水位變動與坡頂加載聯(lián)合作用下邊坡破壞特性

陳天翼，王雅靚，張嘎

（清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

0 引言

我國興建了大量水利水電項目，水庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性一直是工程界的重點關(guān)注內(nèi)容之一。降雨等因素導(dǎo)致的水庫不定期水位變化影響了水庫邊坡的穩(wěn)定性，而各種人類活動、自然環(huán)境等造成的外部荷載進(jìn)一步降低了邊坡的穩(wěn)定性。因此，有必要對水位變化及外部荷載聯(lián)合作用下邊坡的變形破壞特性及規(guī)律進(jìn)行研究，為建立合理的水庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性評價方法提供依據(jù)。目前已有學(xué)者針對這兩種荷載對邊坡變形破壞的影響進(jìn)行了分別研究，并取得一定成果[1-6]。但對于這兩種荷載形式聯(lián)合作用下邊坡的變形破壞試驗尚不多見，有待深入開展雙因素對邊坡變形破壞過程的研究。

土工離心機模型試驗可通過增大慣性離心力達(dá)到與原模型變形相似、應(yīng)力相等的目的，為進(jìn)一步分析提供真實可靠的數(shù)據(jù)，因此成為了研究邊坡破壞機理的重要手段[7-8]。

本文采用離心模型試驗的方法，實現(xiàn)水位變化及坡頂荷載對土坡的聯(lián)合作用。基于試驗結(jié)果，研究水位變化與坡頂加載的聯(lián)合作用條件下土坡破壞特性，探討土坡漸進(jìn)破壞機理，為建立合理的邊坡穩(wěn)定性評價方法提供依據(jù)。

1 離心模型試驗

1.1 試驗設(shè)備

試驗在清華大學(xué)50g ton土工離心機上進(jìn)行。離心機的有效半徑為2 m，最大離心加速度可達(dá)250g。本試驗采用模型箱內(nèi)部長60 cm、寬20 cm、高48 cm。模型箱為鋁合金質(zhì)地，剛度很大，自身變形可忽略不計。在模型箱長度方向一側(cè)安裝有機玻璃，透過玻璃可以觀測到試驗過程中土坡的變形破壞過程。

試驗通過電磁閥開關(guān)控制水位變化。打開電磁閥，水經(jīng)導(dǎo)管自流入模型箱，實現(xiàn)水位上升。當(dāng)水位上升至一定高度后，關(guān)閉電磁閥，水流不再進(jìn)入模型箱，水位保持穩(wěn)定。同時，試驗液壓加載設(shè)備控制坡頂荷載。其原理如圖1所示。

圖1 試驗設(shè)備原理及模型示意圖（mm）Fig.1 Schematic view of test device and slope model(mm)

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗用土為粉質(zhì)黏土，液限為25%，塑限為18.5%，顆粒比重為2.7。控制土的含水量為18%，干密度為1.6 g/cm3。試驗?zāi)Ｐ推赂?00 mm，坡度為1.5∶1（見圖1）。為減少土坡與模型箱之間的摩擦對試驗結(jié)果造成影響，并考慮到模型箱和土坡模型的高度，在土坡底部預(yù)置40 mm的地基（見圖1）。

選用分層擊實的方法達(dá)到預(yù)定干密度。每一層土層厚50 mm，共6層，根據(jù)預(yù)定干密度算出每層土質(zhì)量分別擊實。完成后，卸去模型箱長度方向一側(cè)有機玻璃，削去多余的土。同時，在土坡側(cè)面隨機嵌入白色碎瓷磚，形成隨機分布的灰度差，從而通過圖像位移相關(guān)分析實現(xiàn)位移測量[9]。

1.3 測量設(shè)備

測量設(shè)備包括力傳感器和位移傳感器，用于試驗過程中坡頂荷載和坡頂沉降的測量。圖像位移測量系統(tǒng)能夠確定試驗過程中土坡中任意一點的位移。

由于分析需要，以坡腳為原點O建立平面直角坐標(biāo)系。規(guī)定x軸水平向左為正方向，y軸豎直向上為正方向（圖1）。

1.4 試驗過程

土坡模型固定在吊籃上，離心機逐漸加速至50g，每間隔10g使加速度保持在該值一段時間使土坡變形穩(wěn)定。待土坡變形在50g條件下穩(wěn)定后，打開電磁閥，水進(jìn)入模型箱內(nèi)，水位逐漸上升，直至水位達(dá)到高于坡腳25 cm時關(guān)閉電磁閥，整個水位上升過程用時約2 min（圖2）。維持該水位不變，待土坡在該水位下變形達(dá)到穩(wěn)定后，開始分級施加坡頂荷載，每級增加5 kPa，直至土坡破壞（圖2）。

圖2 坡頂荷載與水位時程圖Fig.2 Vertical load on the slopetop and water level

2 破壞現(xiàn)象

2.1 承載特性

圖3表示了試驗中坡頂沉降的時程曲線?？梢钥闯?，蓄水階段，土坡沉降逐漸增加直至最后沉降不再變化，說明由水位變化引起的土坡變形達(dá)到穩(wěn)定。之后分級施加坡頂荷載，在坡頂荷載增加的過程中，坡頂沉降繼續(xù)增大，說明坡頂荷載的增加也引起了土坡變形。

2.2 滑裂面描述

圖4（a）是試驗結(jié)束后土坡最終破壞形態(tài)的照片。通過對圖像系列的分析，可以觀察到明顯的滑裂面，可以看到滑裂面的上端與加載板的內(nèi)邊界重合（圖4（b）），這是由坡頂加載的條件導(dǎo)致的。

圖3 坡頂沉降時程曲線Fig.3 Settlement of slope top

圖4 土坡滑裂面照片及示意圖Fig.4 Photograph and schematic view in the slope

2.3 滑裂面發(fā)展順序

為了研究土坡的漸進(jìn)破壞過程，采用點對分析法[10]研究滑裂面的發(fā)展過程。沿滑裂面選取4組點對，每組點對由位于滑裂面兩側(cè)同一高程的2個點組成。選取的點對示意圖如圖5所示，其中h、p分別表示水位和坡頂荷載（下同）。圖6給出了不同點對沿所在滑裂面切向、法向的相對位移。其中ds、dn分別表示切向、法向的相對位移。從圖中可以看出，不同點對相對位移隨沉降的變化規(guī)律相似。點對的切向相對位移明顯大于法向相對位移，說明土坡的破壞形式是剪切破壞。在水位變化和坡頂加載的聯(lián)合作用下，各點對切向相對位移均隨坡頂沉降增大而增大。當(dāng)坡頂沉降較小時，切向相對位移增長較慢；當(dāng)沉降到達(dá)某一拐點值時，切向相對位移增長速率明顯增大，說明在這一時刻之后該處土坡出現(xiàn)了向下快速滑動，可以認(rèn)為在這時刻此高程處局部滑裂面形成，土坡發(fā)生了局部破壞。在圖6中虛線表示不同高程的點對對應(yīng)的拐點。根據(jù)坡頂沉降和荷載的對應(yīng)關(guān)系可以得到不同高程發(fā)生局部破壞時相應(yīng)的水位和坡頂荷載（在圖5中進(jìn)行了標(biāo)注）?？梢钥闯觯x取的高程的局部破壞都發(fā)生在水位上升已經(jīng)完成、增加坡頂荷載的過程中，滑裂面從坡頂附近開始形成，逐漸向土坡深處發(fā)展。

圖5 點對位置及滑裂面發(fā)展過程Fig.5 Locationsof point couplesand failure sequence

圖6 點對的相對位移時程曲線Fig.6 Relative displacement parallel and perpendicular to the slip surface,respectively

3 破壞特性分析

3.1 變形發(fā)展

為了研究土坡內(nèi)的變形分布特征，圖7分析了不同高程的水平位移發(fā)展?？梢钥吹?，隨著坡頂沉降的增加，水平線上的位移也在逐漸增加。在土坡內(nèi)部，土體的位移一直很小接近零，說明荷載對這一區(qū)域的影響很小。隨著逐漸接近土坡表面，點的位移開始增加，說明荷載對這一部分土體產(chǎn)生了影響。將不同高程對應(yīng)的該點連接起來，得到一個界面，在該界面與土坡自由表面之間的區(qū)域，土體受到荷載的影響發(fā)生明顯變形，該界面命名為影響面（圖7），在圖4（b）中標(biāo)出了影響面的示意圖。同時可以看到滑裂面在加載影響區(qū)內(nèi)（圖7），并且在滑裂面附近土體位移迅速增長，這說明變形在滑裂面附近集中。

圖7 不同高程處水平位移的水平分布Fig.7 Horizontal distribution of horizontal displacement of slope

3.2 破壞機理

上述已經(jīng)指出，在滑裂面附近變形出現(xiàn)了明顯的集中，可以推測土坡的破壞與滑裂面附近土體的變形局部化有關(guān)。為進(jìn)一步研究土坡的破壞機理，圖8給出了該試驗不同高程水平位移差異度的發(fā)展時程。對每一個高程分析了4個不同時刻的水平位移差異度，分別是：滑裂面形成前（水位上升過程中）、滑裂面形成前（水位上升完成時刻）、滑裂面剛形成（局部破壞發(fā)生的時刻，即局部滑裂面形成的時刻）、滑裂面形成后（繼續(xù)施加坡頂荷載）。

圖8 不同高程處水平位移的差異度Fig.8 Diversity factor of horizontal displacement of slope

從圖8可以看出，當(dāng)水位開始上升初期，水平位移差異度在水平線上分布均勻并且數(shù)值很小。隨著水位繼續(xù)上升，水平位移差異度隨之增加，在水平分布線上出現(xiàn)小的峰值凸起，說明水位的上升使得這一位置變形局部化發(fā)展。當(dāng)水位保持不變后，繼續(xù)施加坡頂荷載，水平分布線上位移差異度繼續(xù)增加，峰值變得更加明顯，此時相應(yīng)高程處局部破壞發(fā)生。通過與圖4（b）的對比可以看到，在影響面內(nèi)側(cè)的土坡位移差異度很小，水平線上位移差異度達(dá)到峰值的位置正好是局部滑裂面出現(xiàn)的位置。這說明隨著荷載的作用，土坡內(nèi)變形局部化發(fā)展并導(dǎo)致了局部破壞的發(fā)生，產(chǎn)生局部滑裂面。當(dāng)局部破壞發(fā)生之后，坡頂荷載繼續(xù)增加，水平位移差異度繼續(xù)增長，峰值變得更加劇烈，說明局部破壞進(jìn)一步促進(jìn)了變形局部化的發(fā)展。也就是說，變形局部化發(fā)展使得局部破壞發(fā)生，而局部破壞進(jìn)一步促進(jìn)了變形局部化發(fā)展。水位及坡頂荷載聯(lián)合作用下土坡變形局部化過程和局部破壞耦合發(fā)展，導(dǎo)致了土坡最終發(fā)生了整體破壞。

3.3 不同區(qū)域變形分布特征

以影響面、滑裂面為界，將土坡從內(nèi)至外分為基體、連動體、滑動體3個區(qū)域。為了進(jìn)一步分析土坡的變形破壞特性，如圖9（a）所示，分別在不同區(qū)域內(nèi)選取典型點。

隨著坡頂荷載的增加，各點的位移都不斷增長。在同一水平線上，從土坡內(nèi)部到外部，點3號（基體）、2號（連動體）、1號（滑動體）的變形依次增加，并且點1號的位移明顯大于另外兩點（圖9（b））；在同一豎直線上，從土坡上部到下部依次選取點1號（滑動體）、4號（滑動體）、5號（連動體）、6號（基體），點的位移依次減小，并且滑動體內(nèi)的點1號和4號的位移顯著大于另外兩點（圖9（c））。這說明，在滑動體內(nèi)土體表現(xiàn)出了顯著的變形，而在土坡內(nèi)部的基體變形很小，位于滑動體和基體之間的連動體作為過渡區(qū)域也表現(xiàn)出了一定程度的變形發(fā)展。

圖9 典型點水平位移的差異度Fig.9 Diversity factor of horizontal displacement of typical points in different zones

4 結(jié)語

本文采用離心模型試驗的方法，進(jìn)行了在水位變動和坡頂加載聯(lián)合作用下粉質(zhì)黏性土坡變形破壞試驗?；谠囼灲Y(jié)果，可得到以下主要結(jié)論：

1）在水位上升過程中土坡的坡頂沉降不斷增加，土坡內(nèi)出現(xiàn)變形損傷；然后施加坡頂荷載，土坡的坡頂沉降繼續(xù)增加，損傷累積增長。在這個過程中滑裂面逐漸發(fā)展，土坡發(fā)生了漸進(jìn)破壞。

2）滑裂面的形成發(fā)生在水位上升已經(jīng)完成、坡頂荷載增加的過程中?；衙鎻耐疗律喜肯蛳虏堪l(fā)展。土坡的破壞形式為剪切破壞。

3）在荷載的作用下，可根據(jù)不同的變形特征將土坡從內(nèi)部到外部分為基體、連動體、滑動體?；瑒芋w表現(xiàn)出了顯著的變形，基體的變形很小，位于滑動體和基體之間的連動體作為過渡區(qū)域也表現(xiàn)出了一定程度的變形。

4）變形局部化發(fā)展使得局部破壞發(fā)生，而局部破壞進(jìn)一步促進(jìn)了變形局部化發(fā)展。水位及坡頂荷載聯(lián)合作用下土坡變形局部化過程和局部破壞耦合發(fā)展，導(dǎo)致了土坡最終發(fā)生了整體破壞。

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