采用不同滑面材料的滑坡模型試驗(yàn)研究＊

劉洪佳,門玉明,李尋昌,閆金凱,張 濤

(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西西安 710054)

0 引言

當(dāng)前,隨著我國房建、公路、鐵路、水利等工程不斷迅猛發(fā)展,滑坡出現(xiàn)的概率也呈擴(kuò)大趨勢(shì),并且其類型越來越多,規(guī)模越來越大,模式也越來越復(fù)雜,由此引發(fā)的災(zāi)害和損失都難以估量。如不采取支擋措施,將會(huì)造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

目前,滑坡的支擋措施很多。對(duì)一些大型滑坡或正在活動(dòng)著的滑坡來說,抗滑樁、錨桿格構(gòu)以及其組合結(jié)構(gòu)錨桿抗滑樁都具有立即阻滑的作用,在實(shí)際工程中也取得了很好的效果,但其設(shè)計(jì)理論跟不上工程應(yīng)用的范疇。鑒于此,國內(nèi)外許多學(xué)者開展了一定的模型試驗(yàn)研究。李明華[1]較早對(duì)滑坡模型試驗(yàn)分類進(jìn)行了研究,宋克強(qiáng)等[2]則主要是針對(duì)黃土滑坡的模型試驗(yàn)進(jìn)行了研究。近年來,也出現(xiàn)了不少研究成果。如曾云華等[3]對(duì)錨桿抗滑樁的研究,雷文杰等[4]對(duì)沉埋樁的研究,楊雪蓮等[5]對(duì)錨索框架梁進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,Deeken,John[6]和Andrew Z.Boeckmann[7]對(duì)微型樁加固邊坡的模型試驗(yàn)的研究。但由于巖土體參數(shù)的不確定性,試驗(yàn)條件的局限性以及其他因素,使得許多試驗(yàn)雖然提供了一些有用的研究成果,但與試驗(yàn)初衷還有一定的差距。在所有的因素中,滑帶土的選擇尤為重要,因?yàn)樗怯绊懟路€(wěn)定與否的關(guān)鍵因素。此外,它對(duì)模型試驗(yàn)的成功與否,尤其是支擋結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)所得出的結(jié)論起著至關(guān)重要的作用。為了系統(tǒng)研究滑坡與支擋結(jié)構(gòu)的相互作用,本課題組近年來在自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國土資源大調(diào)查項(xiàng)目的支持下,開展了一系列模型試驗(yàn)研究[8-11],本文重點(diǎn)在于介紹不同滑面材料的滑坡穩(wěn)定性模擬試驗(yàn)及其研究成果。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ透艣r

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)模型箱

模型試驗(yàn)在3 m×1.8 m×2.2 m(長×寬×高)的模型箱內(nèi)進(jìn)行,模型箱由角鋼和高密度板制作而成。試驗(yàn)中滑床和滑體的材料均采用黃土進(jìn)行填筑,黃土取自西安市南郊,其設(shè)計(jì)重度為18 kN/m3?；鏋轭A(yù)先布設(shè)圓弧型滑面,分別采用草木灰、單層塑料薄膜和雙層塑料薄膜三種材料來模擬滑面。草木灰重度為16 kN/m3,含水量為10%,厚度為5 mm,塑料薄膜采用厚度為0.12 mm的聚乙烯塑料薄膜。

(2)測(cè)試設(shè)備

在試驗(yàn)中,模型中滑體的狀態(tài)及其位移變化曲線是后期分析滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)的重要依據(jù)。因此,試驗(yàn)中,采用位移計(jì)對(duì)坡體的豎向及水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),位移測(cè)試采用江蘇東華測(cè)試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀,在模型的坡面上布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)見圖1。

圖1 模型尺寸及土體位移監(jiān)測(cè)布置(單位:mm)

(3)工況

本次試驗(yàn)共分五組。按滑體形狀不同,分為試驗(yàn)Ⅰ和試驗(yàn)Ⅱ。同時(shí),按滑面材料不同,試驗(yàn)Ⅰ包含三種工況,分別采用了草木灰、單層塑料薄膜和雙層塑料薄膜做滑面材料;試驗(yàn)Ⅱ包含兩種工況,只選用了草木灰和雙層塑料薄膜。每組的滑坡模型尺寸如圖1所示。然后將這兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。

(4)加載方式及原理

試驗(yàn)采用堆載法,在滑坡的頂部采用50 kg的沙袋來模擬載荷。設(shè)計(jì)堆載增量為5 kPa,根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整加載量,繪制數(shù)據(jù)曲線,待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再進(jìn)行下一次加載,直至滑體發(fā)生滑動(dòng),試驗(yàn)最大加載量為50 kPa。

為避免沙袋堆載過高造成的危險(xiǎn),本次試驗(yàn)中采用先在滑體頂部鋪兩層沙袋,再在這兩層沙袋上放置木板,以增加頂面積,這樣可以達(dá)到在一定荷載量的情況下,降低沙袋堆載高度。兩組試驗(yàn)加載方式相同,圖2為試驗(yàn)Ⅰ的堆載示意圖。

圖2 試驗(yàn)Ⅰ堆載示意圖

對(duì)于不同工況的滑坡模型,如其填筑后穩(wěn)定,則通過對(duì)其坡頂逐級(jí)堆載,增加滑體的下滑力,直至滑體發(fā)生滑動(dòng);根據(jù)試驗(yàn)得到的位移曲線中位移突變,判定滑體的極限平衡狀態(tài),同時(shí)根據(jù)其坡頂?shù)亩演d量及模型的物理幾何參數(shù),來反算滑面材料的相似抗剪強(qiáng)度。

1.2 試驗(yàn)步驟

(1)安裝模型箱,在模型箱內(nèi)壁上鋪設(shè)一層塑料膜;在模型箱內(nèi)壁塑料膜上,畫出滑面和滑體的輪廓線,以及從底部往上每隔10 cm,畫上平行線尺度標(biāo)記。

(2)滑床部分分層填筑黃土。每10 cm填筑一層,整平、夯實(shí),取土樣測(cè)試其重度;土體填筑完成后,依所作滑面輪廓線制作滑面。

(3)在滑面布設(shè)滑面材料。再在模型分別鋪設(shè)一層塑料膜,減少模型箱對(duì)滑體的摩擦。

(4)分層填筑滑體部分黃土。每10 cm填筑一層,整平、夯實(shí),取土樣測(cè)試其重度,布設(shè)傳感器。

(5)土體填筑完成后,依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的坡面輪廓線制作坡面。

(6)布設(shè)位移計(jì),并連接數(shù)據(jù)采集測(cè)試儀,測(cè)試各測(cè)試儀器初值。

(7)坡頂逐級(jí)加載,并分別定時(shí)記錄壓力傳感器及位移計(jì)數(shù)據(jù),直至滑體失穩(wěn)滑動(dòng)。

(8)拆除模型,進(jìn)行下一個(gè)試驗(yàn),或試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)采用不同材料作為滑面的模型,各個(gè)模型的最終狀態(tài)、堆載量有很大的差異。

對(duì)于試驗(yàn)Ⅰ:采用草木灰做為滑面材料時(shí),至試驗(yàn)結(jié)束滑體沒有出現(xiàn)滑動(dòng);采用單層塑料薄膜時(shí),堆載量達(dá)到一定程度時(shí),模型發(fā)生滑動(dòng);采用雙層塑料薄膜時(shí),當(dāng)試驗(yàn)滑體模型填筑至1 430 mm時(shí),發(fā)生了滑動(dòng)。

對(duì)于試驗(yàn)Ⅱ:采用草木灰做為滑面材料時(shí),至試驗(yàn)結(jié)束滑體沒有出現(xiàn)滑動(dòng);采用雙層塑料薄膜時(shí),模型在滑體制作完成時(shí)發(fā)生滑動(dòng),豎直方向位移約5 mm后穩(wěn)定,對(duì)滑坡進(jìn)行堆載,在堆載量達(dá)到2.4 kPa時(shí),滑體發(fā)生加速下滑。對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行分析,得到每組試驗(yàn)滑體的初始狀態(tài)、最終狀態(tài)及最終堆載量(表1)。

表1 每個(gè)模型的最終堆載量及穩(wěn)定性

2.2 土體位移變化分析

試驗(yàn)的每一組試驗(yàn)的位移變化可見圖3。

試驗(yàn)Ⅰ:

由圖3a可見,對(duì)于采用草木灰做為滑面材料時(shí),其滑體位移隨著堆載量的增加,變化量較小,而且沒有明顯位移突變點(diǎn)。

而對(duì)于圖3b,采用單層塑料薄膜做為滑面材料時(shí),其滑體位移隨著堆載量的增加,變化量較大。當(dāng)堆載量為20 kPa時(shí),滑體位移變化出現(xiàn)突變,并加速增大變化,最后模型發(fā)生滑動(dòng)。

當(dāng)采用雙層塑料薄膜做為滑面材料時(shí),由于滑體在填筑至1 430 mm高度時(shí),還未來得及安放位移計(jì)就突然發(fā)生滑動(dòng),因而未能測(cè)量到位移變化。

試驗(yàn)Ⅱ:

由圖3c可見,采用草木灰做為滑面材料的試驗(yàn),滑體位移變化曲線相似于同試驗(yàn)Ⅰ的工況一。

對(duì)于圖3d,采用雙層塑料薄膜做為滑面,模型在滑體制作完成時(shí)滑動(dòng)了一定位移,穩(wěn)定后對(duì)滑坡進(jìn)行堆載,在堆載量達(dá)到2.4 kPa時(shí),滑體發(fā)生加速下滑。

圖3a與圖3c中滑體的水平向位移曲線中有一定的突變,但是由于突變量較小僅為2 mm左右,且由于持續(xù)時(shí)間較長,圖3a的突變時(shí)間約為75 h,而圖3c的突變時(shí)間約為50 h,并不是短時(shí)間的大位移突變,而且在一定時(shí)間后豎向位移趨于穩(wěn)定,可認(rèn)為是滑體土在堆載作用下的固結(jié)。

圖3 滑體的位移變化

2.3 滑面材料的抗剪強(qiáng)度分析

土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),特別是滑面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),無論是對(duì)滑坡治理設(shè)計(jì)來說,還是對(duì)模型試驗(yàn)而言,都是一個(gè)非常重要的參數(shù)。因此,通過分析各個(gè)試驗(yàn)的堆載量及滑體的位移變化,可以確定滑坡模型的極限平衡狀態(tài),根據(jù)極限狀態(tài)時(shí)模型的堆載量,利用Bishop法進(jìn)行反算,從而確定不同滑面材料的相似抗剪強(qiáng)度,再來確定初始狀態(tài)時(shí)滑坡模型的穩(wěn)定系數(shù)。試驗(yàn)初始狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù)及抗剪強(qiáng)度的結(jié)果見表2。

表2 滑面材料的抗剪強(qiáng)度

采用草木灰做滑面材料時(shí),試驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí),模型均處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢姴菽净易龌娌牧蠒r(shí),相似抗剪強(qiáng)度較大。此外,當(dāng)試驗(yàn)的最終堆載量達(dá)到最大時(shí),模型滑體仍然處于穩(wěn)定狀態(tài),無法確定模型的極限狀態(tài),鑒于此,也就無法確定采用草木灰的滑面其抗剪強(qiáng)度。

采用單層塑料薄膜做滑面材料時(shí),主要的阻滑力由滑體的土體與單層薄膜之間的摩擦力提供,試驗(yàn)開始時(shí)模型處于穩(wěn)定狀態(tài),堆載到一定程度時(shí)模型發(fā)生滑動(dòng),把此時(shí)的滑坡體狀態(tài)認(rèn)為是極限狀態(tài),根據(jù)其坡頂?shù)亩演d量及模型的物理幾何參數(shù),反算出其抗剪強(qiáng)度。此滑面材料的相似抗減強(qiáng)度也較大,滑面材料提供了一定的阻滑力;當(dāng)堆載量達(dá)到20 kPa時(shí),滑體的下滑力等于阻滑力,模型達(dá)到極限狀態(tài),發(fā)生滑動(dòng)。單層薄膜的相似抗剪強(qiáng)度見表2。

采用雙層塑料薄膜做滑面材料時(shí),主要的阻滑力由塑料薄膜與塑料薄膜之間摩擦力提供。由于試驗(yàn)開始處于極限平衡狀態(tài)(不穩(wěn)定狀態(tài)),試驗(yàn)Ⅰ中,在填筑至1 430 mm時(shí),滑體發(fā)生滑動(dòng),認(rèn)為此時(shí)滑體模型處于極限狀態(tài),根據(jù)模型的物理幾何參數(shù),反算得到滑面材料的相似抗剪強(qiáng)度;根據(jù)相似抗剪強(qiáng)度得到模型填筑完成后,滑坡模型的穩(wěn)定系數(shù)為0.96[7]。試驗(yàn)Ⅱ中,在填筑完成時(shí)發(fā)生了一定滑動(dòng)后穩(wěn)定,且由于豎直方向僅5 mm,因此認(rèn)為模型初始狀態(tài)穩(wěn)定,加載2.4 kg時(shí),滑體處于極限狀態(tài)。同樣,根據(jù)其坡頂?shù)亩演d量及模型的物理幾何參數(shù),反算得到滑面材料的抗剪強(qiáng)度,見表2。

可見,對(duì)于三種滑面材料來說,采用雙層塑料薄膜的相似抗剪強(qiáng)度比較小。

3 結(jié)論

本文以黃土堆載法模型試驗(yàn)為背景,研究了不同滑面材料對(duì)滑坡的穩(wěn)定性及剩余下滑力的影響,得出以下結(jié)論。

(1)采用草木灰做滑面材料時(shí),滑體處于穩(wěn)定狀態(tài);采用單層塑料薄膜做滑面材料時(shí),滑體處于較穩(wěn)定狀態(tài);采用雙層塑料薄膜做滑面材料時(shí),滑體處于極限平衡狀態(tài)。

(2)本試驗(yàn)通過堆載來增加滑體的下滑力,當(dāng)模型達(dá)到極限平衡狀態(tài)之后,其后堆載的增量才能使模型產(chǎn)生剩余下滑力。對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn),由于試驗(yàn)開始時(shí),采用雙層塑料薄膜做為滑面材料的模型處于極限狀態(tài),能最大程度地利用堆載所產(chǎn)生的下滑力。因此,建議在后繼的滑坡支擋模型試驗(yàn)中,采用雙層塑料薄膜做滑面材料。

(3)對(duì)于兩組實(shí)驗(yàn)中,采用雙層塑料薄膜做滑面材料的模型,其通過計(jì)算得到的滑面材料的相似抗剪強(qiáng)度不同。雖然試驗(yàn)一與試驗(yàn)二的雙層薄膜的材料相同,但是,由于滑面的形狀不同,它們的強(qiáng)度參數(shù)也有一定的差別。因此當(dāng)滑坡的滑面形態(tài)改變時(shí),應(yīng)進(jìn)行該滑面的模型試驗(yàn),從而來確定該滑面時(shí)的相似抗剪強(qiáng)度。在進(jìn)行滑坡支擋結(jié)構(gòu)與土的相互作用的試驗(yàn)之前,應(yīng)該進(jìn)行滑坡模型的參數(shù)實(shí)驗(yàn),來確定試驗(yàn)中所用到的相似抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

[1] 李明華.滑坡模型實(shí)驗(yàn)概況及其展望[J].地球科學(xué)進(jìn)展,1986,12(4):28-33.

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[4] 雷文杰,鄭穎人,王恭先,等.沉埋樁加固滑坡體模型試驗(yàn)的機(jī)制分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(7):1347-1355.

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[6] Deeken John.Large scale laboratory testing of model slopes with slender reinforcement[D].Columbia:University of Missouri-Columbia,2005.

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