水位變動與坡頂加載聯合作用下邊坡破壞特性

陳天翼，王雅靚，張嘎

（清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

0 引言

我國興建了大量水利水電項目，水庫區邊坡穩定性一直是工程界的重點關注內容之一。降雨等因素導致的水庫不定期水位變化影響了水庫邊坡的穩定性，而各種人類活動、自然環境等造成的外部荷載進一步降低了邊坡的穩定性。因此，有必要對水位變化及外部荷載聯合作用下邊坡的變形破壞特性及規律進行研究，為建立合理的水庫區邊坡穩定性評價方法提供依據。目前已有學者針對這兩種荷載對邊坡變形破壞的影響進行了分別研究，并取得一定成果[1-6]。但對于這兩種荷載形式聯合作用下邊坡的變形破壞試驗尚不多見，有待深入開展雙因素對邊坡變形破壞過程的研究。

土工離心機模型試驗可通過增大慣性離心力達到與原模型變形相似、應力相等的目的，為進一步分析提供真實可靠的數據，因此成為了研究邊坡破壞機理的重要手段[7-8]。

本文采用離心模型試驗的方法，實現水位變化及坡頂荷載對土坡的聯合作用。基于試驗結果，研究水位變化與坡頂加載的聯合作用條件下土坡破壞特性，探討土坡漸進破壞機理，為建立合理的邊坡穩定性評價方法提供依據。

1 離心模型試驗

1.1 試驗設備

試驗在清華大學50g ton土工離心機上進行。離心機的有效半徑為2 m，最大離心加速度可達250g。本試驗采用模型箱內部長60 cm、寬20 cm、高48 cm。模型箱為鋁合金質地，剛度很大，自身變形可忽略不計。在模型箱長度方向一側安裝有機玻璃，透過玻璃可以觀測到試驗過程中土坡的變形破壞過程。

試驗通過電磁閥開關控制水位變化。打開電磁閥，水經導管自流入模型箱，實現水位上升。當水位上升至一定高度后，關閉電磁閥，水流不再進入模型箱，水位保持穩定。同時，試驗液壓加載設備控制坡頂荷載。其原理如圖1所示。

圖1 試驗設備原理及模型示意圖（mm）Fig.1 Schematic view of test device and slope model(mm)

1.2 試驗模型

試驗用土為粉質黏土，液限為25%，塑限為18.5%，顆粒比重為2.7。控制土的含水量為18%，干密度為1.6 g/cm3。試驗模型坡高300 mm，坡度為1.5∶1（見圖1）。為減少土坡與模型箱之間的摩擦對試驗結果造成影響，并考慮到模型箱和土坡模型的高度，在土坡底部預置40 mm的地基（見圖1）。

選用分層擊實的方法達到預定干密度。每一層土層厚50 mm，共6層，根據預定干密度算出每層土質量分別擊實。完成后，卸去模型箱長度方向一側有機玻璃，削去多余的土。同時，在土坡側面隨機嵌入白色碎瓷磚，形成隨機分布的灰度差，從而通過圖像位移相關分析實現位移測量[9]。

1.3 測量設備

測量設備包括力傳感器和位移傳感器，用于試驗過程中坡頂荷載和坡頂沉降的測量。圖像位移測量系統能夠確定試驗過程中土坡中任意一點的位移。

由于分析需要，以坡腳為原點O建立平面直角坐標系。規定x軸水平向左為正方向，y軸豎直向上為正方向（圖1）。

1.4 試驗過程

土坡模型固定在吊籃上，離心機逐漸加速至50g，每間隔10g使加速度保持在該值一段時間使土坡變形穩定。待土坡變形在50g條件下穩定后，打開電磁閥，水進入模型箱內，水位逐漸上升，直至水位達到高于坡腳25 cm時關閉電磁閥，整個水位上升過程用時約2 min（圖2）。維持該水位不變，待土坡在該水位下變形達到穩定后，開始分級施加坡頂荷載，每級增加5 kPa，直至土坡破壞（圖2）。

圖2 坡頂荷載與水位時程圖Fig.2 Vertical load on the slopetop and water level

2 破壞現象

2.1 承載特性

圖3表示了試驗中坡頂沉降的時程曲線。可以看出，蓄水階段，土坡沉降逐漸增加直至最后沉降不再變化，說明由水位變化引起的土坡變形達到穩定。之后分級施加坡頂荷載，在坡頂荷載增加的過程中，坡頂沉降繼續增大，說明坡頂荷載的增加也引起了土坡變形。

2.2 滑裂面描述

圖4（a）是試驗結束后土坡最終破壞形態的照片。通過對圖像系列的分析，可以觀察到明顯的滑裂面，可以看到滑裂面的上端與加載板的內邊界重合（圖4（b）），這是由坡頂加載的條件導致的。

圖3 坡頂沉降時程曲線Fig.3 Settlement of slope top

圖4 土坡滑裂面照片及示意圖Fig.4 Photograph and schematic view in the slope

2.3 滑裂面發展順序

為了研究土坡的漸進破壞過程，采用點對分析法[10]研究滑裂面的發展過程。沿滑裂面選取4組點對，每組點對由位于滑裂面兩側同一高程的2個點組成。選取的點對示意圖如圖5所示，其中h、p分別表示水位和坡頂荷載（下同）。圖6給出了不同點對沿所在滑裂面切向、法向的相對位移。其中ds、dn分別表示切向、法向的相對位移。從圖中可以看出，不同點對相對位移隨沉降的變化規律相似。點對的切向相對位移明顯大于法向相對位移，說明土坡的破壞形式是剪切破壞。在水位變化和坡頂加載的聯合作用下，各點對切向相對位移均隨坡頂沉降增大而增大。當坡頂沉降較小時，切向相對位移增長較慢；當沉降到達某一拐點值時，切向相對位移增長速率明顯增大，說明在這一時刻之后該處土坡出現了向下快速滑動，可以認為在這時刻此高程處局部滑裂面形成，土坡發生了局部破壞。在圖6中虛線表示不同高程的點對對應的拐點。根據坡頂沉降和荷載的對應關系可以得到不同高程發生局部破壞時相應的水位和坡頂荷載（在圖5中進行了標注）。可以看出，所選取的高程的局部破壞都發生在水位上升已經完成、增加坡頂荷載的過程中，滑裂面從坡頂附近開始形成，逐漸向土坡深處發展。

圖5 點對位置及滑裂面發展過程Fig.5 Locationsof point couplesand failure sequence

圖6 點對的相對位移時程曲線Fig.6 Relative displacement parallel and perpendicular to the slip surface,respectively

3 破壞特性分析

3.1 變形發展

為了研究土坡內的變形分布特征，圖7分析了不同高程的水平位移發展。可以看到，隨著坡頂沉降的增加，水平線上的位移也在逐漸增加。在土坡內部，土體的位移一直很小接近零，說明荷載對這一區域的影響很小。隨著逐漸接近土坡表面，點的位移開始增加，說明荷載對這一部分土體產生了影響。將不同高程對應的該點連接起來，得到一個界面，在該界面與土坡自由表面之間的區域，土體受到荷載的影響發生明顯變形，該界面命名為影響面（圖7），在圖4（b）中標出了影響面的示意圖。同時可以看到滑裂面在加載影響區內（圖7），并且在滑裂面附近土體位移迅速增長，這說明變形在滑裂面附近集中。

圖7 不同高程處水平位移的水平分布Fig.7 Horizontal distribution of horizontal displacement of slope

3.2 破壞機理

上述已經指出，在滑裂面附近變形出現了明顯的集中，可以推測土坡的破壞與滑裂面附近土體的變形局部化有關。為進一步研究土坡的破壞機理，圖8給出了該試驗不同高程水平位移差異度的發展時程。對每一個高程分析了4個不同時刻的水平位移差異度，分別是：滑裂面形成前（水位上升過程中）、滑裂面形成前（水位上升完成時刻）、滑裂面剛形成（局部破壞發生的時刻，即局部滑裂面形成的時刻）、滑裂面形成后（繼續施加坡頂荷載）。

圖8 不同高程處水平位移的差異度Fig.8 Diversity factor of horizontal displacement of slope

從圖8可以看出，當水位開始上升初期，水平位移差異度在水平線上分布均勻并且數值很小。隨著水位繼續上升，水平位移差異度隨之增加，在水平分布線上出現小的峰值凸起，說明水位的上升使得這一位置變形局部化發展。當水位保持不變后，繼續施加坡頂荷載，水平分布線上位移差異度繼續增加，峰值變得更加明顯，此時相應高程處局部破壞發生。通過與圖4（b）的對比可以看到，在影響面內側的土坡位移差異度很小，水平線上位移差異度達到峰值的位置正好是局部滑裂面出現的位置。這說明隨著荷載的作用，土坡內變形局部化發展并導致了局部破壞的發生，產生局部滑裂面。當局部破壞發生之后，坡頂荷載繼續增加，水平位移差異度繼續增長，峰值變得更加劇烈，說明局部破壞進一步促進了變形局部化的發展。也就是說，變形局部化發展使得局部破壞發生，而局部破壞進一步促進了變形局部化發展。水位及坡頂荷載聯合作用下土坡變形局部化過程和局部破壞耦合發展，導致了土坡最終發生了整體破壞。

3.3 不同區域變形分布特征

以影響面、滑裂面為界，將土坡從內至外分為基體、連動體、滑動體3個區域。為了進一步分析土坡的變形破壞特性，如圖9（a）所示，分別在不同區域內選取典型點。

隨著坡頂荷載的增加，各點的位移都不斷增長。在同一水平線上，從土坡內部到外部，點3號（基體）、2號（連動體）、1號（滑動體）的變形依次增加，并且點1號的位移明顯大于另外兩點（圖9（b））；在同一豎直線上，從土坡上部到下部依次選取點1號（滑動體）、4號（滑動體）、5號（連動體）、6號（基體），點的位移依次減小，并且滑動體內的點1號和4號的位移顯著大于另外兩點（圖9（c））。這說明，在滑動體內土體表現出了顯著的變形，而在土坡內部的基體變形很小，位于滑動體和基體之間的連動體作為過渡區域也表現出了一定程度的變形發展。

圖9 典型點水平位移的差異度Fig.9 Diversity factor of horizontal displacement of typical points in different zones

4 結語

本文采用離心模型試驗的方法，進行了在水位變動和坡頂加載聯合作用下粉質黏性土坡變形破壞試驗。基于試驗結果，可得到以下主要結論：

1）在水位上升過程中土坡的坡頂沉降不斷增加，土坡內出現變形損傷；然后施加坡頂荷載，土坡的坡頂沉降繼續增加，損傷累積增長。在這個過程中滑裂面逐漸發展，土坡發生了漸進破壞。

2）滑裂面的形成發生在水位上升已經完成、坡頂荷載增加的過程中。滑裂面從土坡上部向下部發展。土坡的破壞形式為剪切破壞。

3）在荷載的作用下，可根據不同的變形特征將土坡從內部到外部分為基體、連動體、滑動體。滑動體表現出了顯著的變形，基體的變形很小，位于滑動體和基體之間的連動體作為過渡區域也表現出了一定程度的變形。

4）變形局部化發展使得局部破壞發生，而局部破壞進一步促進了變形局部化發展。水位及坡頂荷載聯合作用下土坡變形局部化過程和局部破壞耦合發展，導致了土坡最終發生了整體破壞。

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