超載作用下含砂礫石成層邊坡失穩模型試驗研究

吳 標，劉 浩

(1.湖南高速工程咨詢有限公司 長沙市 410000； 2.中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司 長沙市 410000)

隨著我國基礎建設的飛速發展，施工中遇到的復雜情況也越來越多，比如含砂礫石成層邊坡較為常見，但針對該類邊坡的研究較少，現場設計、施工時常將其視為均質邊坡對待，與工程實際差別較大[1-3]。而此類邊坡失穩造成的后果比較嚴重。比如北京市朝陽區某基坑在開挖后坡腳被水浸泡變軟，由于存在的砂礫石層變形特點為脆性破壞，導致在土壓力集中作用下發生了突然垮塌[4]。

盡管國內外有許多專家學者對邊坡問題進行研究[5-6]，但對于含砂礫石成層邊坡的破壞機理和穩定性的研究較少。在實際的施工設計中，由于相關文獻的缺少，常將該類邊坡當做均質邊坡進行分析，結果造成理論值常與實際現場情況相差較大[7]。為了解決相關問題和為防治該類邊坡造成的災害提供依據，就必須了解含砂礫石成層邊坡的工作性狀，有必要開展相關研究。因此，通過模型試驗[8]，對超載作用下含砂礫石成層邊坡的破壞模式、位移變形特征等進行研究，為含砂礫石成層邊坡的穩定性研究奠定基礎。

1 試驗概述

1.1 試驗方案設計

室內試驗按照1∶1的坡度比制備模型，模擬坡高100cm，將寬度為50cm的均布荷載作用于坡頂。此次一共選用6組試驗方案(如圖1所示)，通過模擬砂礫石層所處位置的不同及厚度的變化來研究砂礫石層厚及地層埋深對邊坡破壞型式及極限承載力的具體影響。

圖1 試驗方案圖

1.2 試驗裝置

模型箱：箱內正中位置設置分隔槽(分隔槽作用：安放格擋)，將其分隔出一個內槽。內槽周圍均由2cm鋼板和加勁肋構成，在其約束下，土體在槽內側位移可以忽略不計，可將其視為絕對剛性結構。模型槽本身在試驗過程中幾乎無變形，用螺栓將模型槽底板與結構試驗室內地面連接，使模型槽在試驗過程中不會產生豎直方向的移動，試驗箱如圖2所示，模型箱與內槽規格如表1所示。

圖2 試驗模型箱

表1 試驗裝置規格

加載裝置：試驗采用50t液壓千斤頂進行加載，采用100cm(長)×5cm(厚)×50cm(寬)的矩形鋼板作為加載板。槽內模型上部自帶工字鋼為加載反力梁，在反力梁和千斤頂中間設置壓力傳感器。設備具體布置如圖3所示。

圖3 試驗加載裝置

測試設備：試驗過程中為了獲取邊坡的位移、變形，須設置一個百分表在加載板上以便記錄坡頂沉降，同時須在每個土層分界位置處布置兩個百分表分別記錄坡面水平位移和垂直位移，布置示意圖如圖4所示。

圖4 百分表位置示意圖

1.3 試驗材料制備

首先從工地實地取樣，根據相關規范[9-10]，對取回來的土樣進行2～3d靜置、碾碎、再靜置風干；然后根據試驗要求進行篩分、儲藏、制備。通過室內物理常規試驗獲取土樣的基本物理性質，試驗內容主要包括以下幾項：土顆粒比重試驗、土樣擊實試驗、三軸圍壓試驗、土的液塑限試驗，得到的主要成果如表2所示。

表2 常規試驗結果

1.4 試驗步驟

試驗按照模型填筑(圖5)、土體壓實度測試、試驗設備安裝、模型加載、模型對半開挖的順序開展，開展過程中實時記錄數據，并進行匯總獲得完整的試驗結果。

圖5 邊坡填筑圖

2 試驗結果分析

2.1 位移分析

2.1.1頂面沉降

均布荷載作用下六組試驗方案的荷載與頂面沉降曲線如圖6所示。

圖6 荷載-頂面沉降曲線匯總圖

從曲線的整體變化趨勢得出，區分兩個界限荷載(見表3)，在坡頂荷載增加作用下，曲線基本經歷壓密變形、局部剪切和整體破壞三個階段[11]。從圖6得知第一階段荷載-沉降曲線呈彈性變化。此時模型材料中的孔隙在頂面載荷的作用下被壓密，產生變形，導致坡頂沉降；在第二階段隨著均布荷載的增加，坡頂沉降增長速率較第一階段略有增加，荷載-沉降曲線呈平緩曲線型，加載板后緣附近有裂縫產生，判定模型處于局部剪切破壞階段；在第三階段，施加的坡頂荷載大于模型的極限荷載(界限荷載2)，此時模型的荷載-沉降曲線急劇變化，坡頂沉降速率迅速增大，并且坡面明顯可見大范圍裂隙，模型整體破壞，無法繼續承受頂面荷載。

表3 界限荷載

此外通過對比可以發現：隨著砂礫石層的下移以及厚度的減小，模型的極限荷載逐步增加，最大沉降值逐步減小，表明模型穩定性更好。

2.1.2坡面位移

此外通過整理試驗數據得到不同試驗方案下的坡面位移分別如圖7～圖12所示。

圖7 A-1位移-荷載曲線圖

圖8 A-3位移-荷載曲線圖

圖9 A-5位移-荷載曲線圖

圖10 A-2位移-荷載曲線圖

圖12 A-6位移-荷載曲線圖

圖7～圖12中，用2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#對應圖4表示的百分表，百分表垂直距離為20cm，水平距離為28.28cm，其中3#百分表布置在砂礫石層底面與土層的接觸面部位，2#百分表布置在砂礫石層頂面與土層接觸面部位。

通過總結六個試驗方案的位移-荷載曲線圖發現，6#、7#、8#、9#、10#測點在低荷載區段水平位移均隨荷載的增加呈現線性增長，隨著荷載繼續增大水平位移值增加速率突增，位移變化速率急劇增加，坡面出現大范圍開裂現象，邊坡失穩破壞，無法承受荷載。2#、3#、4#、5#所測得的數值發展趨勢幾乎一致，低荷載區段坡面位移值幾乎無變化，變化程度基本一致，隨著荷載繼續增大，位移明顯變大，同時可知砂礫石層與土層頂底面部位的測點的沉降數據變化程度最大。同等條件下，測點數值變化值隨著距坡頂距離的增大而減少。

2.2 滑動面分析

加載使得邊坡發生破壞后進行開挖，利用數碼相機和游標卡尺對破壞滑動面進行精確測量。將測量數據、照片用軟件擬合之后得到的破壞面如圖13所示。

圖13 破壞滑動面圖

通過分析破壞滑動面圖發現，含砂礫石成層邊坡在坡頂荷載作用下失穩破壞模式均為局部剪切破壞，滑動面為圓弧+直線型。砂礫層距坡底為邊坡高度2/3以上時，破壞面位置為砂礫層底與土層交界面；砂礫層距坡底為邊坡高度2/3以下時，坡面水平向最大位移出現在距離坡底2/3以上土層分界面處。

3 結論

通過建立含砂礫石成層邊坡試驗模型，通過室內試驗主要得出以下結論：

(1)坡頂均布載荷作用下，砂礫石成層邊坡失穩破壞模式均為局部剪切破壞模式，滑動面近似為圓弧+直線型。

(2)在施加同等載荷的情況下，邊坡的豎直方向和水平方向最大位移會著模型的砂礫石層厚度減少而減小；隨著砂礫石層與坡底之間的距離增大而增大。邊坡坡比和荷載作用面積的增大，都會導致邊坡最大位移的增大。在加載過程中，坡面豎向位移在加載中心處最大，其余各測點在加載過程變化趨勢基本一致，均較小，直至模型破壞時其最后累積值較少。

(3)砂礫層位于邊坡高度2/3以上時(距坡底)，破壞面剪出位置為砂礫層底與土層交界面，當砂礫層位于邊坡高度2/3以下時(距坡底)，坡面水平方向最大位移出現在距離坡底2/3以上土層分界面處。

(4)砂礫石成層邊坡的極限承受荷載值隨砂礫石層厚度減少而增加，也隨砂礫石層距離坡頂的距離增大而增加。