雙溶洞建筑邊坡變形破壞模型試驗研究

馮祖浚，祝方才，李大建

（1. 湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007；2. 深圳市太科檢測有限公司，廣東 深圳 518053）

雙溶洞建筑邊坡變形破壞模型試驗研究

馮祖浚1，祝方才1，李大建2

（1. 湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007；2. 深圳市太科檢測有限公司，廣東 深圳 518053）

以某巖溶地區建筑邊坡為工程背景，將建筑物荷載簡化為坡頂荷載，根據相似材料原理，建立上下布置雙溶洞相似材料平面應變模型；采用三階段荷載模式，即預加載模擬建筑物荷載、模擬開挖和繼續加超載直至邊坡整體破壞，研究溶洞頂板沉降、靠近坡面溶洞洞壁中部水平位移、坡體內巖體壓力和分層開挖坡面位移變化特征。研究結果表明：溶洞頂板位移在整個過程中呈增加趨勢，在第三階段出現急劇增加特征。近坡面一側溶洞洞壁中部水平位移在第一階段均呈緩慢增加趨勢；在第二階段上溶洞受開挖擾動的影響水平位移呈現急劇跳躍態勢，下溶洞水平位移突然增加而后穩定；第三階段上溶洞水平位移出現急劇增加然后跌落特征，下溶洞水平位移基本無變化。在整個試驗過程中巖體壓力呈增加態勢，且近坡面處壓力增幅較大。在第一、二階段，邊坡沿高度方向坡面水平位移呈中間大兩頭小的中鼓增加態勢，而在第三階段，坡面底部出現擠出效應而出現水平位移明顯增大特征。

溶洞；邊坡；頂板沉降；水平位移

巖溶在我國南方地區廣泛分布，巖溶空洞降低了邊坡巖體的結構強度和完整性，容易使邊坡發生局部變形破壞，甚至整體失穩。在土建工程中，需要考慮溶洞對邊坡穩定性的影響[1]。在建筑物荷載作用下，如何分析巖溶邊坡穩定性及開挖效應是有待解決的問題。有不少學者作了相關的研究，例如：高振鯤等[2]研究了地下隱伏溶洞對邊坡穩定性的影響；江學良等[3]研究了巖石地下洞室與邊坡的相互影響，建立了邊坡下伏地下巖石洞室深埋與淺埋的計算模型；劉之葵[4]研究了巖溶區溶洞及土洞對建筑地基的影響；陽軍生等[5]對溶洞上方圓形基礎地基極限承載力進行了有限元分析。溶洞的分布形式較為復雜，本文結合某房地產項目建筑邊坡，通過室內模型試驗研究建筑物荷載下邊坡變形破壞特征，以期為巖溶地區建筑邊坡施工和支護提供參考。

1 工程概況

湖南省郴州市某房地產項目建筑邊坡，位于巖溶地區，溶洞有一定程度的發育，場地和邊坡情況如圖1所示。經現場調查，選取某一典型邊坡進行研究。該邊坡有2個豎向分布大小不同近似球形的溶洞，溶腔中軟黏土局部填充，按照不同深度垂直依次分布，直徑分別約為1.9 m和3.8 m，距離坡頂分別為9.85 m和13.30 m。邊坡采用直立式開挖，開挖深度15 m，邊坡表層為0～0.4 m的殘積黏土，內部為中風化灰巖層，需要評價該邊坡的穩定性。

圖1 某巖溶建筑邊坡及剖面Fig. 1 A typical slope and a cross section with a building in karst

2 試驗模型與方法

2.1 模型材料參數設計

根據該場地巖溶地質條件，參考建筑邊坡場地地質勘查報告，中風化灰巖及相似材料物理力學參數如表1所示。

表1 中風化灰巖和相似材料物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of moderately weathered limestone and similar materials

2.2 模型尺寸及制作

根據溶洞影響范圍[6]以及邊坡開挖的深度和擾動影響來確定模擬范圍[7]。參考巖體邊坡模型試驗[8]，比例尺取1:30，模擬邊坡模型尺寸：長×寬×高= 1 000 mm×500 mm×1 000 mm，如圖2所示（圖中數據單位：mm）。

圖2 含雙溶洞建筑邊坡試驗模型示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the test model of the slope with double cavities

模型試驗箱采用10 mm厚鋼板和角鋼加工而成，模型箱內壁設置0.3 mm厚的聚四氟乙烯板，以降低邊界效應，如圖3所示。

圖3 含雙溶洞建筑邊坡模型試驗實物圖Fig. 3 Setup of model tests of building slope with double cavities

2.3 監測方法

模型試驗中主要監測位移和巖土體壓力，測試儀器包括百分表、土壓力盒和位移計。制作模型時，按照設計位置預先埋設直徑為9 mm的微型應變式土壓力盒。考慮到壓力大小和測量精度的不同，分別選取量程為0.5, 0.7, 1.0, 1.5 MPa的土壓力盒，共布置14個壓力監測點，如圖4所示（圖中數據單位：mm）。

圖4 監測點布置圖Fig. 4 Layout of monitoring points

位移監測包括溶洞頂板沉降以及臨近邊坡一側水平位移、邊坡開挖臨空面的各層測點水平位移。用量程為30 mm的百分表監測邊坡開挖臨空面各層水平位移、下溶洞拱頂沉降與溶洞臨近邊坡一側水平位移。上溶洞采用阜新福傳感器有限公司的FXg-81/ ±15 cm型直流位移傳感器（量程為±15 cm，分辨率為0.1 mm）進行位移監測。位移傳感器和百分表布置如圖5所示（圖中數據單位：mm）。

圖5 百分表及位移傳感器布置圖Fig. 5 A dial gauge and displacement sensor layout

2.4 建筑荷載模擬方法和開挖方案

模擬開挖主要研究工程開挖對含雙溶洞建筑邊坡穩定性狀的影響，模擬開挖不考慮時間效應。開挖過程中，施加靜態荷載，大小保持為10 kN。由于相似材料強度較低，采用電鉆輔助開挖，從坡頂向下垂直分為5層，總開挖高度為0.5 m，每層開挖0.1 m。預先設置開挖線，并盡量控制每層開挖面形成的基坑邊坡坡面垂直，以較好地模擬出基坑邊坡坡面。每層開挖完成后，使破碎的巖塊自然地滑落至坡腳，通過百分表的讀數變化確定變形是否穩定，然后再進行下一步開挖。

引人注目的是，該通知明確要求督查檢查主要看工作實績，不能一味要求基層填表格報材料，不能簡單以留痕多少評判工作好壞，不能工作剛安排就督查檢查、剛部署就進行考核；不搞花拳繡腿，不要繁文縟節，不做表面文章。

采用西安力創公司的微機控制同步多點加載系統，對邊坡模型坡頂逐級施加荷載。模型頂部設置長×寬×厚=565 mm×245 mm×20 mm的矩形鋼板，并在其上焊接一帶有加筋肋的50#槽鋼，如圖6所示。

圖6 模型加壓系統Fig. 6 A model pressurization system

由于基坑邊坡坡段開挖前坡頂存在建筑物荷載，為了模擬該工況，根據原型邊坡場地坡頂已存在的建筑物荷載形式和荷載大小，且不考慮建筑基礎形式的前提下，在開挖前先在坡頂施加一定等級的模擬建筑物均布荷載，根據相似原理，可求得時間相似常數。采用平面應變模型，按照相似時間進行分級預加載，預加載方案如表2所示。

表2 溶洞建筑邊坡模型分級預加載方案Table 2 Scheme of hierarchical preloading for a slope model of a building in karst

采用液壓伺服作動器向坡頂施加等效均布面荷載，每級荷載5 kN，從10 kN開始加載，加載速率為50 N/s，以模擬坡頂堆載或建筑物荷載引起邊坡變形破壞失穩的情況。

2.5 試驗過程

模型試驗分3個階段進行：第一階段，開挖前分級預加載（試驗階段編號1～6）；第二階段，分層開挖（試驗階段編號7～16）；第三階段，開挖后分級加超載直至邊坡破壞（試驗階段編號17～29），如表3所示。

表3 模型試驗不同階段描述Table 3 Model tests of different stages

3 試驗結果分析

3.1 邊坡變形破壞特征分析

試驗過程相對應各個時間階段的溶洞頂板位移變化曲線如圖7所示。

圖 7 雙溶洞邊坡模型溶洞頂板沉降曲線Fig. 7 Settlement curves of karst cave roof with a double-cavity slope model

從圖7可以看出，雙溶洞建筑邊坡開挖時，上、下溶洞頂板沉降很小，第三階段加載開始后，上、下溶洞頂板沉降逐漸增加，溶洞接近破壞時，達到最大。上溶洞頂板沉降響應特征較下溶洞明顯，且上、下溶洞分別在40 kN和60 kN先后進入變形破壞階段，加載到74 kN時，上、下溶洞頂板先后塌陷，邊坡整體失穩坍塌。

試驗過程相對應各個時間階段的臨近邊坡一側溶洞水平位移變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出，隨著開挖的進行，下溶洞臨近邊坡一側的水平位移基本沒有變化，而上溶洞臨近邊坡一側的水平位移變化較為明顯，其值先減小后增大（規定指向臨近邊坡一側位移為正），第三層開挖完成后，達到最大值約0.7 mm。開挖結束后繼續施加荷載，下溶洞臨近邊坡一側水平位移變化較小，而上溶洞臨近邊坡一側洞壁水平位移變化復雜，原因可能是電鉆輔助開挖時對上溶洞擾動較大，接近破壞時，上溶洞洞壁水平位移達到最大值。

圖8 臨近邊坡一側溶洞水平位移變化曲線Fig. 8 Curves of horizontal displacement of a karst cave near the side slope

3.2 邊坡巖體壓力分析

試驗過程相對應各個時間階段的邊坡巖體壓力變化曲線如圖9所示。

圖9 各測點圍巖壓力變化曲線Fig. 9 Pressure change curve of surrounding rocks at each measuring point

從圖9可以看出，預加載和開挖階段，邊坡上部巖層壓力變化要大于下部巖層壓力，這較好地反映了加載情況。距離溶洞越遠，溶洞水平中心軸線處的壓力變化越小；相同深度處，距離坡面越近，巖體水平壓力越大。在開挖過程中，上、下溶洞圍巖靠近邊坡附近測點（如編號3, 5, 9, 11）波動幅度較大。第三階段臨近邊坡開挖面和溶洞之間巖體水平壓力和坡腳位置水平壓力，隨荷載增大逐漸增加，接近破壞時增幅明顯。

3.3 邊坡坡面水平位移分析

邊坡坡面水平位移是在第一層開挖完成后開始監測直到邊坡破壞。試驗過程相對應各個時間階段的坡面各開挖層中點水平位移變化曲線如圖10所示。從圖10可以看出，坡面各層測點水平位移隨著坡頂荷載的增大而逐漸增大，邊坡開挖過程中，第三層坡面中點水平位移變化響應特征明顯，這表明臨近溶洞坡面的巖體結構變形較大；邊坡開挖完成后施加第三階段荷載，邊坡坡面最大水平位移出現在坡腳和臨近上溶洞頂板附近坡面，這反映了邊坡坡腳的擠出效應。

圖10 邊坡坡面各開挖層中點水平位移變化曲線Fig. 10 Curves of horizontal displacement of the middle point of each excavation layer on the slope

4 結論

根據相似理論建立了巖溶地區建筑荷載作用下雙溶洞室內試驗模型。基于超載法邊坡穩定分析模型，將室內相似材料模型試驗的加載過程分為3個階段，研究了預加載、模擬開挖和加超載過程中邊坡變形破壞特征，可得如下結論：

1）上下溶洞頂板沉降和洞壁水平位移反映了3個階段變形破壞特征，上溶洞變形破壞更為明顯，上溶洞對下溶洞具有遮擋效應；

2）邊坡坡面水平位移在預加載和開挖階段呈現中間大兩頭小的中鼓效應，而在超載破壞階段邊坡坡腳擠出效應明顯；

3）邊坡水平巖體壓力在接近破壞時坡腳處增幅明顯，與邊坡坡腳擠出效應一致。

[1]萬 文. 地下空區對邊坡穩定性的影響研究[D]. 長沙：中南大學，2006. WAN Wen. Study on the Stability of Slope Influenced by the Underground Vacant Area[D]. Changsha：Central South University，2006.

[2]高振鯤，劉瑋靜，王成鋒. 地下隱伏溶洞對邊坡穩定性的影響[J]. 山西建筑，2008，34(12)：112-113. GAO Zhenkun，LIU Weijing，WANG Chengfeng. The Influence of Underground Underlying Karst Cave on Slope Stability[J]. Shanxi Architecture，2008，34(12)：112-113.

[3]江學良，楊 慧，曹 平. 邊坡下伏地下圓形洞室的彈性應力解析[J]. 計算力學學報，2012，29(1)：62-68. JIANG Xueliang，YANG Hui，CAO Pin. Elastic Stress Analytic Solution of the Round and Underground Cavern Under Slope[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics，2012，29(1)：62-68.

[4]劉之葵. 巖溶區溶洞及土洞對建筑地基影響的研究[D]. 長沙：中南大學，2004. LIU Zhikui. Study on Effect of Cave and Cave Soil on Building Foundation in Karst Region[D]. Changsha：Central South University，2004.

[5]陽軍生，張 軍，張起森，等. 溶洞上方圓形基礎地基極限承載力有限元分析[J]. 巖石力學與工程學報，2005，24(2)：296-301. YANG Junsheng，ZHANG Jun，ZHANG Qisen，et al. Finite Element Analysis of Ultimate Bearing Capacity of Circular Footing Above Karst Cave[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(2)：296-301.

[6]張強勇，張緒濤，向 文，等. 不同洞形與加載方式對深部巖體分區破裂影響的模型試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2013，32(8)：1564-1571. ZHANG Qiangyong，ZHANG Xutao，XIANG Wen，et al. Model Test Study of Zonal Disintegration in Deep Rock Mass Under Different Cavern Shapes and Loading Conditions [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(8)：1564-1571.

[7]唐紅梅，陳洪凱，曹衛文. 順層巖體邊坡開挖過程模型試驗[J]. 巖土力學，2011，32(2)：435-440. TANG Hongmei，CHEN Hongkai，CAO Weiwen. Model Experiment in Excavation of Rock Bedding Slope[J]. Rock and Soil Mechanics，2011，32(2)：435-440.

[8]徐前衛，朱合華，丁文其，等. 直立巖質邊坡的漸進性破壞模型試驗研究[J]. 地下空間與工程學報，2010，6(1)：33-37. XU Qianwei，ZHU Hehua，DING Wenqi，et al. Experimental Study on Progressive Failure of Vertical Rock Slope[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010，6(1)：33-37.

（責任編輯：鄧光輝）

An Experimental Study on the Slope Deformation and Collapse with Double Karst Caves

FENG Zujun1，ZHU Fangcai1，LI Dajian2
（1. School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. Shenzhen Taike Test Co., Ltd.，Shenzhen Guangdong 518053，China）

With the background of slopes with building loads in karst areas, wherethe building loads are to be simplified as loads on the top, and based on similar material theory, a similar material plane strain model of double karst caves has been built, with double caves laid out from top to bottom, and a three-stage load procedure has been proposed for the preloading, simulation of slope excavation and an overloading involving slope collapse. A research has been carried out on the roof deflection(RD) of karst caves, as well as the horizontal displacement in the middle of sidewall close to the slope surface (HDMS) of double caves, the rock pressure (RP) and the horizontal displacement of layered slope surface (HDLS) formed by excavation. The research results show that: in the whole process, RD shows an increasing trend, especially with a dramatic increase at the third stage; at the first stage, HDMS show a slowly-increasing trend, with a sharp fluctuation with HDMS at the top cave at the second stage, and with a constant sharp increase with HDMS of the bottom cave at the third stage. HDMS of the top cave rises rapidly and then drops quickly, whereas HDMS of the bottom cave exhibits little change. Rock pressure (RP) is increased in the whole test process,with a more remarkable increase close to the slope surface; at the first and second stages, a slow increase trend of HDLS is exhibited in a similar parabolic form; and at the third stage, HDLS increases markedly, showing an extrusion effect at the bottom of the slope surfaceat the third stage.

Karst caves；slope；roof deflection；horizontal displacement

TU317+.1

A

1673-9833(2016)06-0007-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.06.002

2016-10-09

湖南省自然科學基金資助重點項目（13JJ2033）

馮祖浚（1991-），男，湖南懷化人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為隧道穩定性，E-mail：fengzujun@qq.com