模型試驗(yàn)下的公路邊坡合位移演化分析

李雪

摘要：為了明確底部開挖對(duì)公路邊坡穩(wěn)定性的影響，以梅州至平遠(yuǎn)高速公路工程為背景，采用多步開挖的方法結(jié)合全尺寸邊坡模型進(jìn)行試驗(yàn)。在坡體中布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄坡向及垂直位移，隨后將兩方向位移作為分量進(jìn)行組合位移計(jì)算分析，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納。研究結(jié)果表明：1）邊坡上部區(qū)域整體穩(wěn)定，內(nèi)部應(yīng)力變化慢，滑坡往往由內(nèi)部蠕變?cè)斐?，因此上部區(qū)域合位移偏角值較為穩(wěn)定，而下部區(qū)域因易受開挖影響，位移角波動(dòng)顯著;2）通過對(duì)邊坡下部區(qū)域計(jì)算，其滑動(dòng)面傾角理論值為30°～60°，試驗(yàn)中觀測(cè)到了一致的情況，而受土體堆積作用，后期土體斷面幾乎與坡面平行。研究得到了滑坡發(fā)生前合位移的偏轉(zhuǎn)角及滑坡斷面方向變化規(guī)律，相關(guān)結(jié)果可作為預(yù)測(cè)邊坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，對(duì)評(píng)估公路邊坡穩(wěn)定性具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：巖土力學(xué);公路邊坡;多步開挖;模型試驗(yàn);合位移

中圖分類號(hào)：TU41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.7535/hbgykj.2021yx06011

Analysis on the evolution of combined displacement of

highway slope under model test

LI Xue

（Guangzhou Expressway Company Limited，Guangzhou，Guangdong 511458，China）

Abstract：In order to clarify the influence of bottom excavation on highway slope stability，taking Meizhou-Pingyuan highway project as the background，the multi-step excavation method combined with full-scale slope model was used for test.Six monitoring points were arranged in the slope to record the slope direction and vertical displacement，and then the two-direction displacement was calculated and analyzed as components，which was summarized in combination with the test results.The results show that：1） the upper part of the slope is stable as a whole，the internal stress changes slowly，and the landslide is often caused by internal creep.Therefore the upper combined displacement angle is more stable，while the lower area is more easily affected by excavation，and the displacement angle fluctuates significantly;2） through the calculation of the lower part of the slope，the theoretical value of the inclination angle of the sliding surface is 30°～60°.The consistent situation has been observed in the test，but due to the accumulation of soil，the cross section of the soil is almost parallel to the slope in the later stage.The deflection angle of the displacement before the occurrence of the landslide and the changing law of the direction of the landslide section are obtained.the relevant results can be used as an important index for predicting slope stability and have certain reference for evaluating highway slope stability.

Keywords：rock and soil mechanics;highway slope;multi-step excavation;model test;combined displacement

近年來，由于降雨、地震等自然災(zāi)害導(dǎo)致的滑坡頻繁發(fā)生，造成了一定的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[1-2]。長(zhǎng)期以來，一直有學(xué)者對(duì)滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析[3-4]。在監(jiān)測(cè)手段中，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）是獲取滑坡表面實(shí)時(shí)三維矢量變形指標(biāo)的主要技術(shù)之一，已經(jīng)成為高精度監(jiān)測(cè)復(fù)雜區(qū)域滑坡的通用系統(tǒng)[5-6]。但是，無論是從設(shè)備造價(jià)還是安裝技術(shù)方面，專業(yè)的GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備要求較高，設(shè)備的高成本限制了其大規(guī)模應(yīng)用，大部分發(fā)展中國(guó)家不可能大規(guī)模部署GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備[7]。因此，為節(jié)約成本，基于不同類型的傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組合成的預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作中，大規(guī)模使用的邊坡預(yù)警系統(tǒng)往往包括溫度傳感器、濕度傳感器、位移傾斜計(jì)和無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等[8-9]。

當(dāng)坡底具備開挖條件時(shí)，主要采用位移法對(duì)邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此時(shí)邊坡破壞的時(shí)間-位移關(guān)系存在如圖1所示的各個(gè)階段：1）位移速率相對(duì)較低的蠕變階段;2）蠕變發(fā)生時(shí)，位移速率不變的階段;3）位移速率快速增加的階段[10-12]。

HAYASHI等[13]從位移相位和位移速度2個(gè)方面研究了邊坡破壞的過程，根據(jù)邊坡破壞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算位移速率;IWATA等[14]基于試驗(yàn)，選取正位移加速度對(duì)第3次蠕變階段進(jìn)行分析，但降雨條件下往往導(dǎo)致的坡體孔隙水壓力上升，而底部開挖往往引起的內(nèi)部應(yīng)力變化，此時(shí)蠕變理論并不適用。相關(guān)研究表明，在非飽和條件下，模型邊坡土層剪切應(yīng)變隨體積含水量的增加或基質(zhì)吸力的減小而增大，但增幅較小，之后隨著孔隙水壓的增大而增大。剪切應(yīng)變與正孔隙壓力呈雙曲線關(guān)系，最大孔隙壓力在土層最深處最大，而在邊坡底部開挖或回填時(shí)候，內(nèi)部應(yīng)力也隨時(shí)發(fā)生改變，且較難預(yù)測(cè)[15]。SASAHARA等[16]采用地表位移監(jiān)測(cè)與土體蠕變理論（應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系）相結(jié)合的方法來預(yù)測(cè)淺層滑坡的起滑時(shí)間。結(jié)果表明，隨著剪切應(yīng)變或地表位移的增加，深層土體的應(yīng)變?cè)隽勘群臀灰圃隽勘染呌诹?，這意味著土層接近臨界（破壞）狀態(tài)。上述研究均表明了應(yīng)變?cè)隽勘群臀灰圃隽勘瓤梢灶A(yù)測(cè)邊坡的失穩(wěn)狀態(tài)。

本研究以梅州至平遠(yuǎn)高速公路工程為背景，在室內(nèi)建立大規(guī)模邊坡模型并持續(xù)進(jìn)行降雨模擬，采用多步開挖的方法進(jìn)行挖掘，并記錄過程中的土體崩塌情況，記錄坡向及垂直位移，隨后將兩方向位移作為分量組合，進(jìn)行合位移分析，并探究底部開挖對(duì)公路邊坡穩(wěn)定性的影響。

1研究方法

1.1研究背景

梅州至平遠(yuǎn)高速公路工程K1+215～K1+305段左側(cè)路塹邊坡從山頂經(jīng)過，山坡地形稍陡，總體地勢(shì)北高向南西緩傾。山坡上植被主要有松樹、灌木、雜草等。挖方路基位置在山頂，山腳有小路與公路相通，交通條件相對(duì)較差，場(chǎng)區(qū)地貌屬于剝蝕丘陵地貌。邊坡長(zhǎng)為90 m，最大坡高為23.5 m，坡腳主要集中于30°～37°。場(chǎng)區(qū)位于山頂位置，地勢(shì)較高，地表無長(zhǎng)年性水流，僅在雨季有短暫地表徑流;地下水由上部土層孔隙潛水和深部基巖裂隙水組成，含水量較小，其補(bǔ)給來源主要靠大氣降水的入滲，排泄基準(zhǔn)面為山坡底部的沖溝。邊坡截面圖如圖2所示。

1.2全尺寸邊坡模型和測(cè)量裝置

圖3和圖4分別是邊坡模型試驗(yàn)實(shí)物圖和測(cè)量裝置圖。模型尺寸（斜面高度×監(jiān)測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)度）為350 cm×400 cm。

為達(dá)到與實(shí)際勘測(cè)的邊坡尺寸相似效果，坡腳預(yù)設(shè)為30°，坡頂長(zhǎng)度為170 cm，模型的邊坡都是用黏土制作而成的，側(cè)面應(yīng)用聚乙烯板材料以降低接觸面摩擦。材料參數(shù)如表1所示。

1.3試驗(yàn)過程及開挖結(jié)果

整個(gè)試驗(yàn)挖掘了8次才達(dá)到了最后的崩塌效果，詳細(xì)的開挖區(qū)域以及其持續(xù)時(shí)間、破壞情況如表2所示。圖5顯示了模型邊坡各個(gè)開挖階段其側(cè)面形態(tài)。邊坡最終的破壞形態(tài)如圖6所示。

2合位移分析

在土體滑落前，垂直方向的移動(dòng)并不保持一定。研究表明，土體邊坡的中部上方和左邊上部的位移不斷增加，其垂直方向的位移也隨之不斷增加。

2.1合位移與滑動(dòng)面方向的關(guān)系

土體滑動(dòng)面上位移和方向位移的關(guān)系如圖7所示。

本研究做了一定的簡(jiǎn)化：一是簡(jiǎn)化變形形態(tài)，只考慮滑動(dòng)面的剪切變形;二是假設(shè)滑動(dòng)面和坡面方向的移動(dòng)是相同的，那么合位移R就可以由坡面方向位移S和垂直方向位移N組合得到，位移偏角α的計(jì)算公式如下：

α=tan-1NS。（1）

垂直位移dN和剪切位移dS作為分矢量組合成合位移dR。當(dāng)剪切發(fā)生時(shí)，隨著dN減小，dS持續(xù)增加，土體保持不變的狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，dS與dR的整體方向是一致的。由于滑動(dòng)面上的位移和坡面方向位移的增加，水平方向夾角（θ+α）與合位移R逐漸形成傾斜角β，即α=β-θ。

坡面方向位移與合成位移的偏角α的關(guān)系如圖8所示。

當(dāng)坡面與滑面方向一致時(shí)，dR方向也與坡面方向一致，相關(guān)公式表示為α=β-θ，θ=β，α=0;而坡面與滑面方向不一致時(shí)，dR方向也與坡面方向隨之發(fā)生改變。而dN在破壞發(fā)生前往往不等于0，N的增加量計(jì)算如式所示：

ΔN=ΔS×tan α。（2）

N和S的相關(guān)變化關(guān)系如圖9所示。它們之間往往形成近似為α角傾斜的直線。如果破壞發(fā)生前傾角α為0，則可推測(cè)坡面與滑面方向一致且垂直位移不變。

2.2合位移偏角隨時(shí)間的變化

邊坡下部的合位移偏角α的時(shí)程曲線如圖10所示。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示位移的偏角度數(shù)?？梢钥闯觯? 800 s之前，左下方偏角α升降幅度顯著，在滑坡發(fā)生前逐漸變?yōu)楣潭ㄖ?。而? 500 s前，dS的中部及斜面右下方處偏角α變化幅度顯著，而在此之后中部下方遞減、右下方遞增。邊坡上部合位移偏角α隨時(shí)間的變化如圖11所示。

從圖11可以分析出，第5次挖掘中合位移偏角α在原來的基礎(chǔ)上減小了3°左右。而合位移偏角α基本無明顯升降是在22 000 s的時(shí)候，在土體滑落時(shí)，偏角α先是變小然后再是增大，最后成為固定值。

2.3坡面方向位移與合位移偏角關(guān)系

合位移偏角是隨著時(shí)間不斷變化的，在滑坡發(fā)生前尤為顯著，坡面方向位移亦隨之大幅度增加。從圖12中可以看出土體邊坡坍塌前的整個(gè)過程。圖12 a）闡述了偏角α和下方位移的關(guān)系。當(dāng)其左下坡向的位移約為9.80 mm時(shí)，傾角隨之折減;而當(dāng)坡向位移超過14.5 mm時(shí)，后者趨于0。對(duì)于中央下方的研究結(jié)果顯示，當(dāng)其至坡向位移約為3.5 mm時(shí)，傾角呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。對(duì)斜面右下方的研究結(jié)果顯示，偏角持續(xù)下降至位移約6.8 mm處時(shí)才出現(xiàn)平穩(wěn)階段，隨后偏角持續(xù)上升直到坡面位移約15 mm處。而圖12 b）表明了偏角α和上部坡面方向位移的關(guān)系，結(jié)果顯示在上方位移約為1.0 mm處，合位移偏角α逐漸增大，增大到78°時(shí)趨于穩(wěn)定，而此時(shí)位移達(dá)到了2.6 mm。在坡面方向位移到8 mm之后，合位移偏角就會(huì)變小，到最后達(dá)到一個(gè)固定數(shù)值。

綜上分析可以得出如下結(jié)論，在土體邊坡上方，偏角α是固定值，而在下方其偏角的大小會(huì)隨著坡面位移的變化而變化，沒有具體的變化函數(shù)。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，土體邊坡挖掘較為復(fù)雜且不穩(wěn)定，邊坡下方在第5次挖掘時(shí)失穩(wěn)滑落，這導(dǎo)致合成偏角α的不固定升降。而在第8次挖掘土體邊坡上方時(shí)，整個(gè)坡面受蠕變而發(fā)生滑落。這是因?yàn)橥馏w邊坡上方的位置較為穩(wěn)定，內(nèi)部應(yīng)力變化較慢，所以挖掘時(shí)間較長(zhǎng)，次數(shù)較多，合成偏角α在土體坍塌前是趨于穩(wěn)定的。

2.4合位移和滑動(dòng)面的傾角

從對(duì)圖12 a）的分析得出，坡面左下方的傾角是18°，中部下方的傾角是15°，當(dāng)坡面傾角θ=30°時(shí)，滑動(dòng)面傾角β為45°～60°。第1—3次開挖時(shí)，其傾角在60°左右，與計(jì)算所得一致。第5次挖掘后，土體斷面幾乎與坡面平行，滑動(dòng)面的傾角小于60°，研究分析其原因是土體崩塌后，不斷堆積造成的。

而在上部區(qū)域，滑坡發(fā)生前合位移的傾角α約為80°，而中部上方是5°，右上方是2°。將右上方與中部上方進(jìn)行組合分析可知，合位移與坡向一致，其原因是滑動(dòng)面的形狀突兀，左上方計(jì)算傾角為108°。

3結(jié)語(yǔ)

本研究以梅州至平遠(yuǎn)高速公路工程中的邊坡施工為背景，通過對(duì)全尺寸模型邊坡多段式開挖，多點(diǎn)坡面方向位移以及垂直方向位移的測(cè)定分析對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了討論，研究結(jié)論如下。

1）通過對(duì)合位移與坡面方向夾角即合位移偏角的分析可知，隨著開挖時(shí)間的增加，邊坡下部區(qū)域因?yàn)楦资荛_挖影響，位移角波動(dòng)顯著，但未發(fā)現(xiàn)相關(guān)變化規(guī)律;邊坡上部區(qū)域整體穩(wěn)定，內(nèi)部應(yīng)力變化慢，滑落往往由內(nèi)部蠕變?cè)斐?，因此上部合位移偏角值較為穩(wěn)定。

2）邊坡下部計(jì)算得到的滑動(dòng)面傾角約為30°～60°，與試驗(yàn)中開挖面傾角相同，而受土體堆積作用，后期土體斷面幾乎與坡面平行。邊坡上部合位移方向與坡面方向幾乎一致，滑動(dòng)面與坡面傾角相同。因此，研究發(fā)現(xiàn)可采用理論計(jì)算及試驗(yàn)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的辦法評(píng)估不同階段的滑坡位移方向。

研究得到了滑坡發(fā)生前合位移的偏轉(zhuǎn)角及滑坡斷面方向變化規(guī)律，相關(guān)結(jié)果可作為預(yù)測(cè)邊坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。但是因?yàn)樵囼?yàn)次數(shù)較少且監(jiān)測(cè)范圍有限，關(guān)于諸如下部偏轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律未能給出一定的量化分析，后期研究會(huì)增加試驗(yàn)數(shù)量，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，詳細(xì)分析不同降雨強(qiáng)度、坡腳、壓實(shí)度等條件下位移演化規(guī)律，為公路邊坡穩(wěn)定性研究提供經(jīng)驗(yàn)支持。

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