黏性土邊坡臨界滑動(dòng)面確定的新方法

張愛(ài)卿, 李金云, 單 煒, 郭 穎

(1. 北華航天工業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 河北 廊坊 065000; 2. 東北林業(yè)大學(xué) 寒區(qū)科學(xué)與工程研究院, 黑龍江 哈爾濱 150040)

邊坡臨界滑動(dòng)面的確定是研究邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1-4].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于邊坡臨界滑動(dòng)面的確定做了大量卓有成效的研究.Cheng等[5]和Sultan等[6]分別從理論上研的確定方法.李寧等[7]提出利用摩擦-接觸型界面單元模擬滑動(dòng)面.介玉新等[8]提出了采用最大加速度評(píng)價(jià)邊坡安全性的方法.楊建成[9]提出一種新的局部強(qiáng)度折減法,其分析結(jié)果與工程實(shí)際情況吻合較好.張玉成等[10]利用有限元法對(duì)邊坡的變形場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析,并以此確定滑動(dòng)面.蔣澤鋒[11]充分利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)建立了邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)計(jì)算系統(tǒng).綜上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者多是在有限元理論的框架下,以安全系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)確定邊坡臨界滑動(dòng)面,其并不適合公路檢測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)操作應(yīng)用.

近年來(lái)簡(jiǎn)易貫入法在工程檢測(cè)中得到了大量的應(yīng)用.潘芷加等[12]利用簡(jiǎn)易貫入法分析了災(zāi)害場(chǎng)地土層土壤的軟弱特性.郭穎[13]利用簡(jiǎn)易貫入法探測(cè)出凍土地區(qū)土體融化深度.李金云等[14]將簡(jiǎn)易貫入法作為確定低液限黏土路基壓實(shí)度的新方法.因此,引入簡(jiǎn)易貫入法作為確定黏性土邊坡臨界滑動(dòng)面的新方法,構(gòu)建簡(jiǎn)易貫入次數(shù)與承載力的關(guān)系式,選取某公路黏性土路塹邊坡,實(shí)測(cè)簡(jiǎn)易貫入次數(shù),計(jì)算得出邊坡承載力值,并繪制邊坡承載力突變點(diǎn)曲線圖,依此確定邊坡臨界滑動(dòng)面,并與有限元法和理論方法進(jìn)行比對(duì),為快速準(zhǔn)確地確定黏性土邊坡臨界滑動(dòng)面提供了新的方法.

1 簡(jiǎn)易貫入次數(shù)與承載力的關(guān)系

1.1 簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)

簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)屬于動(dòng)力觸探的一種,由于該試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和土層的適用范圍廣,被廣泛應(yīng)用于判斷土體的物理力學(xué)性質(zhì)[15-16],其組成如圖1所示.簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)是將穿心錘放置一定高度后自由落下,使勢(shì)能轉(zhuǎn)化為貫入土體的動(dòng)能.

圖1 簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)儀組成Fig.1 Composition of simple penetration tester

研究表明[14-15]:當(dāng)觸探桿貫入土層深度為10 cm時(shí),記錄此時(shí)的錘擊數(shù),以此判定土的力學(xué)特性.

式中:Δh為觸探桿貫入土層的深度,m;hn為第n次錘擊時(shí)卷尺的讀數(shù),cm;hn-1為第n-1次錘擊時(shí)卷尺的讀數(shù),cm;N為錘擊次數(shù),次;Nd為所求的實(shí)測(cè)擊數(shù),次.

1.2 簡(jiǎn)易貫入次數(shù)與承載力的關(guān)系式

對(duì)于地基承載力可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)確定,當(dāng)土體為黏性土或粉土?xí)r,按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]要求,選取黏性土承載力標(biāo)準(zhǔn)值與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的關(guān)系作為標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)與地基承載力的關(guān)系,關(guān)系式如下:

fk=19N-74

(3)

式中:N為標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù),次;fk為地基承載力,kPa.

已知簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的貫入次數(shù)存在著2倍的關(guān)系[16-17].借鑒標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)與地基承載力的研究結(jié)果,在公式(3)的基礎(chǔ)上建立簡(jiǎn)易貫入次數(shù)與承載力的關(guān)系式.

fkj=9.5Nj-74

(4)

式中:Nj為簡(jiǎn)易貫入次數(shù),次;fkj為承載力,kPa.

2 簡(jiǎn)易貫入法確定黏性土邊坡臨界滑動(dòng)面

以邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象多發(fā)、具有代表性的黑龍江省同三高速公路K560+580路段的左側(cè)黏性土邊坡為研究對(duì)象,淺層土體(3 m以內(nèi))為黃色粉質(zhì)黏土,土層及其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所列[13].先確定檢測(cè)點(diǎn),后利用簡(jiǎn)易貫入法開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),分析檢測(cè)數(shù)據(jù),確定黏性土邊坡臨界滑動(dòng)面.

表1 邊坡黏性土物理力學(xué)參數(shù)

2.1 簡(jiǎn)易貫入法測(cè)點(diǎn)布設(shè)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

K560+580路段左側(cè)黏性土邊坡高度為6 m,坡腳為31°.現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)檢測(cè)點(diǎn)示意圖如圖2所示.由圖2可知,①號(hào)和②號(hào)、⑧號(hào)與⑨號(hào)兩組檢測(cè)點(diǎn)間距為1 m,其余檢測(cè)點(diǎn)間距相同,均為2 m.試驗(yàn)步驟嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[14]的要求進(jìn)行,同一檢測(cè)點(diǎn)位置做三次簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn),三次試驗(yàn)結(jié)果相差在5%以內(nèi)的可以取平均值,并記為簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)的貫入次數(shù).

圖2 黏性土邊坡檢測(cè)點(diǎn)示意圖(mm)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式(4)中計(jì)算邊坡承載力值,并繪制邊坡承載力與深度的關(guān)系曲線,如圖3所示.

由圖3可知,邊坡承載力隨著貫入深度增加呈鋸齒狀不斷變化,其中在檢測(cè)點(diǎn)1號(hào)至6號(hào)的曲線中,均存在一個(gè)折點(diǎn)處的邊坡承載力值近似等于0,將邊坡承載力近似等于0的點(diǎn)定義為邊坡承載力突變點(diǎn).檢測(cè)點(diǎn)7號(hào)至9號(hào)未出現(xiàn)這樣的突變點(diǎn),表明邊坡臨界滑動(dòng)面應(yīng)通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)1號(hào)至6號(hào)位置的邊坡斷面,而未通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)7號(hào)至9號(hào)位置的邊坡斷面.

圖3 9個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)注意到檢測(cè)點(diǎn)7號(hào)和8號(hào)相對(duì)于其他7個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的邊坡承載力值偏低,表明這兩個(gè)檢測(cè)斷面處的邊坡土體穩(wěn)定性差,有可能在滑坡條件成熟情況下伴隨著邊坡滑動(dòng)體產(chǎn)生向下的滑動(dòng).

從圖3曲線中搜索①號(hào)至⑥號(hào)中邊坡承載力突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)深度,在圖2上進(jìn)行標(biāo)記,并連線,如圖4中1號(hào)折線所示.

圖4 邊坡承載力突變點(diǎn)弧形曲線圖(mm)Fig.4 Curve curve of abrupt transition point of slope bearing capacity (mm)

觀察圖4可知,邊坡承載力突變點(diǎn)的連線線近似為弧型曲線,且該弧型曲線穿過(guò)檢測(cè)點(diǎn)1號(hào)至6號(hào),利用CAD軟件將弧型曲線的兩端與邊坡邊界相連,得到一條完整的弧形曲線,將最終得到的弧形曲線作為邊坡臨界滑動(dòng)面,如圖4中2號(hào)曲線所示.

綜上可得,簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)在搜尋邊坡臨界滑動(dòng)面過(guò)程中,若邊坡承載力為0的點(diǎn)出現(xiàn),意味著邊坡存在滑坡的可能性,應(yīng)采取措施對(duì)邊坡進(jìn)行加固處治.

下面將利用有限元法和理論方法驗(yàn)證試驗(yàn)方法的可行性和合理性.

3 簡(jiǎn)易貫入法與有限元法和理論方法的對(duì)比

3.1 簡(jiǎn)易貫入法與有限元法的對(duì)比

采用與工程實(shí)際相吻合的局部強(qiáng)度折減法來(lái)對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[9-10].表達(dá)式如下:

(5)

式中:c′為折減后的黏聚力值,kPa;φ′為折減后的內(nèi)摩擦角,(°);F為折減系數(shù).

根據(jù)文獻(xiàn)[9]中給出的計(jì)算步驟,按照?qǐng)D5所示的邊坡幾何示意圖,利用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算,暫不考慮黏性土邊坡在不同深度處土體物理力學(xué)性質(zhì)的差異,其重度為17 kN/m3,彈性模量為28 MPa,泊松比為0.38,黏聚力為92.3 kPa,內(nèi)摩擦角為26.92°.

圖5 邊坡幾何示意圖Fig.5 Geometrical diagram of slope

經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算得出該黏性土路塹邊坡安全系數(shù)(折減系數(shù))為1.25,邊坡潛在滑動(dòng)面的范圍為圖6中采用有限元法圈定的范圍.

圖6 試驗(yàn)方法與有限元法、理論方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of calculation results between the method presented in this paper and the finite element method and theoretical method

由圖6可知,試驗(yàn)方法得出的邊坡臨界滑動(dòng)面在采用局部強(qiáng)度折減法計(jì)算出的邊坡潛在滑動(dòng)面范圍之內(nèi).簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)中7號(hào)和8號(hào)檢測(cè)點(diǎn)低于其他檢測(cè)點(diǎn)的邊坡承載力值,原因是這兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)均處于邊坡潛在滑動(dòng)面范圍之內(nèi)所導(dǎo)致.研究表明試驗(yàn)方法得出的結(jié)果與有限元法得出的結(jié)果一致性好,驗(yàn)證了簡(jiǎn)易貫入法在確定黏性土邊坡臨界滑動(dòng)面的可行性.

3.2 簡(jiǎn)易貫入法與理論方法的對(duì)比

臨界滑動(dòng)面被用來(lái)表征邊坡失穩(wěn)時(shí)最可能出現(xiàn)的滑動(dòng)位置.采用滑動(dòng)圓弧法對(duì)該模型進(jìn)行理論計(jì)算,首先通過(guò)4.5H法確定滑動(dòng)圓弧的圓心位置,再對(duì)其滑動(dòng)圓弧進(jìn)行分條,計(jì)算滑動(dòng)面的總滑動(dòng)力矩和滑動(dòng)面的總抗滑力矩,最后計(jì)算出每一個(gè)滑動(dòng)面的安全系數(shù),其中安全系數(shù)為1.05的滑動(dòng)面即為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面,其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6所示.

由圖6可知,試驗(yàn)方法確定的邊坡臨界滑動(dòng)面與理論計(jì)算出的邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面基本一致,表明簡(jiǎn)易貫入法得出的結(jié)果可以應(yīng)用于工程實(shí)際,驗(yàn)證了簡(jiǎn)易貫入法在確定黏性土邊坡臨界滑動(dòng)面的合理性.

綜上所述,簡(jiǎn)易貫入法相比有限元法,其結(jié)果更具真實(shí)性和代表性;相比標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)為代表的傳統(tǒng)邊坡臨界滑動(dòng)面確定方法,不僅檢測(cè)點(diǎn)多,而且快捷準(zhǔn)確.

工程實(shí)際中一般以坡高6 m作為黏性土邊坡是否設(shè)置平臺(tái)的依據(jù),對(duì)于單級(jí)黏性土邊坡(坡高小于等于6 m)可直接利用簡(jiǎn)易貫入法來(lái)確定邊坡臨界滑動(dòng)面;對(duì)于多級(jí)黏性土邊坡(或單級(jí)坡高超過(guò)6 m),可參考《標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)規(guī)程(YS/T 5213—2018)》中要求對(duì)桿長(zhǎng)進(jìn)行修正,因此,對(duì)于多級(jí)黏性土邊坡建議采用簡(jiǎn)易貫入法和有限元強(qiáng)度折減法共同分析、綜合確定邊坡臨界滑動(dòng)面.

4 結(jié)論

1)在研究簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上,借鑒標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)與地基承載力研究成果,建立了簡(jiǎn)易貫入次數(shù)和邊坡承載力之間的關(guān)系式.

2) 簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)表明,邊坡承載力隨著深度增加呈鋸齒狀不斷變化,在貫入深度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了邊坡承載力近似等于0的突變點(diǎn),將突變點(diǎn)標(biāo)記到邊坡橫剖面上并連線得到邊坡臨界滑動(dòng)面.

3) 簡(jiǎn)易貫入試驗(yàn)方法與有限元法相比一致性好,與理論計(jì)算結(jié)果相比符合工程應(yīng)用要求.驗(yàn)證了簡(jiǎn)易貫入法在確定黏性土邊坡臨界滑動(dòng)面的可行性和合理性.

致謝:本文得到北華航天工業(yè)學(xué)院科研基金項(xiàng)目(BKY-2020-24)的資助,在此表示感謝.