順層邊坡開挖變形破壞特征模型試驗研究

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(盤山縣水利局 河務(wù)管理所, 遼寧 盤錦 124000)

1 概 述

在公路、鐵路、水利、礦產(chǎn)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過程中往往需要對場區(qū)周邊邊坡進(jìn)行開挖，而邊坡的開挖將給施工建設(shè)人員和場區(qū)后期的正常使用造成嚴(yán)重的影響。目前，有許多專家學(xué)者對開挖邊坡進(jìn)行了研究。裴書鋒等[1]通過聲波測試和攝影記錄對白鶴灘水電站高邊坡開挖卸荷深度進(jìn)行研究，認(rèn)為巖體卸荷主要由內(nèi)部張節(jié)理控制，研究結(jié)果對于白鶴灘電站開挖高邊坡的防護(hù)具有重要的意義。張登項等[2]使用離散元數(shù)值模擬的方法對傾角較大的順層斜坡的變形破壞模式進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明隨著開挖深度的增大，斜坡坡腳剪應(yīng)力集中，直至產(chǎn)生屈服變形，邊坡破壞。梁遠(yuǎn)祿等[3]通過有限元數(shù)值模擬的方法對一段公路開挖后的邊坡穩(wěn)定性變化進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為后期治理提供參考。胡田飛等[4]使用數(shù)值模擬手段對開挖邊坡松動區(qū)范圍進(jìn)行分析，認(rèn)為偏應(yīng)力變化異常與否的界限可作為開挖邊坡的松動區(qū)分界線，結(jié)果較為可靠。同時使用室內(nèi)物理模型試驗也是研究開挖邊坡的一個重要手段。趙建軍等[5]使用物理模擬手段對填方邊坡變形破壞過程進(jìn)行研究。車彥良等[6]對使用物理模擬對緩傾角斜坡變形進(jìn)行研究。吳謙等[7]結(jié)合物理模型試驗和數(shù)值模擬方法研究雨水對黃土邊坡的沖刷作用影響機(jī)理。

順層邊坡是一種常見的邊坡類型，影響其穩(wěn)定性的因素眾多。當(dāng)斜坡結(jié)構(gòu)中存在軟弱夾層時，人類活動一旦對邊坡進(jìn)行擾動將造成嚴(yán)重的后果，帶來不可估量的損失。本文在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，以相似理論為基礎(chǔ)，使用物理模擬試驗對邊坡變形破壞過程進(jìn)行分析。

2 工程地質(zhì)條件

研究邊坡位于遼寧省境內(nèi)，為一處順層邊坡，斜坡傾向130°～150°，傾角較陡，為35°～45°。巖層厚度變化較大，為0.2～2 m不等。坡體內(nèi)部含有多層軟弱夾層，厚度為0.02～0.05 m，較為濕潤，這些軟弱夾層是控制斜坡穩(wěn)定的主要控制性結(jié)構(gòu)面。巖體在此處結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，含有兩組與斜坡傾向斜交的節(jié)理：80°∠77°和217°∠79°。節(jié)理間距為0.2～0.5 m，節(jié)理張開位置被泥質(zhì)充填。坡體結(jié)構(gòu)相對較為破碎。

3 室內(nèi)模型試驗

室內(nèi)物理模型試驗是一種常用的方法，針對邊坡變形破壞過程的重現(xiàn)有較好的使用效果。本文使用底摩擦物理模擬試驗，研究含軟弱夾層的順層邊坡開挖變形破壞特征。

3.1 底摩擦物理模擬試驗

當(dāng)試驗?zāi)Ｐ妥銐虮r，橡膠帶對模型產(chǎn)生的摩擦力可模擬重力，可用來研究模型在重力作用下的變形破壞特征。底摩擦儀器需要滿足以下條件：可以勻速轉(zhuǎn)動的底摩擦儀器，同時可直接觀測摩擦力的大小，利于在實驗過程中隨時進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)實驗的要求，試驗儀器可以隨時啟動和停止。

3.2 試驗材料和模型相似比的確定

通過收集資料[8-9]，確定試驗材料(基巖)配比(表1)，軟弱夾層用錫箔紙來代替。

表1 試驗材料配比

將現(xiàn)場原始邊坡和室內(nèi)物理模型之間相同量綱的物理量的比值稱為相似比，用字母P來表示。其中Pl為長度相似比，Pγ為容重相似比，Pu為位移相似比，Pσ為應(yīng)力相似比，PσP為抗壓強(qiáng)度相似比，Pσt為抗拉強(qiáng)度相似比，Pε為應(yīng)變相似比，PE為彈性模量相似比，PP為內(nèi)聚力相似比，Pφ為摩擦角相似比，Pμ為泊松比相似比，Pf為摩擦因數(shù)相似比。

在相似原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合彈性力學(xué)方程可以求出相似判據(jù)為：Pσ=PE=PP=PσP=Pσt；Pu=Pl；Pσ=PγPl；Pφ=Pf=Pε=Pμ=1。結(jié)合多方面原因，確定室內(nèi)模型與現(xiàn)場原型線性比例為Pl=100，相似材料容重比為Pγ=1.5。根據(jù)上述判據(jù)得知：Pσ=PE=PP=PσP=Pσt=150，Pu=Pl=100。

3.3 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

現(xiàn)場實際邊坡高30 m，試驗?zāi)Ｐ瓦吰赂邽?0 cm，現(xiàn)場設(shè)計邊坡開挖高度4.5 m，模型開挖高度為4.5 cm。巖層傾角為40°。設(shè)計試驗?zāi)Ｐ鸵妶D1。

圖1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

4 試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

4.1 試驗步驟

1) 試驗儀器檢驗。首先將儀器打開，檢查儀器是否能保持穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)，摩擦力測試儀能否正常使用，是否可以隨時控制啟停和轉(zhuǎn)速等。

2) 按照試驗材料配比配制合適質(zhì)量的材料，均勻鋪設(shè)至底摩擦試驗儀表面，打開試驗儀器，對鋪設(shè)好的模型進(jìn)行壓實處理，然后停止儀器，對模型邊坡進(jìn)行開挖處理。

3) 打開試驗儀器，使用數(shù)碼設(shè)備對實驗過程進(jìn)行拍攝處理，直至邊坡破壞，關(guān)閉實驗儀器，處理試驗材料。

4.2 試驗現(xiàn)象分析

模型變形破壞過程見圖2。

圖2 模型變形破壞過程

當(dāng)試驗開始進(jìn)行以后，首先在斜坡坡腳位置出現(xiàn)變形，坡腳向臨空面方向產(chǎn)生滑動，在斜坡中部(約為現(xiàn)場位置1 7 m處)，出現(xiàn)拉張裂縫，寬度為2～5 mm(對應(yīng)現(xiàn)場實際寬度為20～50 cm)，此時邊坡已經(jīng)產(chǎn)生較大的變形，但并未破壞，見圖2(a)。隨著試驗的不斷進(jìn)行，邊坡中后部(對應(yīng)現(xiàn)場位置為25 m處)產(chǎn)生變形破壞，寬度為0.5 cm(對應(yīng)現(xiàn)場寬度為0.5 m)，在斜坡中部(約為現(xiàn)場位置17 m處)的拉張裂縫增大，此時可達(dá)到1 cm(對應(yīng)實際邊坡約為1 m)，見圖2(b)。在試驗的最后階段，斜坡整體產(chǎn)生破壞，在模型坡頂位置，產(chǎn)生階梯狀陡坎，斜坡破壞見圖2(c)。

4.3 試驗結(jié)果分析

通過對試驗現(xiàn)象的分析，斜坡的變形破壞主要是由坡腳產(chǎn)生變形并不斷向后延伸的整體性破壞。圖2(c)模型破壞后，后緣存在的陡坎表明，斜坡雖然為整體破壞，但是每個軟弱夾層之間仍然產(chǎn)生了相對的錯動。斜坡的變形破壞并不是完全以最底層的軟弱夾層為滑動面，最底層的軟弱夾層控制了斜坡產(chǎn)生最終破壞的范圍，其上的軟弱夾層控制了各層巖體之間的相對滑動。

斜坡的破壞主要是由于對坡腳進(jìn)行開挖，形成良好的臨空條件。由于斜坡巖體結(jié)構(gòu)較為破碎，有利于雨水的入滲，斜坡存在軟弱結(jié)構(gòu)面，遇水強(qiáng)度較低，在雨水的匯集下，極容易產(chǎn)生破壞。

5 結(jié) 論

1) 開挖公路造成坡腳形成良好的臨空條件是斜坡產(chǎn)生破壞的主要原因。開挖擾動造成坡面松動，加速了雨水的入滲，引起邊坡破壞。

2) 根據(jù)模型試驗可以得出，開挖出露的底層軟弱夾層控制了斜坡產(chǎn)生破壞的范圍，其上的軟弱夾層之間也產(chǎn)生了相對錯動，斜坡的破壞模式為由下至上的漸進(jìn)整體破壞。

3) 在順層邊坡開挖時，應(yīng)降低邊坡開挖的高度，盡量少出露軟弱夾層，同時需要做好坡面防水措施和提前做好支護(hù)措施。