岩土工程专业综合性设计实验教学探索与实践

杨伟峰, 刘　欢, 顾春生, 夏筱红, 于宗仁

(1. 东华理工大学 江西省数字国土重点实验室, 江西 南昌　330013;2. 中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州　221116)



岩土工程专业综合性设计实验教学探索与实践

杨伟峰1,2, 刘欢2, 顾春生2, 夏筱红2, 于宗仁2

(1. 东华理工大学 江西省数字国土重点实验室, 江西 南昌330013;2. 中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州221116)

结合野外工程实际环境和需求,利用实验室可调设计实验优势,兼顾室内和野外特色,以分析研究边坡稳定性的影响因素为着眼点,进行综合性设计实验。通过模型化寻参、调参监测基本参数,探索了降雨与切坡条件下边坡性状的变化与稳定性。由模拟实验条件与工程实际相结合的综合性实验,同样可获取现场实用的工程性质,而且较高分辨率的模型实验条件设计,更有助于达到精准目的。

综合性设计实验； 岩土工程； 模型实验

实验教学中,传统野外工程实践设计逐渐与室内模型化设计和模拟实验并行,室内模拟可以提供更多可能的实验趋势[1-3],而实验设计精确性与可调节性是关键。岩土工程专业的实验内容具有应用广泛性和工程实用性,加大综合性、设计性与探索性,将实验体系进一步优化整合,通过创新多元化的实验教学模式提高学生思考与解决问题的能力[4]。教师或师生共同拟定综合性设计实验题目与纲要,给出实验方向[5-7]。本文以综合性设计实验为着眼点,以若干边坡稳定性的影响因素实验研究为例,探索降雨与切坡条件下边坡性状变化与稳定性监测,将实验项目与工程实际相结合,提高学生的综合分析、理解和解决实际问题的能力。

1　降雨对边坡性状影响实验

1.1模型设计

以四川某边坡为研究对象,该边坡为坡积物沿下部缓倾角基岩面滑动的顺层土质推移式滑坡,采用物理模型模拟观测降雨影响下边坡的稳定性。坡体实际长600 m,坡高120 m。依据相似理论[8],模型取几何相似比1∶300,采用帷幕式模型箱,箱体内铺设相似材料。试验材料选择黏土、砂、石灰、石膏与碎石的混合材料,所建模型坡体长2 m,高0.4 m,宽0.8 m。

1.2模型监测

根据试验需求设计并制作了降雨装置[9]。降雨系统主要包括水源、增压泵、水管、连接装置、喷头。模拟的雨水降落在模型表面后,一部分向坡体内入渗,一部分沿坡面流出,如图1(a)所示。为监测边坡性状,坡体表面架设百分表,相机实时记录变化情况。

图1　降雨初期坡面及边坡裂隙发展

1.3边坡性状分析

1.3.1滑坡发展过程

降雨初期,大量水体沿坡体表面流走,部分水流渗入坡体,坡体颜色逐渐加深。随着降雨的持续进行,由于表面水流的持续冲刷,5 min 10 s(降雨量0.1 m3)时坡面出现浅层冲蚀,并逐渐加深形成小冲沟。在渗入坡体内部水体的影响下,内部土体逐渐软化,由于滑带土体松散,亲水性强,水体沿土粒间裂隙渗透。7 min 32 s(降雨量0.15 m3)时,在坡脚处观察可见坡体内及坡底与模型箱接触面有水流渗出。此现象表明,雨水入渗在坡体内已形成渗流路径。此阶段边坡的破坏形式主要为由于冲蚀形成的边坡局部的浅层破坏。降雨50 min 06 s(降雨量1.00 m3)时,坡脚处土体开始发生塌落,但以小规模塌落为主,边坡整体并无明显变化。此阶段为边坡拉裂——蠕滑阶段。

由于坡脚遭受破坏,坡体下部临空而失去支撑,抗滑阻力逐渐减小,边坡变形破坏增大。降雨1 h 08 min 20 s(降雨量1.37 m3)时,斜坡坡面上距坡顶约1.0 m处,沿坡体与模型箱接触处开始出现蜂窝状凹坑。随降雨持续,凹坑逐渐扩大、加深,直至露出滑面层并沿坡面向下发展成为冲沟,且坡体左右两侧冲沟大小形状相似呈对称分布。降雨使坡面不断遭受冲刷,坡面冲沟加深,坡脚塌落,土体规模由小逐渐增大。随着坡脚侵蚀塌落现象的加重,坡脚产生一个小的阶梯状弧面,在弧面影响下,坡体中部形成一个拉裂面。拉裂面附近坡体破坏严重,并最终发展成为大规模整体滑坡,直至边坡完全破坏。

1.3.2边坡裂缝的演变

裂缝的产生及发育是边坡模型最终发生滑坡的关键因素,如图1(b)所示。

裂缝的发展随着滑坡发育过程由浅到深、由少到多,是一个量的积累过程,最终形成由坡体表面贯通到边坡软弱结构面的裂隙。降雨初期,雨水渗入坡体速度显著低于在坡面形成径流的速度,表面土体的饱和度大于坡体内土体,故表面土体首先饱和并逐渐往坡体内发展。由于雨水对土体有着软化作用,土体抗剪强度弱化速度加快,最终小于剪切应力,导致坡体后缘产生拉裂,坡顶裂隙形成。降雨增加了坡体重度,坡体下滑力增加,滑体沿坡面下滑趋势增加,同时坡顶裂隙的产生发育为雨水的深入入渗提供了通道。坡脚处逐渐塌落临空,坡体抗滑力降低,在坡顶和坡脚变化的带动下,坡面出现微裂隙。随着降雨的持续进行,微裂隙继续发展,形成贯通坡面的拉裂面。

在数量上,裂缝数量由少增多。降雨初期在坡顶处开始发育第一条裂隙,长约5 cm,深度较浅。到降雨中期,裂缝数目增加至5条,分散在坡顶及坡脚各处,长者达40 cm,深约0.5 cm,短者长约3 cm。降雨后期由于坡体发生滑移,坡顶及坡肩处产生大量裂隙,裂隙数目递增至约30条,加速了滑坡的发生。

2　降雨边坡的FBG监测实验

模型试验模拟某含软弱夹层的顺层岩质边坡。依据相似原理,岩石的节理裂隙发育可以通过控制试块尺寸大小来加以近似模拟[10]。模型箱与降雨系统[11]同上,采用布拉格光纤光栅(FBG)传感器排布于软弱层体内。数据采集系统与模型铺设如图2所示。

图2　数据采集系统与模型铺设

上层FBG监测数据如图3所示。以上层FBG部分监测数据为例,测点1、2、3均受拉,其趋势随着时间增加应变呈上升状态,逐渐趋于稳定。由于降雨过程初期雨量入渗,边坡表层上部岩石、岩体逐渐受拉应力作用,测点2、3位置应变变化较大,初期降雨可能已经造成岩土体强度降低,部分破坏。其中测点2应变值最大,处于滑坡的滑面破坏入口下方附近,两侧岩土体产生拉裂,拉动光纤,出现明显的相对位移,造成测点2处应力增大；而测点1位于滑坡滑面破坏口上方附近,虽有拉动,但应变值较小。

图3　软弱层体内FBG传感器变化

3　切坡影响下边坡稳定性实验

以某顺层土质边坡在荷载及切坡影响下的稳定性为研究目标,模型实验在一个硬质钢化玻璃箱内展开,刻画间隔为10 cm的网格,用来比对、观察实验现象。边坡总体模型长120 cm,宽45 cm,高100 cm,滑坡滑面设计高80 cm,长100 cm,边坡土体的坡形高90 cm,长90 cm。模型设计与土压力传感器埋设如图4所示,采用DT500智能可编程数据采集仪器进行数据采集,监测加载及开挖切坡影响下边坡土体的稳定性。

图4　边坡模型设计

在坡顶逐级进行加载,每次加载20 kg,加载到120 kg时进行切坡。竖向切坡水平距离为5 cm。当切至坡脚水平距离20 cm左右时,边坡失稳发生滑动,发生迅速,如图5所示。加载及切坡过程中,压力计变化如图6、图7所示。

图5　边坡切坡失稳

图6　加载阶段压力计变化

图7　切坡阶段压力计变化

见图6,压力计1由于处于荷载正下方,随着荷载的不断增加,压力值逐渐增加；压力计2与3埋设位置距离荷载较远,仅有稍微增幅。见图7,在切坡过程中,由于下方土的扰动,压力计3位于坡脚,上部土体被挖除,压力有所减小；压力计1基本保持不变；压力计2受到开挖影响,边坡稳定性减小,有逐渐向下滑动的趋势,使得下滑力增加,压力值有一定增幅。经稳定系数计算,加载后切坡20 cm边坡处于欠稳定状态。

4　结论

(1) 通过边坡综合性设计实验案例,探索了降雨与切坡条件下边坡性状变化与稳定性的问题,学生由此具备了运用模型实验解决工程实际问题的能力,对巩固学生所学理论知识有很大帮助。

(2) 本科综合性实验设计研究,不仅要发掘实验本身的科学理论知识,更重要的是与实践应用相联系,同时集思广益,发挥团队作用,重视学生之间的交流协作,有利于培养学生的团队精神和创新能力、探究精神和创新思维能力。

References)

[1] 杨文东,张艳美,俞然刚,等.复杂地质建模前处理方法在岩石力学数值实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2014,31(9):179-182,191.

[2] 李连崇,马天辉,梁正召,等.基于数值仿真的土木工程实验教学改进与实践[J].实验技术与管理,2013,30(7):83-86.

[3] 付小敏,苏道刚,蔡国军,等.岩土力学实验教学仪器的研制与应用[J].实验室研究与探索,2011,30(3):203-205.

[4] 杨伟峰,夏筱红.互联网时代创新文化构建的混合学习模式[J].中国地质教育,2012(2):29-32.

[5] 缪云.创新多元的土力学课堂教学模式探讨[J].中国电力教育,2014(14):122,144.

[6] 蔡国军,巨能攀,付小敏,等.岩土工程勘察实习教学内容改革探讨[J].实验室研究与探索,2012,31(6):164-167.

[7] 徐洪珍,李茂兰.大学生科技创新能力培养的探索与实践[J].东华理工大学学报:社会科学版,2009,28(3):294-297.

[8] 罗先启,葛修润. 滑坡模型试验理论及应用[M]. 北京:中国水利水电出版社,2008.

[9] 顾春生,杨伟峰.基于FBG传感器的降雨边坡模型试验[J].工程地质学报,2015,23(增刊1):660-667.

[10] 李龙起,罗书学,魏文凯,等.降雨入渗对含软弱夹层顺层岩质边坡性状影响的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(9):1772-1778.

[11] 李焕强,孙红月,孙新民,等.降雨入渗对边坡性状影响的模型实验研究[J].岩土工程学报,2009,31(4):589-594.

Exploration and practice on comprehensive design experimental teaching of Geological Engineering specialty

Yang Weifeng1,2, Liu Huan2, Gu Chunsheng2, Xia Xiaohong2, Yu Zongren2

(1. Jiangxi Province Key Lab for Digital Land, East China University of Technology,Nanchang 330013, China;2. School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116,China)

Combined with field engineering environment,using advantages of adjustable design experiments in the laboratory,a few examples of comprehensive design experiments are undertaken. Taking into account the characteristics of laboratory experiments and field engineering,these experiments analyzed the influential factors of slope stability. Through modeling,seeking,adjusting and monitoring basic parameters,the characteristic changes and stability of slope under rainfall and cut slope conditions were explored. Thereby,combined with the experimental conditions and the engineering practice,the comprehensive experiment can get on-site practical engineering properties. The experimental conditions of high-resolution model also help achieve precise purpose.

comprehensive design experiment; geological engineering; model experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.037

实验教学研究

2016-02-25

江西省学位与研究生教育教学改革研究项目(JXYJG-2015-100)；中国矿业大学教育教学改革与建设课题项目(2013G17)

杨伟峰(1974—),男,内蒙古赤峰,博士,教授,从事岩土工程、工程地质与灾害地质专业方向的教学与科研.

E-mail：yangwf888@163.com

G642.0

A

1002-4956(2016)9-0144-03