加筋高陡邊坡離心模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬

李 波，徐麗珊，龔壁衛(wèi)，俞武華

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010;2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430071)

1 研究背景

加筋土技術(shù)通過(guò)在土體內(nèi)鋪設(shè)或摻加土工合成材料來(lái)改善土體強(qiáng)度，因其具有美觀、安全性高、施工方便、抗震性能高等優(yōu)點(diǎn)，已成為高陡邊坡設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)形式之一［1］。但加筋邊坡設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法尚未成熟，無(wú)法準(zhǔn)確分析加筋邊坡的變形和破壞機(jī)理。離心模擬技術(shù)通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的離心場(chǎng)模擬重力場(chǎng)，在研究重力作用占主導(dǎo)作用的邊坡問(wèn)題中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者已開(kāi)展了加筋邊坡離心模型試驗(yàn)，并進(jìn)一步與數(shù)值分析方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

離心模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的分析方法更利于研究高陡加筋邊坡的加筋機(jī)理。介玉新等［2］研究表明加筋能明顯提高邊坡穩(wěn)定性，改變土體受力破壞性質(zhì)，素土的破壞往往是突發(fā)性的，而加筋土的破壞是漸進(jìn)的。章為民等［3］研究了加筋擋墻的破壞形式和破壞機(jī)理，表明加筋土擋墻的破壞面近似對(duì)數(shù)螺旋線，建議在計(jì)算分析中采用0.3H型破壞面。胡小明等［4］得到擋墻的高度與填土壓實(shí)度成正比關(guān)系，墻后填土的潛在滑裂面始于墻角或錯(cuò)臺(tái)，自下而上一直發(fā)展到坡頂距墻頂點(diǎn)約0.2H處，滑裂面呈對(duì)數(shù)螺旋線。張嘎等［5］認(rèn)為土工織物加筋可有效抑制土坡中出現(xiàn)的應(yīng)力集中，改變土坡破壞形式，增強(qiáng)土體的整體穩(wěn)定性。國(guó)外許多學(xué)者也開(kāi)展了類似的離心模型試驗(yàn)［6－8］。已有研究均表明加筋邊坡主要受填料強(qiáng)度和加筋體抗拉剛度的影響。離心模型試驗(yàn)中可通過(guò)逐級(jí)增大加速度模擬分層填筑施工過(guò)程，進(jìn)一步采用小尺寸數(shù)值模型，通過(guò)提高其重力加速度值完全反映離心模型試驗(yàn)的結(jié)果［9］。

本文采用2組離心模型試驗(yàn)，通過(guò)量測(cè)邊坡坡肩沉降、內(nèi)部分層變形、土壓力等研究加筋邊坡的破壞模式。離心模型試驗(yàn)通過(guò)逐級(jí)增大離心加速度模擬邊坡的分層填筑，并基于離心模型尺寸建立數(shù)值模型。采用兩者相結(jié)合的分析方法研究無(wú)加筋邊坡與加筋邊坡的變形和破壞規(guī)律，并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行參數(shù)分析，進(jìn)一步探討填料強(qiáng)度、加筋體抗拉強(qiáng)度對(duì)邊坡變形和安全系數(shù)的影響。

2 離心模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

表1為離心模型試驗(yàn)方案。共進(jìn)行2組離心模型試驗(yàn)，T1未加筋邊坡，T2鋪設(shè)9層加筋體，對(duì)比分析有無(wú)加筋體2種條件下邊坡的變形和穩(wěn)定安全狀態(tài)。加筋邊坡斷面布置如圖1所示。

2.2 設(shè)備和量測(cè)儀器

本次離心模型試驗(yàn)采用長(zhǎng)江科學(xué)院CKY－200現(xiàn)代化多功能土工離心機(jī)，其主要參數(shù):有效容量200 g－t;最大加速度200 g，無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速精度0.1 g;有效半徑3.7 m;模型箱尺寸(長(zhǎng)× 寬× 高)有100cm×100cm×100cm(三維模型箱)和100cm×40cm×80cm(二維模型箱)2種;同時(shí)配置了離心機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械手系統(tǒng)和拋填設(shè)備。

本次試驗(yàn)的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括:

(1)邊坡沉降和水平位移。采用激光位移傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)物整體沉降和地基頂面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以獲得在相應(yīng)工況條件的位移變化情況;

(2)關(guān)鍵斷面處土壓力。選取2個(gè)關(guān)鍵斷面，監(jiān)測(cè)水平方向土壓力和垂直方向土壓力。

表1 離心模型試驗(yàn)方案Table 1 Scenarios of centrifugal model test

圖1 加筋邊坡斷面布置Fig.1 Arrangement of reinforced slope section

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖2 2組離心模型破壞情況Fig.2 Failures of centrifugal model of reinforced and unreinforced slope

圖3 無(wú)加筋邊坡沉降和水平位移Fig.3 Settlements and lateral displacements of unreinforced slope

首先，通過(guò)試驗(yàn)完成后邊坡破壞形態(tài)照片，直觀反映試驗(yàn)前后邊坡的變形;進(jìn)一步分析離心機(jī)運(yùn)行過(guò)程中沉降和水平變形以及土壓力的變化。

2.3.1 試驗(yàn)后照片分析

圖2為2組離心模型試驗(yàn)后照片對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)加筋邊坡(T1)發(fā)生破壞的位置在坡肩，為自重作用下的坡肩垮塌;而加筋邊坡(T2)的破壞主要為局部加筋體被拉斷，位置大約在上部邊坡的6～12cm處，相當(dāng)于邊坡高度的1/6～1/3處。

2.3.2 變形和位移分析

圖3和圖4分別為無(wú)加筋邊坡和加筋邊坡的沉降－時(shí)間曲線和水平位移－時(shí)間曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，邊坡頂部和坡腳處沉降均隨著加速度的逐級(jí)升高而逐級(jí)增大，且坡頂沉降明顯大于坡腳沉降。當(dāng)加速度升高至一定值時(shí)，坡肩比遠(yuǎn)離坡肩處大，沉降發(fā)生突變，坡腳測(cè)點(diǎn)處沉降迅速減小，邊坡關(guān)鍵位置處的水平位移量測(cè)值隨著加速度逐級(jí)升高均緩慢增大，表明此時(shí)邊坡發(fā)生破壞。無(wú)加筋邊坡發(fā)生破壞時(shí)加速度值為112 g，而加筋邊坡為157 g。

2.3.3 土壓力

圖5和圖6分別為無(wú)加筋邊坡和加筋邊坡埋深13cm和37cm處的土壓力－時(shí)間曲線。其中，EPT2和EPT5量測(cè)的是水平土壓力;EPT1、EPT3、EPT4和EPT6為豎向土壓力。分析表明，隨著加速度的逐級(jí)升高，邊坡內(nèi)的豎向和水平土壓力均逐級(jí)增大，但豎向土壓力明顯大于水平土壓力;當(dāng)加速度增大至一定值時(shí)，埋深37cm處的水平土壓力發(fā)生突變，而埋深13cm處的水平土壓力(EPT2)基本保持不變，表明此時(shí)埋深37cm水平方向剪應(yīng)力突然增大。

圖4 加筋邊坡沉降和水平位移Fig.4 Settlements and lateral displacements of reinforced slope

3 有限元數(shù)值模擬

基于離心模型試驗(yàn)的基本參數(shù)，建立二維有限元模型。在幾何模型左右邊界約束水平位移，底部同時(shí)約束水平和垂直位移，填料采用Mohr-Coulomb模型，采用彈塑性土工格柵單元。EA為土工格柵單位寬度軸向力和軸向應(yīng)變的比值。由拉伸試驗(yàn)獲得的模型土工格柵平均抗拉強(qiáng)度為1.10 kN/m，平均極限延伸率為2.60%。

圖5 無(wú)加筋邊坡土壓力-時(shí)間曲線Fig.5 Curves of earth pressure vs.time ofunreinforced slope

圖6 加筋邊坡土壓力-時(shí)間曲線Fig.6 Curves of earth pressure vs.time of reinforced slope

表2為數(shù)值模擬和離心試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，對(duì)比分析了無(wú)加筋邊坡和加筋邊坡的沉降、土壓力和安全系數(shù)。結(jié)果表明，數(shù)值模擬和離心試驗(yàn)結(jié)果非常吻合;無(wú)加筋邊坡和加筋邊坡的沉降基本一致，但加筋后邊坡的安全系數(shù)明顯提高。

表2 數(shù)值模擬和離心試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison between numerical results and centrifugal test results

進(jìn)一步采用數(shù)值模擬進(jìn)行參數(shù)分析，主要分析填料強(qiáng)度、加筋體抗拉強(qiáng)度對(duì)邊坡變形和安全系數(shù)的影響。表3為主要影響因素及其取值范圍。表4為填料內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的影響，表5為加筋體抗拉強(qiáng)度影響。分析表明，隨著內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的逐級(jí)增大，邊坡的安全系數(shù)逐級(jí)增大，而坡肩沉降逐級(jí)減小;隨著加筋體抗拉強(qiáng)度的逐級(jí)增大，安全系數(shù)逐級(jí)增大，但沉降基本沒(méi)有變化。

表3 影響因素及其取值范圍Table 3 Influencing factors and value ranges

表4 填料內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角影響Table 4 Effect of cohesion and friction angle of filling material

表5 加筋體抗拉強(qiáng)度影響Table 5 Effect of the tensile strength of reinforcement body

4 結(jié)論

本文采用離心模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比分析無(wú)加筋邊坡和加筋邊坡的破壞模式，以及加筋體的加筋機(jī)理。分析表明，無(wú)加筋邊坡與加筋邊坡的破壞模式不同，無(wú)加筋邊坡坡肩垮塌，而加筋邊坡主要在1/6～1/3邊坡高度處出現(xiàn)應(yīng)力集中;采用數(shù)值模擬開(kāi)展的參數(shù)分析表明，提高填料和加筋體的強(qiáng)度，可明顯提高邊坡的安全系數(shù)。

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