不同交界面對二元結(jié)構(gòu)邊坡破壞影響試驗研究

梅 林，王述紅，佟可蕙，蔡 智

（東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819）

邊坡穩(wěn)定性一直是巖土工程研究的熱點問題，許多專家學(xué)者對邊坡的失穩(wěn)機理進行了深入研究。王偉［1］等人對均質(zhì)土邊坡的穩(wěn)定性進行分析，隨著荷載的增加，土體損傷逐漸增大，坡頂和斜坡面處損傷較大，坡頂?shù)呢Q向位移大于側(cè)向位移，坡底處側(cè)向位移大于豎向位移。徐金明［2］等對層狀土坡進行細觀模擬，指出靠近坡腳處的豎向應(yīng)力小于土坡內(nèi)部的豎向應(yīng)力。王述紅［3-5］等對巖質(zhì)邊坡的研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵塊體控制邊坡穩(wěn)定性。

對于實際工程中廣泛存在的二元結(jié)構(gòu)邊坡卻少有人研究，Chen Zhenlin［6］等研究了巖質(zhì)二元結(jié)構(gòu)邊坡動態(tài)響應(yīng)機制，通過調(diào)查能量分布原理顯示接合處的影響在邊坡穩(wěn)定中具有重要作用。唐曉松［7］研究上軟下硬的堆積層二元結(jié)構(gòu)邊坡破壞時上部發(fā)生旋轉(zhuǎn)滑移，下部土體沿土巖分界面發(fā)生滑移破壞。對于二元結(jié)構(gòu)邊坡，一般將上土下巖或上硬下軟巖層邊坡按照二元結(jié)構(gòu)邊坡考慮，但是上下不同土層的邊坡也應(yīng)按照二元結(jié)構(gòu)邊坡考慮。倪武杰［8］將二元結(jié)構(gòu)邊坡歸入土質(zhì)邊坡范疇，把土質(zhì)邊坡分為均質(zhì)土邊坡、層狀松散土邊坡、二元結(jié)構(gòu)邊坡三類；趙波［9］通過強度折減法找到上下不同土層二元結(jié)構(gòu)邊坡黏聚力和內(nèi)摩擦角的比值臨界值對邊坡滑動面的影響。本文通過物理模型試驗研究靜載作用下不同上下土層交界面對二元結(jié)構(gòu)邊坡破壞形式的影響，并運用有限差分軟件數(shù)值模擬，驗證并數(shù)值再現(xiàn)了二元結(jié)構(gòu)邊坡破壞過程，分析了二元結(jié)構(gòu)邊坡破壞機理。

1 靜載模型試驗設(shè)計

模型試驗主要用于觀察二元結(jié)構(gòu)邊坡在靜載作用下的破壞過程和二元結(jié)構(gòu)交界面與邊坡破壞之間的關(guān)系。

1.1 試驗裝置

本次物理模型試驗?zāi)Ｐ拖洳捎糜袡C玻璃制作，防止在荷載作用下模型箱外鼓，在模型箱外側(cè)用三道角鋼加固，為了減少內(nèi)壁摩擦對試驗的影響，在內(nèi)壁涂抹潤滑劑并覆蓋塑料薄膜。模型箱尺寸1.6m（長）×0.25m（寬）×1.2m（高）。

1.2 試驗方案設(shè)計

1.2.1 試驗材料

滑坡模型相似材料具有低彈模、高重度、低黏聚力和較低的內(nèi)摩擦角等特點，程圣國、曹玲［10-12］等對滑坡相似材料進行了深入的研究，重晶石粉能較好的模擬軟土滑坡。本文物理模型為上下不同土層的二元結(jié)構(gòu)邊坡，上層土體所用材料及配比，沙∶重晶石粉∶雙飛粉=3∶1∶1；下層土體所用材料及配比，沙∶重晶石粉∶黏土∶水=5∶2∶3∶0.6。為了減小粒徑效應(yīng)的影響，所用材料粒徑均小于1mm。通過三軸壓縮試驗測定各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 上下土層主要物理力學(xué)參數(shù)

1.2.2 試驗加載

常用的模型加載方式有離心加載和重力加載，本次試驗采用重力加載。在模型頂部放置墊板，在墊板上面均勻放置重力鐵塊，每次施加均布荷載3kN／m2，直至模型破壞，施加每級荷載之間間隔1h。

1.2.3 位移監(jiān)測

在坡體內(nèi)布設(shè)8排測點，每排4個，測點間距10cm。上層土體為白色，用紅色測點；下層土體為深灰色，用白色測點，用數(shù)碼相機記錄不同荷載作用下測點的位移大小及運動方向，通過模型破壞特征及測點的位移信息來分析邊坡的破壞機理。

根據(jù)上下土層交界面的形式，模型分為水平、順傾（傾角12°）、逆傾（傾角15°）、上凸（頂點高于其他兩端連線20cm）和下凹（頂點低于其他兩端連線20 cm）五種形式。圖1為順傾二元結(jié)構(gòu)邊坡模型。

圖1 順傾二元結(jié)構(gòu)邊坡模型

2 靜載模型試驗結(jié)果

2.1 測點位移分析

由于篇幅所限，本文僅對順傾模型進行詳細介紹，其他幾組模型進行對比分析。隨著荷載的增加測點位移逐漸增大，靠近坡頂處受荷載影響大位移也大，遠離坡頂處，受荷載影響小位移較小。同一排測點從坡面到邊坡內(nèi)部位移逐漸增大，與水平面的夾角逐漸增大。邊坡中部測點的移動軌跡平行坡面，測點位移方向如圖2所示。

圖2 坡體測點位移方向圖

在荷載作用下，坡頂處豎向位移最大，隨著荷載增大，豎向位移增量速率變小，水平位移增量速率變大。滑裂面出現(xiàn)之前，靠近坡面測點位移小于坡體內(nèi)部測點位移，并隨著內(nèi)部深度的增加位移逐漸增大。滑裂面出現(xiàn)之后，在滑體上的測點隨著荷載的增加，位移非線性增加，非滑體上的測點隨荷載的增加位移線性增加。

2.2 邊坡破壞分析

隨著荷載的增加，在交界面上部出現(xiàn)裂縫，繼續(xù)增加荷載，裂縫以不規(guī)則的形式向坡頂延伸，直至與邊坡頂面相交?；w位移隨著荷載非線性增加，在最先開裂處出現(xiàn)明顯的剪出口。當滑裂縫貫通那一刻，邊坡并未立即破壞，李亞生［13］等人認為，在未加固的邊坡失穩(wěn)破壞過程中，巖土體必須先形成貫通的塑性區(qū)，若只是塑性區(qū)貫通了，但其周圍的土體仍處于彈性階段的話，將會限制塑性應(yīng)變的進一步發(fā)展，那么就意味著邊坡的失穩(wěn)破壞不一定就是沿著塑性屈服區(qū)產(chǎn)生滑動。

邊坡發(fā)生滑坡的主要特征是滑體從穩(wěn)定體脫離，沿著滑動面發(fā)生滑移?；w和穩(wěn)定體的分界面定義為臨界滑動面。這里需要指出的是穩(wěn)定體包括沒有發(fā)生位移的穩(wěn)定體和位移未超過臨界值的穩(wěn)定體兩部分。邊坡巖土體變形只有超過臨界值后，才能產(chǎn)生滑裂破壞。當某區(qū)域巖土體的位移大于臨界值時，就可以認為這一區(qū)域為滑體［14］。

在荷載作用下，物理模型坡頂發(fā)生了較大沉降，在上下土層交界面處輕微隆起，在坡面上出現(xiàn)了較淺深度的滑移，位移測點和滑裂面如圖3所示，圖中裂縫位置所在的平面為滑裂面，滑體沿著滑裂面向下移動，說明邊坡的破壞形式是淺表層剪切-拉裂破壞。邊坡的滑體和未發(fā)生移動的穩(wěn)定體占模型的較小部分，大部分是位移未超過臨界值的穩(wěn)定體，從坡面到邊坡內(nèi)部，土體的穩(wěn)定程度越來越高。

圖3 邊坡淺表層滑動圖

2.3 不同交界面形式破壞對比分析

邊坡的破壞形式很大程度上取決于坡體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)、形狀和空間分布，其組合形式不同，坡體的變形破壞特征也各不相同。五個物理模型破壞特征對比，相同點：（1）邊坡滑動都是淺表層剪切-拉裂破壞；（2）坡頂主要發(fā)生垂直位移，坡底主要發(fā)生水平位移；（3）在滑體后緣出現(xiàn)陡傾拉裂面，滑體底部出現(xiàn)緩傾剪出口。不同點：（1）順傾和上凸模型的滑動面未通過上下土層交界面，其他三種模型的滑動面均通過交界面；（2）順傾和上凸模型破壞由單滑動面控制，其他三種模型破壞由雙層滑動面控制；（3）順傾和上凸模型滑體較完整，其他三種模型的滑體出現(xiàn)不同程度的破裂，下凹模型滑體的破裂程度最大；（4）雖然都是淺表層破壞，但上層土體滑裂面的深度不同，順傾模型滑裂面最深，逆傾模型滑裂面最淺；（5）下層土體剪出口的角度下凹模型較陡，水平模型次之，逆傾模型較緩。五個模型的滑裂面均未通過邊坡坡角，這是二元結(jié)構(gòu)邊坡與均質(zhì)土坡破壞的不同點之一。

滑裂面通過交界面的模型首先在交界面處出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐漸變寬，并向下延伸至下部剪出口。交界面處裂縫并未向上延伸，而是在交界面上部出現(xiàn)了剪出口，裂縫是從剪出口向上延伸至坡頂，形成上下兩個剪出口。交界面形式不同，交界面上裂縫距坡面的距離亦不同，下凹形式的裂縫距坡面較近，逆傾形式的裂縫距坡面較遠。邊坡下部受力大，下部剪出口位移大于上部剪出口位移，從下部剪出口剪出破壞。

3 數(shù)值試驗

考慮到本次研究的重點是討論二元結(jié)構(gòu)交界面對邊坡破壞形式的影響，作為物理試驗的驗證和補充，本文提出，利用數(shù)值模擬軟件開展系列模擬再現(xiàn)，F(xiàn)LAC3D具有很強的解決復(fù)雜力學(xué)問題的能力，在巖土體的漸進破壞和巖土體材料的變形局部化剪切帶的演化模擬研究方面有其自身的優(yōu)勢［15］。

3.1 建立模型

順傾交界面數(shù)值模擬模型邊界條件和模型網(wǎng)格如圖4、圖5所示。固定邊坡底部，約束邊坡前部和后部邊界水平向位移，坡頂布置均布荷載，且荷載以3kN／m2逐級增加，本構(gòu)模型選用摩爾—庫倫塑性模型，對應(yīng)強度準則為摩爾—庫倫強度準則。

3.2 數(shù)值模型破壞分析

圖6為順傾模型網(wǎng)格單元在荷載作用下的受力狀態(tài)，從物理模型試驗可以看出，邊坡的破壞形式為淺表層剪切-拉裂破壞。在交界面上部邊坡淺表層的單元體受到拉力，而其他單元體不受拉力。數(shù)值模型試驗的單元體受力狀態(tài)及所受拉力范圍同物理模型試驗結(jié)果具有較好的一致性。

圖4 模型邊界條件及監(jiān)測點位置

圖5 順傾模型網(wǎng)格

圖6 順傾模型網(wǎng)格單元受力狀態(tài)

根據(jù)物理模型試驗中坡體內(nèi)位移測點的位置，在數(shù)值模型相應(yīng)位置布置位移監(jiān)測點，記錄不同荷載下計算的位移值。

圖7、圖8為順傾模型靠近坡面測點X、Y方向不同荷載下監(jiān)測位移對比圖。由圖7、圖8可以看出，邊坡中部X向位移最大，Y向位移與X向位移相近，可以推斷出測點移動的方向近乎平行坡面；邊坡頂部X向位移最小，Y向位移最大；邊坡底部X向位移大于Y向位移。與物理模型坡頂主要發(fā)生垂直方向位移，坡角主要發(fā)生水平方向位移的破壞形式相一致。

圖7 順傾模型靠近坡面測點X方向位移圖

圖8 順傾模型靠近坡面測點Y方向位移圖

通過第四排測點在不同荷載下的X、Y方向位移圖9、圖10可以看出從邊坡坡面向坡體內(nèi)部X方向位移略有減小，Y方向位移顯著增加，測點的運動軌跡與水平面的夾角從坡面向內(nèi)部逐漸增大。

圖9 順傾模型第四排測點X方向位移圖

對于不同交界面的五個模型，上層土體取5-1測點（五個模型相同編號測點具有相同坐標，五個模型的5-1測點均處于上層土體內(nèi)），下層土體取測點2-1（五個模型的2-1測點均處于下層土體內(nèi)）進行對比分析，2-1測點和5-1測點位置如圖4所示。圖11、圖12為2-1測點X、Y方向位移對比圖，圖13、圖14為5-1測點X、Y方向位移對比圖，交界面對下層土體X方向位移影響甚微，Y方向位移較??；對上層土體X方向影響較小，Y方向影響較大。綜合判斷，順傾交界面對下層土體測點Y方向位移影響最大，下凹交界面對上層土體測點Y方向位移影響最大。

圖10 順傾模型第四排測點Y方向位移圖

圖11 五個模型2-1測點X方向位移對比圖

圖12 五個模型2-1測點Y方向位移對比圖

圖11～圖14中水平、順傾、逆傾、上凸、下凹分別對應(yīng)交界面為水平模型、順傾模型、逆傾模型、上凸模型、下凹模型。

由五個模型的位移對比圖可以看出，不同交界面對測點X方向位移影響較小，不同荷載下測點X方向位移比較接近，但對測點Y方向位移影響較大。對五個模型2-1測點Y方向位移影響順序從大到小為順傾、水平、上凸、逆傾、下凹；對五個模型5-1測點Y方向位移影響順序從大到小為下凹、順傾、水平、上凸、逆傾。

圖13 五個模型5-1測點X方向位移對比圖

圖14 五個模型5-1測點Y方向位移對比圖

簡化交界面為一條直線，不考慮交界面位置對邊坡穩(wěn)定性的影響，以中點O為分界點，直線分為OA、OB兩部分，OA、OB轉(zhuǎn)角為θA、θB，設(shè)定θA、θB順時針轉(zhuǎn)向為正、逆時針轉(zhuǎn)向為負，如圖15所示，表2為各交界面的水平轉(zhuǎn)角。

表2 各交界面水平轉(zhuǎn)角

轉(zhuǎn)角綜合累計水平轉(zhuǎn)動0°、順傾轉(zhuǎn)動24°、逆傾轉(zhuǎn)動-30°、上凸轉(zhuǎn)動0°、下凹轉(zhuǎn)動-9°，與對2-1測點Y方向位移影響順序相似；若以θA、順時針轉(zhuǎn)向為正、θB逆時針轉(zhuǎn)向為正，轉(zhuǎn)角綜合累計水平轉(zhuǎn)動0°、順傾轉(zhuǎn)動0°、逆傾轉(zhuǎn)動0°、上凸轉(zhuǎn)動-44°、下凹轉(zhuǎn)動45°，與對5-1測點Y方向位移影響順序相似。通過對交界面轉(zhuǎn)角大小和方向的分析，初步推斷以中點O為基點，OA、OB順時針旋轉(zhuǎn)角度越大，對下層土體Y方向位移影響越大；OA順時針，OB逆時針旋轉(zhuǎn)角度越大，對上層土體Y方向位移影響越大。

圖15 不同交界面簡化圖

4 結(jié) 論

通過物理模型試驗和數(shù)值模擬試驗研究了不同交界面形式對二元結(jié)構(gòu)邊坡破壞的影響得到如下結(jié)論：

（1）隨著荷載的增加，邊坡的破壞形式為淺表層剪切-拉裂破壞。

（2）隨著荷載的增加測點位移逐漸增大，靠近坡頂處受荷載影響大位移也大，遠離坡頂處，受荷載影響小位移較小。同一排測點從坡面到邊坡內(nèi)部位移逐漸增大，與水平面的夾角逐漸增大。邊坡中部測點的移動軌跡平行坡面。

（3）順傾和上凸交界面邊坡模型滑裂面未穿過交界面，水平、逆傾、下凹交界面邊坡模型滑裂面穿過交界面，五種模型的滑動面均未通過坡角。不同交界面形式影響滑體的破裂程度及剪出口傾角等。

（4）順傾和上凸交界面邊坡模型的破壞形式由單滑動面控制，水平、逆傾、下凹交界面邊坡模型的破壞形式由雙層滑動面控制。

（5）對不同交界面形式對上下土層位移的影響做了初步推斷，把交界面簡化成直線，以中點O為基點，直線分為OA、OB兩條線段，OA、OB順時針旋轉(zhuǎn)角度越大，對下層土體Y方向位移影響越大；OA順時針，OB逆時針旋轉(zhuǎn)角度越大，對上層土體Y方向位移影響越大。

［1］王 偉，王中華，許芝娟，等.荷載作用下黏性土坡位移場應(yīng)變場分 析［J］.巖 土 力 學(xué)，2011，32（11）：3263-3268.

［2］徐金明，謝芝蕾，王國珍.層狀土坡穩(wěn)定性的細觀模擬［C］／／城市地質(zhì)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展論壇論文集.北京：中國統(tǒng)計出版社，2010.

［3］王述紅，張 航，張艷橋，等.隨機結(jié)構(gòu)面切割巖質(zhì)邊坡空間塊體模型及關(guān)鍵塊體分析［J］.東北大學(xué)學(xué)報，2011，32（3）：341-344.

［4］王述紅，饒文杰，關(guān)祥祥，等.復(fù)雜巖體邊坡關(guān)鍵塊體搜索及開挖支護［J］.東北大學(xué)學(xué)報，2013，34（7）：1017-1021.

［5］Wang Shuhong，Ni Pengpeng.Application of block theory modeling on spatial block topological identification to rock slope stability analysis［J］.International Journal of Computational Methods，2014，11（1）：903-914.

［6］Chen Zhenlin，Xu Qiang，Hu Xiao.Study on dynamic response of the ‘Dualistic’structure rock slope with seismic wave theory［J］.Journal of Mountain Science，2013，10（6）：996-1007.

［7］唐曉松，鄭穎人，唐輝明.邊坡變形破壞演化特征的數(shù)值分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2013，36（10）：101-113.

［8］倪武杰.土質(zhì)邊坡破壞機理及穩(wěn)定性研究［D］.西安：長安大學(xué)，2010.

［9］趙 波，王保田，崔建娜，等.基于強度折減法的二元結(jié)構(gòu)邊坡潛在滑動面位置分析［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2014，12（2）：100-104.

［10］程圣國，吳 劍，朱喬森.滑坡模型相似材料組成試驗研究［J］.水電科技進展，2003，（2）：1-4.

［11］程圣國，羅先啟，劉德富，等.三峽庫區(qū)滑坡地質(zhì)力學(xué)模型試驗技術(shù)研究［J］.水利水電技術(shù)，2005，36（6）：36-38.

［12］曹 玲，羅先啟，程圣國.千將坪滑坡物理模型試驗相似材料研究［J］.三峽大學(xué)學(xué)報，2007，29（1）：37-39.

［13］李亞生，周翠英，張惠明.基于位移突變判據(jù)的強度折減法邊坡穩(wěn)定分析［J］.人民黃河，2012，34（2）：146-148.

［14］張 科，曹 平.基于變形分析的3維邊坡滑動面搜索新方法［J］.四川大學(xué)學(xué)報，2012，44（6）：55-60.

［15］陳育民，徐鼎平.FLAC／FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2013.