降雨下支護(hù)時(shí)序?qū)吰路€(wěn)定性影響離心模型試驗(yàn)

賀仁臣

（深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司,廣東 深圳 518022）

1 引言

降雨入滲是導(dǎo)致絕大部分邊坡失穩(wěn)的主要原因,史振寧等[1]、馬吉倩等[2]、付宏淵等[3]擬定不同的降雨計(jì)算方案分析降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響,得到了降雨過程中邊坡中暫態(tài)飽和區(qū)的變化規(guī)律以及對邊坡的影響。趙偲聰[4]針對降雨情況開展了土質(zhì)邊坡離心降雨模型試驗(yàn),對降雨過程中的坡體位移、含水率和孔隙水壓力的變化規(guī)律進(jìn)行分析,得到了坡體的破壞模式。王維早[5]通過大型離心模型試驗(yàn),獲得了強(qiáng)降雨條件下邊坡變形破裂情況,并判斷邊坡為推移式蠕滑-拉裂-整體滑動的滑動失穩(wěn)機(jī)制。姚裕春[6]應(yīng)用離心模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算對不同施工時(shí)序的邊坡變形破壞和應(yīng)力場情況探究,認(rèn)為邊坡的上級開挖可以先進(jìn)行臨時(shí)支護(hù),開挖完成后變?yōu)橛谰弥ёo(hù)。本文以某水利邊坡工程為研究對象,開展多組不同開挖—支護(hù)時(shí)序邊坡模型試驗(yàn),分析不同支護(hù)時(shí)序條件對邊坡穩(wěn)定性的影響,為相關(guān)邊坡工程支護(hù)工程實(shí)踐提供參考。

2 試驗(yàn)方案

2.1 方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用土工離心機(jī)型號為TLJ-3-60 gt,試驗(yàn)設(shè)計(jì)的模型箱長度為0.5 m,寬度為0.36 m,高度為0.4 m。本文研究對象為某水利邊坡工程,對此邊坡工程進(jìn)行離心模型試驗(yàn)。邊坡所屬地區(qū)地下復(fù)雜,邊坡左側(cè)高度為74 m,右側(cè)高度為16 m。邊坡一共分為6 級,每一級的高度為10 m。該邊坡工程地質(zhì)條件較差,巖層分為三類沖洪積成因粘土、礫質(zhì)粘性土和砂質(zhì)粘性土,分別位于邊坡的上、中和下層?；鶐r主要以泥盆系砂巖、泥質(zhì)砂巖及下第三系泥質(zhì)砂巖組成,第1 級邊坡坡率為0.5,第2 級和第3 級邊坡坡率相同為0.75,第4～6級的邊坡坡率相同為1。各巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖體工程參數(shù)

2.2 模型相似

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工程情況,將模型試驗(yàn)的幾何相似確定為1∶120。根據(jù)相似定律,取C=1,采用等應(yīng)力進(jìn)行模擬試驗(yàn),同時(shí)其他物理量相似比見表2。試驗(yàn)過程中為了較好地模擬現(xiàn)場的工況,模型原型簡化處理,取邊坡中心線到邊坡頂處10 m 進(jìn)行模型試驗(yàn),同時(shí)保證模型試驗(yàn)的填筑與現(xiàn)場邊坡形狀一致?？紤]模型箱邊界影響,模型試驗(yàn)采用實(shí)際工程土料進(jìn)行填筑。

表2 邊坡巖體工程參數(shù)

式中：Bmin為模型試驗(yàn)箱的最小邊長,mm；dmax為土顆粒的最大粒徑,mm；d50為土料顆粒的平均粒徑,mm。

離心模型試驗(yàn)進(jìn)行前對填筑試驗(yàn)土料進(jìn)行粒徑篩分試驗(yàn)得到dmax最大粒徑和d50平均粒徑,對于不滿足公式（1）其余粒徑按照等量替代的原則進(jìn)行處理,具體計(jì)算方式見公式（2）：

式中：Pi為處理后土料的某粒徑含量,%；Poi為原級配某粒徑含量,%；P5為大于5 mm 粒徑土的含量,%；PS為不合格粒徑的含量,%。

對試驗(yàn)土料進(jìn)行粒徑篩分試驗(yàn)并等量代替處理后,繪制的顆粒級配曲線見圖1。

圖1 粒徑級配曲線

采用重晶石粉、水泥和石膏按照1∶1.20∶1.32 比例代替砂巖,具體材料力學(xué)參數(shù)見表3。按照相似原理計(jì)算后,采用彈性模量為0.8×105MPa,直徑為1 cm 的硒絲模擬實(shí)際工程中的錨桿。

表3 砂巖模擬材料力學(xué)參數(shù)

2.3 降雨方案

為了模擬水利邊坡工程在開挖過程中的穩(wěn)定性,該模型試驗(yàn)共設(shè)計(jì)不同的開挖—支護(hù)時(shí)序12 組,其中邊開挖邊支護(hù),即實(shí)時(shí)支護(hù),ES-1～ES-6 共6 組,開挖完成后再進(jìn)行支護(hù),即非實(shí)時(shí)支護(hù),E1～E6 共6 組。為得到降雨入滲和一般條件下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的對比情況,將ES-1～ES-3 和E-1～E-3 組模型按照降雨和非降雨兩種情況進(jìn)行兩次試驗(yàn)。試驗(yàn)方案見表4。

表4 模型支護(hù)與降雨情況

試驗(yàn)中采用所用optoNCDT-1401 型激光位移傳感器,對坡體在開挖和支護(hù)過程中坡頂、坡面和坡腳的變形進(jìn)行監(jiān)測,同時(shí)配合高速攝影裝置記錄邊坡和坡腳處大頭針的位移進(jìn)行觀測,得到邊坡沉降情況。

采用自行設(shè)計(jì)的降雨裝置進(jìn)行邊坡降雨模擬,該降雨裝置主要由輸水系統(tǒng)和降雨器兩大部分組成,見圖2,降雨裝置由上到下由水箱、電磁閥、輸水管、降雨器組成,為了達(dá)到在離心場中均勻降雨的情況,并在底部鋪設(shè)土工布。

圖2 降雨器裝置示意圖

該模型試驗(yàn)邊坡填筑主要分四個(gè)過程：第一,根據(jù)相似原理,計(jì)算模型尺寸；第二,按照計(jì)算尺寸在箱體進(jìn)行坡體形狀繪制,并固定擋板；第三,按照實(shí)際坡體的工程地質(zhì)情況,對模型箱進(jìn)行裝土填筑,填筑過程中坡體分層抹平、擊實(shí)和標(biāo)記；第四,根據(jù)試驗(yàn)方案,對每一級邊坡進(jìn)行削坡,同時(shí)要采取保護(hù)措施。整個(gè)模型完成后,需要上機(jī)進(jìn)行固結(jié)沉降模擬實(shí)際邊坡情況,然后對邊坡進(jìn)行開挖和支護(hù)處理,繼續(xù)上機(jī)提高重力加速度至破壞,試驗(yàn)過程重復(fù)至結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 開挖變形分析

兩種開挖—支護(hù)時(shí)序下坡頂處水平和豎向位移變形情況對比,見圖3 和圖4,相比開挖后不及時(shí)支護(hù),開挖后及時(shí)支護(hù)可以更好的控制邊坡水平和豎向的位移變形,比較開挖初期（第1 級）結(jié)束,采用開挖后及時(shí)支護(hù)情況下,邊坡水平和豎向變形分別減少34.6%和53.2%,全部開挖（第6 級）結(jié)束,邊坡水平和豎向變形分別減少32.1%和10.3%,表明實(shí)時(shí)支護(hù)在開挖初期對豎向變形控制效果明顯。

圖3 坡頂開挖過程中的水平位移

圖4 坡頂開挖過程中的豎向位移

兩種開挖—支護(hù)時(shí)序下坡腳處水平和豎向位移變形情況對比,見圖5、圖6,相比邊坡開挖不及時(shí)支護(hù),及時(shí)支護(hù)情況下坡腳水平位移減小,但從開挖初期（第1 級）到開挖結(jié)束（第6 級）降幅情況顯著,由27.36%降到了21.3%。而豎向變形方面,兩種工況在第3 級和第5 級開挖結(jié)束后變形基本一致,最終邊坡完全開挖結(jié)束后,不及時(shí)支護(hù)情況坡腳的變形更大。

圖5 坡腳開挖過程中水平位移

圖6 坡腳開挖過程中的豎向位移

3.2 開挖穩(wěn)定性分析

無論是及時(shí)支護(hù)和不及時(shí)支護(hù)工況,開挖過程中坡頂沉降變形速率隨著離心加速度的增加而加快見圖7。兩種開挖一支護(hù)時(shí)序施工方法的穩(wěn)定系數(shù)曲線見圖8 和圖9,兩種工況在開挖過程中不同級開挖時(shí)邊坡穩(wěn)定性表現(xiàn)不同,及時(shí)支護(hù)情況下邊坡由剛開挖時(shí)到第2 級再到最后開挖結(jié)束,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)先減小到1.17 后又增大到1.46；不及時(shí)支護(hù)情況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)由1.39 一直降到0.86,此時(shí)邊坡已失穩(wěn),降雨?duì)顟B(tài)下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降更明顯,最終降幅達(dá)到19.2%。因此及時(shí)支護(hù)對邊坡降雨條件下開挖過程中穩(wěn)定狀態(tài)更好。

圖7 坡頂處無量綱沉降隨離心加速度水平變化曲線

圖8 及時(shí)支護(hù)穩(wěn)定系數(shù)發(fā)展曲線

圖9 未及時(shí)不支護(hù)穩(wěn)定系數(shù)發(fā)展曲線

3.3 降雨時(shí)開挖穩(wěn)定性分析

模型試驗(yàn)中模擬及時(shí)支護(hù)的施工方式為ES-4、ES-5 和ES-6,而模擬未及時(shí)支護(hù)為E-4、E-5 和E-6。對兩種工況下不同降雨條件下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)分析結(jié)果見圖10、圖11。兩種工況邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨降雨量的增大而明顯減小,當(dāng)降雨量分別為50 mm、100 mm 和200 mm 時(shí),相比于邊坡開挖過程中及時(shí)支護(hù)其穩(wěn)定系數(shù)最大降幅達(dá)到12.3%,而未及時(shí)支護(hù)情況下最大降幅達(dá)到92.6%,約前者的7.5 倍,表明降雨下邊坡開挖過程中應(yīng)做到及時(shí)支護(hù)。

圖10 及時(shí)支護(hù)工況降雨后穩(wěn)定系數(shù)發(fā)展曲線

圖11 未及時(shí)支護(hù)工況降雨后穩(wěn)定系數(shù)發(fā)展曲線

4 結(jié)論

通過采用大型土工離心機(jī)模擬降雨條件下的多級高邊坡不同開挖—支護(hù)時(shí)序下的變形特性及穩(wěn)定性。主要得出以下結(jié)論：

（1）采用及時(shí)支護(hù)可以有效的控制坡頂處水平和豎向的位移,全部開挖結(jié)束,邊坡水平和豎向變形分別減少32.1%和10.3%,及時(shí)支護(hù)邊坡在開挖初期對豎向變形控制效果明顯。

（2）及時(shí)支護(hù)情況下邊坡開挖過程中穩(wěn)定性系數(shù)先降低后增加,而未及時(shí)支護(hù)邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨開挖逐漸降低,整個(gè)邊坡開挖結(jié)束后未及時(shí)支護(hù)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降幅程度約是及時(shí)支護(hù)情況的3 倍。

（3）及時(shí)支護(hù)和未及時(shí)支護(hù)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)都隨著降雨量的增大而降低,并且隨著入滲作用邊坡穩(wěn)定系數(shù)會持續(xù)下降,在相同降雨量情況下,相比于及時(shí)支護(hù)邊坡的穩(wěn)定系數(shù),未及時(shí)支護(hù)邊坡降低50%以上。