　降雨初期坡面及邊坡裂隙發(fā)展

1.3邊坡性狀分析

1.3.1滑坡發(fā)展過程

降雨初期,大量水體沿坡體表面流走,部分水流滲入坡體,坡體顏色逐漸加深。隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行,由于表面水流的持續(xù)沖刷,5 min 10 s(降雨量0.1 m3)時(shí)坡面出現(xiàn)淺層沖蝕,并逐漸加深形成小沖溝。在滲入坡體內(nèi)部水體的影響下,內(nèi)部土體逐漸軟化,由于滑帶土體松散,親水性強(qiáng),水體沿土粒間裂隙滲透。7 min 32 s(降雨量0.15 m3)時(shí),在坡腳處觀察可見坡體內(nèi)及坡底與模型箱接觸面有水流滲出。此現(xiàn)象表明,雨水入滲在坡體內(nèi)已形成滲流路徑。此階段邊坡的破壞形式主要為由于沖蝕形成的邊坡局部的淺層破壞。降雨50 min 06 s(降雨量1.00 m3)時(shí),坡腳處土體開始發(fā)生塌落,但以小規(guī)模塌落為主,邊坡整體并無(wú)明顯變化。此階段為邊坡拉裂——蠕滑階段。

由于坡腳遭受破壞,坡體下部臨空而失去支撐,抗滑阻力逐漸減小,邊坡變形破壞增大。降雨1 h 08 min 20 s(降雨量1.37 m3)時(shí),斜坡坡面上距坡頂約1.0 m處,沿坡體與模型箱接觸處開始出現(xiàn)蜂窩狀凹坑。隨降雨持續(xù),凹坑逐漸擴(kuò)大、加深,直至露出滑面層并沿坡面向下發(fā)展成為沖溝,且坡體左右兩側(cè)沖溝大小形狀相似呈對(duì)稱分布。降雨使坡面不斷遭受沖刷,坡面沖溝加深,坡腳塌落,土體規(guī)模由小逐漸增大。隨著坡腳侵蝕塌落現(xiàn)象的加重,坡腳產(chǎn)生一個(gè)小的階梯狀弧面,在弧面影響下,坡體中部形成一個(gè)拉裂面。拉裂面附近坡體破壞嚴(yán)重,并最終發(fā)展成為大規(guī)模整體滑坡,直至邊坡完全破壞。

1.3.2邊坡裂縫的演變

裂縫的產(chǎn)生及發(fā)育是邊坡模型最終發(fā)生滑坡的關(guān)鍵因素,如圖1(b)所示。

裂縫的發(fā)展隨著滑坡發(fā)育過程由淺到深、由少到多,是一個(gè)量的積累過程,最終形成由坡體表面貫通到邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面的裂隙。降雨初期,雨水滲入坡體速度顯著低于在坡面形成徑流的速度,表面土體的飽和度大于坡體內(nèi)土體,故表面土體首先飽和并逐漸往坡體內(nèi)發(fā)展。由于雨水對(duì)土體有著軟化作用,土體抗剪強(qiáng)度弱化速度加快,最終小于剪切應(yīng)力,導(dǎo)致坡體后緣產(chǎn)生拉裂,坡頂裂隙形成。降雨增加了坡體重度,坡體下滑力增加,滑體沿坡面下滑趨勢(shì)增加,同時(shí)坡頂裂隙的產(chǎn)生發(fā)育為雨水的深入入滲提供了通道。坡腳處逐漸塌落臨空,坡體抗滑力降低,在坡頂和坡腳變化的帶動(dòng)下,坡面出現(xiàn)微裂隙。隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行,微裂隙繼續(xù)發(fā)展,形成貫通坡面的拉裂面。

在數(shù)量上,裂縫數(shù)量由少增多。降雨初期在坡頂處開始發(fā)育第一條裂隙,長(zhǎng)約5 cm,深度較淺。到降雨中期,裂縫數(shù)目增加至5條,分散在坡頂及坡腳各處,長(zhǎng)者達(dá)40 cm,深約0.5 cm,短者長(zhǎng)約3 cm。降雨后期由于坡體發(fā)生滑移,坡頂及坡肩處產(chǎn)生大量裂隙,裂隙數(shù)目遞增至約30條,加速了滑坡的發(fā)生。

2　降雨邊坡的FBG監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

模型試驗(yàn)?zāi)M某含軟弱夾層的順層巖質(zhì)邊坡。依據(jù)相似原理,巖石的節(jié)理裂隙發(fā)育可以通過控制試塊尺寸大小來(lái)加以近似模擬[10]。模型箱與降雨系統(tǒng)[11]同上,采用布拉格光纖光柵(FBG)傳感器排布于軟弱層體內(nèi)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與模型鋪設(shè)如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與模型鋪設(shè)

上層FBG監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示。以上層FBG部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例,測(cè)點(diǎn)1、2、3均受拉,其趨勢(shì)隨著時(shí)間增加應(yīng)變呈上升狀態(tài),逐漸趨于穩(wěn)定。由于降雨過程初期雨量入滲,邊坡表層上部巖石、巖體逐漸受拉應(yīng)力作用,測(cè)點(diǎn)2、3位置應(yīng)變變化較大,初期降雨可能已經(jīng)造成巖土體強(qiáng)度降低,部分破壞。其中測(cè)點(diǎn)2應(yīng)變值最大,處于滑坡的滑面破壞入口下方附近,兩側(cè)巖土體產(chǎn)生拉裂,拉動(dòng)光纖,出現(xiàn)明顯的相對(duì)位移,造成測(cè)點(diǎn)2處應(yīng)力增大；而測(cè)點(diǎn)1位于滑坡滑面破壞口上方附近,雖有拉動(dòng),但應(yīng)變值較小。

圖3　軟弱層體內(nèi)FBG傳感器變化

3　切坡影響下邊坡穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

以某順層土質(zhì)邊坡在荷載及切坡影響下的穩(wěn)定性為研究目標(biāo),模型實(shí)驗(yàn)在一個(gè)硬質(zhì)鋼化玻璃箱內(nèi)展開,刻畫間隔為10 cm的網(wǎng)格,用來(lái)比對(duì)、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。邊坡總體模型長(zhǎng)120 cm,寬45 cm,高100 cm,滑坡滑面設(shè)計(jì)高80 cm,長(zhǎng)100 cm,邊坡土體的坡形高90 cm,長(zhǎng)90 cm。模型設(shè)計(jì)與土壓力傳感器埋設(shè)如圖4所示,采用DT500智能可編程數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,監(jiān)測(cè)加載及開挖切坡影響下邊坡土體的穩(wěn)定性。

圖4　邊坡模型設(shè)計(jì)

在坡頂逐級(jí)進(jìn)行加載,每次加載20 kg,加載到120 kg時(shí)進(jìn)行切坡。豎向切坡水平距離為5 cm。當(dāng)切至坡腳水平距離20 cm左右時(shí),邊坡失穩(wěn)發(fā)生滑動(dòng),發(fā)生迅速,如圖5所示。加載及切坡過程中,壓力計(jì)變化如圖6、圖7所示。

圖5　邊坡切坡失穩(wěn)

圖6　加載階段壓力計(jì)變化

圖7　切坡階段壓力計(jì)變化

見圖6,壓力計(jì)1由于處于荷載正下方,隨著荷載的不斷增加,壓力值逐漸增加；壓力計(jì)2與3埋設(shè)位置距離荷載較遠(yuǎn),僅有稍微增幅。見圖7,在切坡過程中,由于下方土的擾動(dòng),壓力計(jì)3位于坡腳,上部土體被挖除,壓力有所減小；壓力計(jì)1基本保持不變；壓力計(jì)2受到開挖影響,邊坡穩(wěn)定性減小,有逐漸向下滑動(dòng)的趨勢(shì),使得下滑力增加,壓力值有一定增幅。經(jīng)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算,加載后切坡20 cm邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

4　結(jié)論

(1) 通過邊坡綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)案例,探索了降雨與切坡條件下邊坡性狀變化與穩(wěn)定性的問題,學(xué)生由此具備了運(yùn)用模型實(shí)驗(yàn)解決工程實(shí)際問題的能力,對(duì)鞏固學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)有很大幫助。

(2) 本科綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究,不僅要發(fā)掘?qū)嶒?yàn)本身的科學(xué)理論知識(shí),更重要的是與實(shí)踐應(yīng)用相聯(lián)系,同時(shí)集思廣益,發(fā)揮團(tuán)隊(duì)作用,重視學(xué)生之間的交流協(xié)作,有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和創(chuàng)新能力、探究精神和創(chuàng)新思維能力。

References)

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Exploration and practice on comprehensive design experimental teaching of Geological Engineering specialty

Yang Weifeng1,2, Liu Huan2, Gu Chunsheng2, Xia Xiaohong2, Yu Zongren2

(1. Jiangxi Province Key Lab for Digital Land, East China University of Technology,Nanchang 330013, China;2. School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116,China)

Combined with field engineering environment,using advantages of adjustable design experiments in the laboratory,a few examples of comprehensive design experiments are undertaken. Taking into account the characteristics of laboratory experiments and field engineering,these experiments analyzed the influential factors of slope stability. Through modeling,seeking,adjusting and monitoring basic parameters,the characteristic changes and stability of slope under rainfall and cut slope conditions were explored. Thereby,combined with the experimental conditions and the engineering practice,the comprehensive experiment can get on-site practical engineering properties. The experimental conditions of high-resolution model also help achieve precise purpose.

comprehensive design experiment; geological engineering; model experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.037

實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

2016-02-25

江西省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(JXYJG-2015-100)；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革與建設(shè)課題項(xiàng)目(2013G17)

楊偉峰(1974—),男,內(nèi)蒙古赤峰,博士,教授,從事巖土工程、工程地質(zhì)與災(zāi)害地質(zhì)專業(yè)方向的教學(xué)與科研.

E-mail：yangwf888@163.com

G642.0

A

1002-4956(2016)9-0144-03