挖方邊坡變形機制的離心模型試驗

柯鑒 鄧琴 荀利明 蔣文鵬 武松

摘要 依托小磨高速公路的K110+295～K110+410段挖方邊坡，基于自重情況下的土坡離心模型，觀察邊坡的破壞過程，并記錄坡表關鍵點的位移變化情況，探討挖方邊坡的變形機制及破壞機理。結果表明：在自重的作用下，挖方邊坡的坡頂首先出現裂縫，隨后向坡內擴展，同時坡內產生多條裂縫，最終邊坡沿著土體與基巖接觸面以近似圓弧滑面剪出，表現為以剪切破壞為主的剪切-拉裂組合破壞模式。邊坡的破壞過程根據坡表監測點的位移變化規律可以分為相對勻速變形階段、加速變形階段和破壞后階段。最后采用數值模擬獲得的位移場和最大剪應變分布圖驗證了模型試驗的合理性。

關 鍵 詞 挖方邊坡;心模型試驗;值仿真;切-拉裂破壞

中圖分類號 TU 457? ? ?文獻標志碼 A

Abstract Based on the Centrifuge model test，the deformation mechanism and failure characteristics of excavated slope on the k110+295～k110+410 of XiaoMo highway has been studied.During the model test，the failure process of the slope was observed and the displacement of key points was recorded.It shows that the top of the slope appears the crack firstly，and then it expands into interior.At the same time，many cracks occur in the slope.Ultimately，the slope is cut out along the interface of soil and bedrock with an approximate circular slip surface.Slope failure is characterized by shear-tension failure dominated by shear failure.The failure process can be divided into the relatively uniform deformation stage，the accelerated deformation stage and the post-failure stage.Finally，Numerical test has been studied to verify the validity of model test by displacement field and maximum shear strain distribution map.

Key words excavated slope;centrifugal model test;numerical simulation;shear-tension failure

公路的施工過程中不合理的開挖，將會使得原始邊坡的穩定性遭到破壞，從而導致邊坡變形失穩。近些年來，隨著我國國民經濟的發展和國家戰略計劃的實施，高速公路建設快速發展，開挖導致的滑坡災害發生頻繁，因此挖方邊坡的變形機制越來越受到關注。目前大量研究集中在開挖過程對邊坡的穩定性影響[1-9]，然而，大量工程實踐證明，邊坡在開挖的過程中是穩定的，在開挖完之后一段時間開始出現顯著變形，最終發生滑坡。這類邊坡的穩定性除了開挖擾動以外，坡面形態和滑帶參數劣化是主要影響因素。盧坤林等[10]通過對300個失穩邊坡資料統計分析，得出了坡面形態對邊坡穩定性影響的初步結論。目前來說，挖方邊坡的變形機制未得到明顯關注。

土工離心模型試驗利用離心機的離心力模擬重力，結合相似準則將原型幾何形狀縮小，并采用相同性狀的土體制成模型來研究工程形狀的一種測試技術。因模型試驗能再現土體的自重應力場以及與自重有關的變形、發展直至破壞全過程，因此得到了廣泛應用[11]。離心模型試驗被廣大科研學者認為是目前相似性最好的試驗手段[12]。目前對于土坡變形機制的研究多是自然坡或者人工擬定的邊坡[12-14]，鮮見挖方邊坡的變形機制研究。本文以小磨高速公路K110+295～K110+410段挖方邊坡為原型，基于長江科學院CKY-200土工離心機，結合該區域地質概況，采用室內配比材料，模擬挖方邊坡的變形破壞過程，揭示變形規律及機制。最后采用數值模擬驗證模型試驗的合理性。

1 工程概況

小磨高速公路是國家高速公路網G85重慶—昆明公路的聯絡線G8511昆明—磨憨（口岸）的末段，其中13標的K110+295～K110+410段邊坡位于線路右側，深挖方長度約115 m，中線最大挖深約14.24 m，形成邊坡最大高度約48.6 m。該深挖方于2015年10月開始開挖施工，開挖到一級邊坡后，2016年01月17日凌晨2時，K110+295～+410段右側山體在沒有下雨的情況下發生大面積山體滑坡，開挖坡口線邊距51.5 m，坡口線內移約7 m，滑塌裂縫線寬約1.5～3 m，滑塌裂縫邊距約81.2 m，裂縫錯臺高度約2～10 m，如圖1所示。坡體后緣裂縫如圖2。

滑動面多位于強風化砂礫巖與強風化泥質粉砂巖的不整合接合面處。強風化砂礫巖孔隙發育，富水性強;強風化泥質粉砂巖孔隙性較差，具相對隔水性。

2 模型試驗方案

本試驗采用長江科學院CKY-200土工離心機設備，如圖3所示。該設備有效容量200g·t，最大加速度200g，調速精度0.1g;有效半徑3.7 m;吊藍凈空尺寸1.2 m×1.0 m× 1.5 m;模型箱尺寸（長×寬×高）1.0 m×1.0 m×1.0 m、1.0 m×0.4 m×0.8 m兩種，適應多種相似比的模型試驗需求。

2.1 試驗模型尺寸

選取K110+370橫斷面圖為原型，采用相似比N=80g進行模型的制作。模型高度為75 cm，對應原型高度為60 m，邊坡上部坡比為1∶1.6，下部坡比約為1.1∶1。由于現場工況模型土體的復雜性與不確定性，模型試驗中將邊坡巖土體材料概化為兩層，即滑動面上部和下部，模型概化圖如圖4所示。

2.2 模型材料

為更為真實的模擬現場原土體的材料參數，選擇適宜的土體材料參數成為模型試驗的首要前提。土體初步采用黃土與中粗砂混合，按照干樣質量比分別為10∶0、7∶3、6∶4和5∶5的比例混合，控制混合樣干密度為1.95 g/cm3，并設置不同的含水率，測定不同配合比及含水率下材料強度指標。經綜合比對后，采用黃土∶中粗砂 = 7∶3配比，制樣含水率控制為15%，制樣干密度為1.95 g/cm3，按擊實度100%擊實來進行土體制作。基巖的模擬采用重晶石和水泥按照重晶石粉∶水泥∶石灰 = 1∶1.21∶1.28的比例進行混合澆筑，模擬現場基巖面，同時模型試驗中忽略邊坡基巖的變形。土體參數如表1所示。

2.3 監測項目

本次試驗模型的主要監測項目包括坡體表面位移和坡體斷面位移。1）坡體表面變形：在坡體表面布置5個監測點，采用激光位移傳感器來監測坡體表明的變形情況。其中LDS1、LDS2、LDS3和LDS5位于坡表，LDS4位于坡腳。有效量程為30～80 mm，測量精度為0.01 mm。2）坡體斷面位移：通過邊坡斷面分層布設變形標示點，離心機運行中采用高速攝像系統拍攝斷面照片，運用GetData Graph Digitizer、Excel 軟件提取數值并生成不同階段滑坡模型的位移矢量圖。模型斷面標點鋪設和激光傳感器布置如圖5所示。需要注意的是，這里側面標記點只是示意，其具體布置見圖6d）。

2.4 模型制作

首先在模型玻璃箱一側玻璃板上劃上基巖與滑體的分層線，并繪制滑坡的輪廓線，作為分層擊實與削坡的依據;根據上述材料配比制作模型材料，將材料按照設定的濕密度稱量，5 cm一層，分層導入模型箱，按設計好的壓實度進行擊實，分層鋪設標記點，拍照并記錄每層土樣質量。需要注意的是，每一層擊實之后采用鋼尺進行表明劃毛處理，保證層與層之間密實接觸。最后按照輪廓線進行削坡，并在表面布置傳感器。模型示意圖如圖6所示。

2.5 試驗過程

將制備好的模型吊入離心機吊籃內，并在吊籃另一端吊裝同等質量配重。在所有傳感器和接收儀器檢查正常后，啟動離心機，20g為一級，每級加速度下穩定運行4 min，利用架設在離心機室頂部的高速攝影系統對模型進行拍照，得到每級加速下模型斷面標點的位置并用激光位移傳感器記錄位移變化。運行至模型發生整體發生破壞后停機。

3 試驗結果及分析

3.1 變形破壞特征

圖7展示了不同加速度下邊坡變形圖。從圖中可以看出：加速度為20g時，坡面頂部首先出現2條張拉裂縫（圖7a）），加速度達到40g時，裂縫向坡底延伸（圖7b））。加速度為60g時，已有裂縫繼續擴展，同時伴隨多個裂縫產生（圖7c））。從測面標點可以看出邊坡表面發生整體滑動，此時邊坡已經發生破壞。加速度達到80g時，邊坡發生整體垮塌，滑動面從開挖后的坡腳剪出。

將60g加速度下模型斷面標點位移繪制得到離心機加載過程中模型斷面的矢量圖，如圖8所示。可以看出，坡表變形最大，變形向坡體內部逐漸變小。測量得到邊坡最大位移約為6.8 cm。

結合模型斷面初始標點位置，以及加速度60g和離心機停止時滑動破壞時各標點位置，描繪出模型斷面破壞圖和坡面裂縫見9。從圖中可以看出，60g時開挖坡頂處以下位置變形較大，亦是張拉裂縫最先出現位置，滑坡體沿著張拉裂縫向下滑動，最后從坡腳剪出，滑坡體平均深度為15 cm，滑面深層位置平行于基巖坡面，這和實際邊坡滑動深度和滑動范圍都很接近。

3.2 豎向位移發展規律

試驗過程中通過在邊坡表面架設激光位移傳感器測量試驗過程中邊坡的變形結果如圖10所示，其中位移正值表示該點發生沉降變形，負值表示隆起變形。考慮模型滑坡過程中，監測點可能發成的沉降和隆起變形，因此試驗前監測點距離坡面位置控制在3～4 cm，以便于監測模型坡面可能出現的隆起與沉降變形。其中傳感器LDS-1、LDS-2、LDS-3、LDS-4分別監測模型表面豎向位移。

從圖10中可以看出：1）在加速度小于40g時，點LDS-1位移隨著加速度的增加而增大，且在加速度保持穩定時沉降趨于穩定，40g穩定時的沉降量約為11.2 mm。離心機加載至60g過程中LDS-1位移隨著加速度增加繼續增大，加速度達到60g穩定時LDS-1沉降持續增加，直至超出傳感器量程，此時沉降量為22.98 m。2）點LDS-2和LDS-3在加速度達到40g之前，發生隆起變形，40g時隆起量為16.8 mm和11.8 mm。60g加載過程中位移超出量程，此時LDS-2的隆起量為25.1 mm，LDS-3在加速度達到60g時隆起量為30.6 mm，加速度穩定后LDS-3測量值發生波動，后超出量程。3）點LDS-4監測坡腳位移，隨著離心加速度增加，坡腳位置發生隆起。40g時坡腳隆起高度為3.15 mm，加速度達到60g時后坡腳隆起量持續增加，最終達到23 mm。結合60g時模型斷面圖（圖7）得知在60g時邊坡表層巖體發生整體移動，上述監測點在邊坡破壞后位移持續增加直至超出量程。

4 挖方邊坡數值模擬驗證

為了解挖方邊坡的破壞機理，采用Phase2有限元軟件開展挖方邊坡的數值仿真分析，上方材料考慮為彈塑性，其采用的強度參數如表1所示，彈性模量和泊松比分別為80 MPa和0.30。采用Mohr-Coulomb本構模型。

計算得到自重狀態下挖方邊坡的位移場和最大剪應變云圖分別如圖12和13所示。從圖中可以看出，位移在坡表最大，且位移只要集中在基巖以上滑體，且上部模型與基巖接觸處剪應變集中，這和離心模型試驗獲取的位移場及破壞斷面圖相對應（圖9）。這也說明了模型試驗結果的合理性。

5 結論

依托實際工程，采用離心模型試驗技術，研究了挖方邊坡的變形機制和破壞機理，并采用數值模型驗證了模型試驗的合理性。主要結論如下：

1）自重作用下，挖方邊坡首先在坡頂出現拉裂縫，隨后向坡底延伸，并伴隨坡內多個裂縫產生，最終邊坡發生整體滑動并坍塌，滑動面從坡腳剪出。

2）邊坡沿著土體與基巖接觸面以近似圓弧滑面剪出，邊坡失穩，表現為以剪切破壞為主的剪切-拉裂組合破壞模式。

3）根據坡表位移監測點的數據規律，邊坡的破壞過程可以分為相對勻速變形階段、加速變形階段和破壞后階段。

4）針對挖方邊坡，開展了自重作用下的數值試驗分析，得到的邊坡位移場和最大剪應變場和模型試驗相吻合，驗證了模型試驗結果的合理性。

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[責任編輯 楊 屹]