模型試驗下的公路邊坡合位移演化分析

李雪

摘要：為了明確底部開挖對公路邊坡穩定性的影響，以梅州至平遠高速公路工程為背景，采用多步開挖的方法結合全尺寸邊坡模型進行試驗。在坡體中布置6個監測點記錄坡向及垂直位移，隨后將兩方向位移作為分量進行組合位移計算分析，并結合試驗結果進行歸納。研究結果表明：1）邊坡上部區域整體穩定，內部應力變化慢，滑坡往往由內部蠕變造成，因此上部區域合位移偏角值較為穩定，而下部區域因易受開挖影響，位移角波動顯著;2）通過對邊坡下部區域計算，其滑動面傾角理論值為30°～60°，試驗中觀測到了一致的情況，而受土體堆積作用，后期土體斷面幾乎與坡面平行。研究得到了滑坡發生前合位移的偏轉角及滑坡斷面方向變化規律，相關結果可作為預測邊坡穩定性的重要指標，對評估公路邊坡穩定性具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：巖土力學;公路邊坡;多步開挖;模型試驗;合位移

中圖分類號：TU41文獻標識碼：ADOI：10.7535/hbgykj.2021yx06011

Analysis on the evolution of combined displacement of

highway slope under model test

LI Xue

（Guangzhou Expressway Company Limited，Guangzhou，Guangdong 511458，China）

Abstract：In order to clarify the influence of bottom excavation on highway slope stability，taking Meizhou-Pingyuan highway project as the background，the multi-step excavation method combined with full-scale slope model was used for test.Six monitoring points were arranged in the slope to record the slope direction and vertical displacement，and then the two-direction displacement was calculated and analyzed as components，which was summarized in combination with the test results.The results show that：1） the upper part of the slope is stable as a whole，the internal stress changes slowly，and the landslide is often caused by internal creep.Therefore the upper combined displacement angle is more stable，while the lower area is more easily affected by excavation，and the displacement angle fluctuates significantly;2） through the calculation of the lower part of the slope，the theoretical value of the inclination angle of the sliding surface is 30°～60°.The consistent situation has been observed in the test，but due to the accumulation of soil，the cross section of the soil is almost parallel to the slope in the later stage.The deflection angle of the displacement before the occurrence of the landslide and the changing law of the direction of the landslide section are obtained.the relevant results can be used as an important index for predicting slope stability and have certain reference for evaluating highway slope stability.

Keywords：rock and soil mechanics;highway slope;multi-step excavation;model test;combined displacement

近年來，由于降雨、地震等自然災害導致的滑坡頻繁發生，造成了一定的財產損失和人員傷亡[1-2]。長期以來，一直有學者對滑坡進行監測分析[3-4]。在監測手段中，全球導航衛星系統（GNSS）是獲取滑坡表面實時三維矢量變形指標的主要技術之一，已經成為高精度監測復雜區域滑坡的通用系統[5-6]。但是，無論是從設備造價還是安裝技術方面，專業的GNSS監測設備要求較高，設備的高成本限制了其大規模應用，大部分發展中國家不可能大規模部署GNSS監測設備[7]。因此，為節約成本，基于不同類型的傳感器和物聯網技術組合成的預警系統已經用于滑坡監測和預警工作中，大規模使用的邊坡預警系統往往包括溫度傳感器、濕度傳感器、位移傾斜計和無線數據傳輸設備等[8-9]。

當坡底具備開挖條件時，主要采用位移法對邊坡變形進行監測。此時邊坡破壞的時間-位移關系存在如圖1所示的各個階段：1）位移速率相對較低的蠕變階段;2）蠕變發生時，位移速率不變的階段;3）位移速率快速增加的階段[10-12]。

HAYASHI等[13]從位移相位和位移速度2個方面研究了邊坡破壞的過程，根據邊坡破壞的試驗數據和現場實測數據計算位移速率;IWATA等[14]基于試驗，選取正位移加速度對第3次蠕變階段進行分析，但降雨條件下往往導致的坡體孔隙水壓力上升，而底部開挖往往引起的內部應力變化，此時蠕變理論并不適用。相關研究表明，在非飽和條件下，模型邊坡土層剪切應變隨體積含水量的增加或基質吸力的減小而增大，但增幅較小，之后隨著孔隙水壓的增大而增大。剪切應變與正孔隙壓力呈雙曲線關系，最大孔隙壓力在土層最深處最大，而在邊坡底部開挖或回填時候，內部應力也隨時發生改變，且較難預測[15]。SASAHARA等[16]采用地表位移監測與土體蠕變理論（應變-時間關系）相結合的方法來預測淺層滑坡的起滑時間。結果表明，隨著剪切應變或地表位移的增加，深層土體的應變增量比和位移增量比均趨于零，這意味著土層接近臨界（破壞）狀態。上述研究均表明了應變增量比和位移增量比可以預測邊坡的失穩狀態。

本研究以梅州至平遠高速公路工程為背景，在室內建立大規模邊坡模型并持續進行降雨模擬，采用多步開挖的方法進行挖掘，并記錄過程中的土體崩塌情況，記錄坡向及垂直位移，隨后將兩方向位移作為分量組合，進行合位移分析，并探究底部開挖對公路邊坡穩定性的影響。

1研究方法

1.1研究背景

梅州至平遠高速公路工程K1+215～K1+305段左側路塹邊坡從山頂經過，山坡地形稍陡，總體地勢北高向南西緩傾。山坡上植被主要有松樹、灌木、雜草等。挖方路基位置在山頂，山腳有小路與公路相通，交通條件相對較差，場區地貌屬于剝蝕丘陵地貌。邊坡長為90 m，最大坡高為23.5 m，坡腳主要集中于30°～37°。場區位于山頂位置，地勢較高，地表無長年性水流，僅在雨季有短暫地表徑流;地下水由上部土層孔隙潛水和深部基巖裂隙水組成，含水量較小，其補給來源主要靠大氣降水的入滲，排泄基準面為山坡底部的沖溝。邊坡截面圖如圖2所示。

1.2全尺寸邊坡模型和測量裝置

圖3和圖4分別是邊坡模型試驗實物圖和測量裝置圖。模型尺寸（斜面高度×監測點長度）為350 cm×400 cm。

為達到與實際勘測的邊坡尺寸相似效果，坡腳預設為30°，坡頂長度為170 cm，模型的邊坡都是用黏土制作而成的，側面應用聚乙烯板材料以降低接觸面摩擦。材料參數如表1所示。

1.3試驗過程及開挖結果

整個試驗挖掘了8次才達到了最后的崩塌效果，詳細的開挖區域以及其持續時間、破壞情況如表2所示。圖5顯示了模型邊坡各個開挖階段其側面形態。邊坡最終的破壞形態如圖6所示。

2合位移分析

在土體滑落前，垂直方向的移動并不保持一定。研究表明，土體邊坡的中部上方和左邊上部的位移不斷增加，其垂直方向的位移也隨之不斷增加。

2.1合位移與滑動面方向的關系

土體滑動面上位移和方向位移的關系如圖7所示。

本研究做了一定的簡化：一是簡化變形形態，只考慮滑動面的剪切變形;二是假設滑動面和坡面方向的移動是相同的，那么合位移R就可以由坡面方向位移S和垂直方向位移N組合得到，位移偏角α的計算公式如下：

α=tan-1NS。（1）

垂直位移dN和剪切位移dS作為分矢量組合成合位移dR。當剪切發生時，隨著dN減小，dS持續增加，土體保持不變的狀態。試驗結果顯示，dS與dR的整體方向是一致的。由于滑動面上的位移和坡面方向位移的增加，水平方向夾角（θ+α）與合位移R逐漸形成傾斜角β，即α=β-θ。

坡面方向位移與合成位移的偏角α的關系如圖8所示。

當坡面與滑面方向一致時，dR方向也與坡面方向一致，相關公式表示為α=β-θ，θ=β，α=0;而坡面與滑面方向不一致時，dR方向也與坡面方向隨之發生改變。而dN在破壞發生前往往不等于0，N的增加量計算如式所示：

ΔN=ΔS×tan α。（2）

N和S的相關變化關系如圖9所示。它們之間往往形成近似為α角傾斜的直線。如果破壞發生前傾角α為0，則可推測坡面與滑面方向一致且垂直位移不變。

2.2合位移偏角隨時間的變化

邊坡下部的合位移偏角α的時程曲線如圖10所示。橫坐標表示時間，縱坐標表示位移的偏角度數。可以看出，在8 800 s之前，左下方偏角α升降幅度顯著，在滑坡發生前逐漸變為固定值。而在7 500 s前，dS的中部及斜面右下方處偏角α變化幅度顯著，而在此之后中部下方遞減、右下方遞增。邊坡上部合位移偏角α隨時間的變化如圖11所示。

從圖11可以分析出，第5次挖掘中合位移偏角α在原來的基礎上減小了3°左右。而合位移偏角α基本無明顯升降是在22 000 s的時候，在土體滑落時，偏角α先是變小然后再是增大，最后成為固定值。

2.3坡面方向位移與合位移偏角關系

合位移偏角是隨著時間不斷變化的，在滑坡發生前尤為顯著，坡面方向位移亦隨之大幅度增加。從圖12中可以看出土體邊坡坍塌前的整個過程。圖12 a）闡述了偏角α和下方位移的關系。當其左下坡向的位移約為9.80 mm時，傾角隨之折減;而當坡向位移超過14.5 mm時，后者趨于0。對于中央下方的研究結果顯示，當其至坡向位移約為3.5 mm時，傾角呈現出先升后降的趨勢。對斜面右下方的研究結果顯示，偏角持續下降至位移約6.8 mm處時才出現平穩階段，隨后偏角持續上升直到坡面位移約15 mm處。而圖12 b）表明了偏角α和上部坡面方向位移的關系，結果顯示在上方位移約為1.0 mm處，合位移偏角α逐漸增大，增大到78°時趨于穩定，而此時位移達到了2.6 mm。在坡面方向位移到8 mm之后，合位移偏角就會變小，到最后達到一個固定數值。

綜上分析可以得出如下結論，在土體邊坡上方，偏角α是固定值，而在下方其偏角的大小會隨著坡面位移的變化而變化，沒有具體的變化函數。在整個試驗過程中，土體邊坡挖掘較為復雜且不穩定，邊坡下方在第5次挖掘時失穩滑落，這導致合成偏角α的不固定升降。而在第8次挖掘土體邊坡上方時，整個坡面受蠕變而發生滑落。這是因為土體邊坡上方的位置較為穩定，內部應力變化較慢，所以挖掘時間較長，次數較多，合成偏角α在土體坍塌前是趨于穩定的。

2.4合位移和滑動面的傾角

從對圖12 a）的分析得出，坡面左下方的傾角是18°，中部下方的傾角是15°，當坡面傾角θ=30°時，滑動面傾角β為45°～60°。第1—3次開挖時，其傾角在60°左右，與計算所得一致。第5次挖掘后，土體斷面幾乎與坡面平行，滑動面的傾角小于60°，研究分析其原因是土體崩塌后，不斷堆積造成的。

而在上部區域，滑坡發生前合位移的傾角α約為80°，而中部上方是5°，右上方是2°。將右上方與中部上方進行組合分析可知，合位移與坡向一致，其原因是滑動面的形狀突兀，左上方計算傾角為108°。

3結語

本研究以梅州至平遠高速公路工程中的邊坡施工為背景，通過對全尺寸模型邊坡多段式開挖，多點坡面方向位移以及垂直方向位移的測定分析對邊坡穩定性進行了討論，研究結論如下。

1）通過對合位移與坡面方向夾角即合位移偏角的分析可知，隨著開挖時間的增加，邊坡下部區域因為更易受開挖影響，位移角波動顯著，但未發現相關變化規律;邊坡上部區域整體穩定，內部應力變化慢，滑落往往由內部蠕變造成，因此上部合位移偏角值較為穩定。

2）邊坡下部計算得到的滑動面傾角約為30°～60°，與試驗中開挖面傾角相同，而受土體堆積作用，后期土體斷面幾乎與坡面平行。邊坡上部合位移方向與坡面方向幾乎一致，滑動面與坡面傾角相同。因此，研究發現可采用理論計算及試驗監測相結合的辦法評估不同階段的滑坡位移方向。

研究得到了滑坡發生前合位移的偏轉角及滑坡斷面方向變化規律，相關結果可作為預測邊坡穩定性的重要指標。但是因為試驗次數較少且監測范圍有限，關于諸如下部偏轉角的變化規律未能給出一定的量化分析，后期研究會增加試驗數量，擴大監測范圍，詳細分析不同降雨強度、坡腳、壓實度等條件下位移演化規律，為公路邊坡穩定性研究提供經驗支持。

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