含軟弱夾層開(kāi)挖邊坡變形特征物理模型試驗(yàn)研究

茍水泉

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002)

1 概 述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要不斷增大。水利工程的建設(shè)對(duì)于造福當(dāng)?shù)厝嗣裆詈痛龠M(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。但是，我國(guó)幅員遼闊，地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。為了在山區(qū)河流上修建水利水電工程，有時(shí)不得不對(duì)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖。但是，不合理的開(kāi)挖方式必然會(huì)造成邊坡的失穩(wěn)，對(duì)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活安全產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。目前，大量的專家學(xué)者對(duì)開(kāi)挖邊坡進(jìn)行了研究。穆成林等[1]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)含不連續(xù)軟層邊坡的變形破壞特征進(jìn)行了研究，總結(jié)邊坡變形演化過(guò)程，可作為類似工程的參考。李韜等[2]采用數(shù)值模擬方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)白鶴灘水電站開(kāi)挖邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性研究。唐紅梅等[3]采用相似材料物理模型試驗(yàn)方法，對(duì)順層邊坡開(kāi)挖破壞過(guò)程進(jìn)行了研究。湯明高等[4]采用底摩擦的方法對(duì)斜坡潰屈特征進(jìn)行了研究。陳沖、陳從新等[5-6]對(duì)不同巖層傾角的順層巖質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)制進(jìn)行研究。馮文凱等[7]使用底摩擦物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)緩傾角層狀邊坡變形破壞機(jī)制進(jìn)行研究。袁大祥、李聰[8-9]等對(duì)地質(zhì)力學(xué)模型進(jìn)行研究，構(gòu)建了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的新方法。

本文以貴州一處水利工程進(jìn)場(chǎng)公路開(kāi)挖造成的邊坡滑塌為研究對(duì)象，在現(xiàn)場(chǎng)踏勘的基礎(chǔ)上，采用底摩擦的物理方法對(duì)邊坡開(kāi)挖后的應(yīng)力變化和變形破壞特征進(jìn)行研究。開(kāi)挖邊坡全貌見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)挖邊坡全貌圖

2 工程概況

該開(kāi)挖邊坡位于貴州省，邊坡總高度為59 m，長(zhǎng)約100 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該邊坡的巖體為二疊系中統(tǒng)茅口組灰?guī)r(P2m)，層厚為10～20 cm，巖層產(chǎn)狀為130°∠27°，存在兩組結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀為①220～225°∠80～85°，②110～15°∠45～55°，灰?guī)r顏色為灰色-深灰色，夾有少量白云質(zhì)灰?guī)r。邊坡表層巖體風(fēng)化較為嚴(yán)重為強(qiáng)風(fēng)化，底部為中風(fēng)化。該邊坡共分布有3層軟弱夾層，厚度為20 cm，風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度較低，較濕潤(rùn)，難以搓條。該邊坡的破壞主要是沿著最底部軟弱夾層發(fā)生，該層軟層控制了邊坡的穩(wěn)定性情況，為主控結(jié)構(gòu)面。軟弱夾層特征見(jiàn)圖2。

圖2 軟弱夾層

3 邊坡破壞特征

該開(kāi)挖邊坡前緣為開(kāi)挖公路，公路下方為農(nóng)田。邊坡整體落差較大。邊坡后緣為基巖，拉裂縫位于坡頂位置，在坡體表面植被較為發(fā)育。在坡體內(nèi)分布有較多的拉張裂隙，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查訪問(wèn)，邊坡的破壞不是一次發(fā)生的，而是發(fā)生了多次規(guī)模不同得破壞。邊坡破壞的左邊界為陡傾角的結(jié)構(gòu)面，走向與邊坡的主滑方向基本一致，見(jiàn)圖3。破壞邊坡在形態(tài)上呈扇形。邊坡的破壞嚴(yán)重威脅到過(guò)往行人和車輛的安全。

圖3 滑坡左邊界

4 物理模擬分析

底摩擦實(shí)驗(yàn)主要使用摩擦力來(lái)模擬重力，當(dāng)實(shí)驗(yàn)樣品小于某一厚度時(shí)，可認(rèn)為摩擦力在模型內(nèi)是均勻分布的。儀器能隨時(shí)勻速改變橡皮帶轉(zhuǎn)速；可直接觀測(cè)摩擦力大小，可通過(guò)改變轉(zhuǎn)速控制摩擦力大?。豢筛鶕?jù)試驗(yàn)需要隨時(shí)啟停。

4.1 模型相似比及材料確定

將原型和模型之間具有相同量綱的物理量之比稱為相似比，用字母C來(lái)表示。定義Cl為長(zhǎng)度相似比，Cγ為容重相似比，Cu為位移相似比，Cσ為應(yīng)力相似比，Cσc為抗壓強(qiáng)度相似比，Cσt為抗拉強(qiáng)度相似比，Cε為應(yīng)變相似比，CE為彈性模量相似比，Cc為內(nèi)聚力相似比，Cφ為摩擦角相似比，Cμ為泊松比相似比，Cf為摩擦因數(shù)相似比。參考物理模擬實(shí)驗(yàn)的相似原理，結(jié)合彈性力學(xué)方程，可以推導(dǎo)出線彈性問(wèn)題基本相似判據(jù)為：Cσ=CE=Cc=Cσc=Cσt；Cu=Cl；Cσ=CγCl；Cφ=Cf=Cε=Cμ=1。據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件，選擇室內(nèi)模型與現(xiàn)場(chǎng)原型線性比例為Cl=100，相似材料容重比為Cγ=1.5。根據(jù)上述判據(jù)得知，Cσ=CE=Cc=Cσc=Cσt=150，Cu=Cl=100。查閱相關(guān)資料[10-11]，實(shí)驗(yàn)材料配比和巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 底摩擦實(shí)驗(yàn)材料配比

表2 巖體(中風(fēng)化灰?guī)r)物理參數(shù)表

4.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，該邊坡高為59面m。本次物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)邊坡高度為59 cm。設(shè)計(jì)開(kāi)挖高度為5 m。使用錫箔紙來(lái)模擬軟弱夾層。在邊坡畫(huà)線來(lái)監(jiān)測(cè)邊坡的變形。建立的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖4。

圖4 底摩擦物理模型圖

4.3 試驗(yàn)步驟

1) 進(jìn)行底摩擦實(shí)驗(yàn)儀的自檢，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，使底摩擦儀進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)并保持穩(wěn)定10 min以上。

2) 按照計(jì)算的相似材料比配置一定量的材料，將材料均勻鋪在橡皮帶上，壓實(shí)至厚10 mm，打開(kāi)底摩擦儀，在摩擦力的作用下對(duì)鋪好的材料進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，持續(xù)30 min。關(guān)閉底摩擦儀，用小刀將材料刻畫(huà)為設(shè)計(jì)的形狀，刻畫(huà)出軟弱夾層和節(jié)理面，并用馬克筆畫(huà)上監(jiān)測(cè)線。

3) 打開(kāi)底摩擦儀開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并用數(shù)碼相機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中斜坡的變形特征，將實(shí)驗(yàn)時(shí)間保持在24 h左右。

4.4 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

當(dāng)橡皮帶開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后，模型在摩擦力作用下受到擠密，斜坡表層巖體向坡腳運(yùn)動(dòng)，位移變形量不斷地增大，并且在坡腳位置產(chǎn)生最大的位移變形量。隨著實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，在挖方邊坡坡肩位置，高度25 cm處出現(xiàn)拉張裂縫，形狀為階梯狀，寬度約為0.3 cm(對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際寬度為0.3 m)，向下延伸0.65 cm(對(duì)應(yīng)實(shí)際條件為0.65 m)；在實(shí)驗(yàn)的中后階段，開(kāi)挖的一級(jí)邊坡中，出現(xiàn)大量的拉張裂縫，張開(kāi)程度從0.5～1.5 cm(對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際寬度為0.5～1.5 m)，垂直開(kāi)挖坡面向下延伸至5～7 cm(對(duì)應(yīng)實(shí)際深度5～7 m),在邊坡中出現(xiàn)小范圍的滑動(dòng)，滑動(dòng)距離約為0.15 cm(對(duì)應(yīng)實(shí)際距離約為0.15 m)，在開(kāi)挖邊坡的坡腳，不同的巖層之間產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng)，巖層沿著軟弱夾層向臨空方向運(yùn)動(dòng)；在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的最后階段，開(kāi)挖邊坡完全破壞，滑體堆在斜坡坡腳位置，變形見(jiàn)圖5。

圖5 底摩擦物理模型破壞圖

4.5 變形破壞機(jī)制分析

邊坡開(kāi)挖后，該邊坡產(chǎn)生了兩次滑動(dòng)，首先是靠近坡腳的位置產(chǎn)生了第一次的滑動(dòng)破壞。底部破壞后，上部巖體形成較好的臨空面，在降雨作用下，上部巖體也產(chǎn)生向下的滑動(dòng)。研究邊坡的破壞主要是由坡腳開(kāi)挖引起的，坡腳的開(kāi)挖首先在邊坡的坡腳位置形成良好的臨空面，由于坡體本身結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，有利于雨水的入滲，造成軟弱夾層強(qiáng)度的急劇降低，最終在坡體中部拉裂，向下滑動(dòng)，形成邊坡的第一次破壞。當(dāng)下部巖體破壞后，再一次形成較好的臨空條件，上部巖體亦產(chǎn)生向下的滑動(dòng)。邊坡變形破壞示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 邊坡變形破壞機(jī)制示意圖

5 結(jié) 論

1) 該邊坡的變形失穩(wěn)主要是由于公路建設(shè)過(guò)程中的不合適開(kāi)挖引起的。開(kāi)挖造成了邊坡坡腳位置形成良好的臨空條件，促進(jìn)了邊坡的變形失穩(wěn)。

2) 根據(jù)底摩擦物理模擬分析，重現(xiàn)了邊坡的變形失穩(wěn)過(guò)程，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果較為符合，邊坡的失穩(wěn)不是一次形成的，而是發(fā)生了兩次滑動(dòng)。底部的滑動(dòng)造成上部巖土體形成良好的臨空面，繼而上部巖體也產(chǎn)生破壞。

3) 在對(duì)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)提前做好支護(hù)措施，避免開(kāi)挖邊坡破壞對(duì)施工人員產(chǎn)生威脅。