超載作用下含砂礫石成層邊坡失穩(wěn)模型試驗(yàn)研究

吳 標(biāo)，劉 浩

(1.湖南高速工程咨詢有限公司 長沙市 410000； 2.中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司 長沙市 410000)

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，施工中遇到的復(fù)雜情況也越來越多，比如含砂礫石成層邊坡較為常見，但針對該類邊坡的研究較少，現(xiàn)場設(shè)計、施工時常將其視為均質(zhì)邊坡對待，與工程實(shí)際差別較大[1-3]。而此類邊坡失穩(wěn)造成的后果比較嚴(yán)重。比如北京市朝陽區(qū)某基坑在開挖后坡腳被水浸泡變軟，由于存在的砂礫石層變形特點(diǎn)為脆性破壞，導(dǎo)致在土壓力集中作用下發(fā)生了突然垮塌[4]。

盡管國內(nèi)外有許多專家學(xué)者對邊坡問題進(jìn)行研究[5-6]，但對于含砂礫石成層邊坡的破壞機(jī)理和穩(wěn)定性的研究較少。在實(shí)際的施工設(shè)計中，由于相關(guān)文獻(xiàn)的缺少，常將該類邊坡當(dāng)做均質(zhì)邊坡進(jìn)行分析，結(jié)果造成理論值常與實(shí)際現(xiàn)場情況相差較大[7]。為了解決相關(guān)問題和為防治該類邊坡造成的災(zāi)害提供依據(jù)，就必須了解含砂礫石成層邊坡的工作性狀，有必要開展相關(guān)研究。因此，通過模型試驗(yàn)[8]，對超載作用下含砂礫石成層邊坡的破壞模式、位移變形特征等進(jìn)行研究，為含砂礫石成層邊坡的穩(wěn)定性研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計

室內(nèi)試驗(yàn)按照1∶1的坡度比制備模型，模擬坡高100cm，將寬度為50cm的均布荷載作用于坡頂。此次一共選用6組試驗(yàn)方案(如圖1所示)，通過模擬砂礫石層所處位置的不同及厚度的變化來研究砂礫石層厚及地層埋深對邊坡破壞型式及極限承載力的具體影響。

圖1 試驗(yàn)方案圖

1.2 試驗(yàn)裝置

模型箱：箱內(nèi)正中位置設(shè)置分隔槽(分隔槽作用：安放格擋)，將其分隔出一個內(nèi)槽。內(nèi)槽周圍均由2cm鋼板和加勁肋構(gòu)成，在其約束下，土體在槽內(nèi)側(cè)位移可以忽略不計，可將其視為絕對剛性結(jié)構(gòu)。模型槽本身在試驗(yàn)過程中幾乎無變形，用螺栓將模型槽底板與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室內(nèi)地面連接，使模型槽在試驗(yàn)過程中不會產(chǎn)生豎直方向的移動，試驗(yàn)箱如圖2所示，模型箱與內(nèi)槽規(guī)格如表1所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/p>

表1 試驗(yàn)裝置規(guī)格

加載裝置：試驗(yàn)采用50t液壓千斤頂進(jìn)行加載，采用100cm(長)×5cm(厚)×50cm(寬)的矩形鋼板作為加載板。槽內(nèi)模型上部自帶工字鋼為加載反力梁，在反力梁和千斤頂中間設(shè)置壓力傳感器。設(shè)備具體布置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)加載裝置

測試設(shè)備：試驗(yàn)過程中為了獲取邊坡的位移、變形，須設(shè)置一個百分表在加載板上以便記錄坡頂沉降，同時須在每個土層分界位置處布置兩個百分表分別記錄坡面水平位移和垂直位移，布置示意圖如圖4所示。

圖4 百分表位置示意圖

1.3 試驗(yàn)材料制備

首先從工地實(shí)地取樣，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[9-10]，對取回來的土樣進(jìn)行2～3d靜置、碾碎、再靜置風(fēng)干；然后根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行篩分、儲藏、制備。通過室內(nèi)物理常規(guī)試驗(yàn)獲取土樣的基本物理性質(zhì)，試驗(yàn)內(nèi)容主要包括以下幾項(xiàng)：土顆粒比重試驗(yàn)、土樣擊實(shí)試驗(yàn)、三軸圍壓試驗(yàn)、土的液塑限試驗(yàn)，得到的主要成果如表2所示。

表2 常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果

1.4 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)按照模型填筑(圖5)、土體壓實(shí)度測試、試驗(yàn)設(shè)備安裝、模型加載、模型對半開挖的順序開展，開展過程中實(shí)時記錄數(shù)據(jù)，并進(jìn)行匯總獲得完整的試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 邊坡填筑圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 位移分析

2.1.1頂面沉降

均布荷載作用下六組試驗(yàn)方案的荷載與頂面沉降曲線如圖6所示。

圖6 荷載-頂面沉降曲線匯總圖

從曲線的整體變化趨勢得出，區(qū)分兩個界限荷載(見表3)，在坡頂荷載增加作用下，曲線基本經(jīng)歷壓密變形、局部剪切和整體破壞三個階段[11]。從圖6得知第一階段荷載-沉降曲線呈彈性變化。此時模型材料中的孔隙在頂面載荷的作用下被壓密，產(chǎn)生變形，導(dǎo)致坡頂沉降；在第二階段隨著均布荷載的增加，坡頂沉降增長速率較第一階段略有增加，荷載-沉降曲線呈平緩曲線型，加載板后緣附近有裂縫產(chǎn)生，判定模型處于局部剪切破壞階段；在第三階段，施加的坡頂荷載大于模型的極限荷載(界限荷載2)，此時模型的荷載-沉降曲線急劇變化，坡頂沉降速率迅速增大，并且坡面明顯可見大范圍裂隙，模型整體破壞，無法繼續(xù)承受頂面荷載。

表3 界限荷載

此外通過對比可以發(fā)現(xiàn)：隨著砂礫石層的下移以及厚度的減小，模型的極限荷載逐步增加，最大沉降值逐步減小，表明模型穩(wěn)定性更好。

2.1.2坡面位移

此外通過整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同試驗(yàn)方案下的坡面位移分別如圖7～圖12所示。

圖7 A-1位移-荷載曲線圖

圖8 A-3位移-荷載曲線圖

圖9 A-5位移-荷載曲線圖

圖10 A-2位移-荷載曲線圖

圖12 A-6位移-荷載曲線圖

圖7～圖12中，用2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#對應(yīng)圖4表示的百分表，百分表垂直距離為20cm，水平距離為28.28cm，其中3#百分表布置在砂礫石層底面與土層的接觸面部位，2#百分表布置在砂礫石層頂面與土層接觸面部位。

通過總結(jié)六個試驗(yàn)方案的位移-荷載曲線圖發(fā)現(xiàn)，6#、7#、8#、9#、10#測點(diǎn)在低荷載區(qū)段水平位移均隨荷載的增加呈現(xiàn)線性增長，隨著荷載繼續(xù)增大水平位移值增加速率突增，位移變化速率急劇增加，坡面出現(xiàn)大范圍開裂現(xiàn)象，邊坡失穩(wěn)破壞，無法承受荷載。2#、3#、4#、5#所測得的數(shù)值發(fā)展趨勢幾乎一致，低荷載區(qū)段坡面位移值幾乎無變化，變化程度基本一致，隨著荷載繼續(xù)增大，位移明顯變大，同時可知砂礫石層與土層頂?shù)酌娌课坏臏y點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)變化程度最大。同等條件下，測點(diǎn)數(shù)值變化值隨著距坡頂距離的增大而減少。

2.2 滑動面分析

加載使得邊坡發(fā)生破壞后進(jìn)行開挖，利用數(shù)碼相機(jī)和游標(biāo)卡尺對破壞滑動面進(jìn)行精確測量。將測量數(shù)據(jù)、照片用軟件擬合之后得到的破壞面如圖13所示。

圖13 破壞滑動面圖

通過分析破壞滑動面圖發(fā)現(xiàn)，含砂礫石成層邊坡在坡頂荷載作用下失穩(wěn)破壞模式均為局部剪切破壞，滑動面為圓弧+直線型。砂礫層距坡底為邊坡高度2/3以上時，破壞面位置為砂礫層底與土層交界面；砂礫層距坡底為邊坡高度2/3以下時，坡面水平向最大位移出現(xiàn)在距離坡底2/3以上土層分界面處。

3 結(jié)論

通過建立含砂礫石成層邊坡試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過室內(nèi)試驗(yàn)主要得出以下結(jié)論：

(1)坡頂均布載荷作用下，砂礫石成層邊坡失穩(wěn)破壞模式均為局部剪切破壞模式，滑動面近似為圓弧+直線型。

(2)在施加同等載荷的情況下，邊坡的豎直方向和水平方向最大位移會著模型的砂礫石層厚度減少而減??；隨著砂礫石層與坡底之間的距離增大而增大。邊坡坡比和荷載作用面積的增大，都會導(dǎo)致邊坡最大位移的增大。在加載過程中，坡面豎向位移在加載中心處最大，其余各測點(diǎn)在加載過程變化趨勢基本一致，均較小，直至模型破壞時其最后累積值較少。

(3)砂礫層位于邊坡高度2/3以上時(距坡底)，破壞面剪出位置為砂礫層底與土層交界面，當(dāng)砂礫層位于邊坡高度2/3以下時(距坡底)，坡面水平方向最大位移出現(xiàn)在距離坡底2/3以上土層分界面處。

(4)砂礫石成層邊坡的極限承受荷載值隨砂礫石層厚度減少而增加，也隨砂礫石層距離坡頂?shù)木嚯x增大而增加。