水位变动与坡顶加载联合作用下边坡破坏特性

陈天翼，王雅靓，张嘎

（清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

0 引言

我国兴建了大量水利水电项目，水库区边坡稳定性一直是工程界的重点关注内容之一。降雨等因素导致的水库不定期水位变化影响了水库边坡的稳定性，而各种人类活动、自然环境等造成的外部荷载进一步降低了边坡的稳定性。因此，有必要对水位变化及外部荷载联合作用下边坡的变形破坏特性及规律进行研究，为建立合理的水库区边坡稳定性评价方法提供依据。目前已有学者针对这两种荷载对边坡变形破坏的影响进行了分别研究，并取得一定成果[1-6]。但对于这两种荷载形式联合作用下边坡的变形破坏试验尚不多见，有待深入开展双因素对边坡变形破坏过程的研究。

土工离心机模型试验可通过增大惯性离心力达到与原模型变形相似、应力相等的目的，为进一步分析提供真实可靠的数据，因此成为了研究边坡破坏机理的重要手段[7-8]。

本文采用离心模型试验的方法，实现水位变化及坡顶荷载对土坡的联合作用。基于试验结果，研究水位变化与坡顶加载的联合作用条件下土坡破坏特性，探讨土坡渐进破坏机理，为建立合理的边坡稳定性评价方法提供依据。

1 离心模型试验

1.1 试验设备

试验在清华大学50g ton土工离心机上进行。离心机的有效半径为2 m，最大离心加速度可达250g。本试验采用模型箱内部长60 cm、宽20 cm、高48 cm。模型箱为铝合金质地，刚度很大，自身变形可忽略不计。在模型箱长度方向一侧安装有机玻璃，透过玻璃可以观测到试验过程中土坡的变形破坏过程。

试验通过电磁阀开关控制水位变化。打开电磁阀，水经导管自流入模型箱，实现水位上升。当水位上升至一定高度后，关闭电磁阀，水流不再进入模型箱，水位保持稳定。同时，试验液压加载设备控制坡顶荷载。其原理如图1所示。

图1 试验设备原理及模型示意图（mm）Fig.1 Schematic view of test device and slope model(mm)

1.2 试验模型

试验用土为粉质黏土，液限为25%，塑限为18.5%，颗粒比重为2.7。控制土的含水量为18%，干密度为1.6 g/cm3。试验模型坡高300 mm，坡度为1.5∶1（见图1）。为减少土坡与模型箱之间的摩擦对试验结果造成影响，并考虑到模型箱和土坡模型的高度，在土坡底部预置40 mm的地基（见图1）。

选用分层击实的方法达到预定干密度。每一层土层厚50 mm，共6层，根据预定干密度算出每层土质量分别击实。完成后，卸去模型箱长度方向一侧有机玻璃，削去多余的土。同时，在土坡侧面随机嵌入白色碎瓷砖，形成随机分布的灰度差，从而通过图像位移相关分析实现位移测量[9]。

1.3 测量设备

测量设备包括力传感器和位移传感器，用于试验过程中坡顶荷载和坡顶沉降的测量。图像位移测量系统能够确定试验过程中土坡中任意一点的位移。

由于分析需要，以坡脚为原点O建立平面直角坐标系。规定x轴水平向左为正方向，y轴竖直向上为正方向（图1）。

1.4 试验过程

土坡模型固定在吊篮上，离心机逐渐加速至50g，每间隔10g使加速度保持在该值一段时间使土坡变形稳定。待土坡变形在50g条件下稳定后，打开电磁阀，水进入模型箱内，水位逐渐上升，直至水位达到高于坡脚25 cm时关闭电磁阀，整个水位上升过程用时约2 min（图2）。维持该水位不变，待土坡在该水位下变形达到稳定后，开始分级施加坡顶荷载，每级增加5 kPa，直至土坡破坏（图2）。

图2 坡顶荷载与水位时程图Fig.2 Vertical load on the slopetop and water level

2 破坏现象

2.1 承载特性

图3表示了试验中坡顶沉降的时程曲线。可以看出，蓄水阶段，土坡沉降逐渐增加直至最后沉降不再变化，说明由水位变化引起的土坡变形达到稳定。之后分级施加坡顶荷载，在坡顶荷载增加的过程中，坡顶沉降继续增大，说明坡顶荷载的增加也引起了土坡变形。

2.2 滑裂面描述

图4（a）是试验结束后土坡最终破坏形态的照片。通过对图像系列的分析，可以观察到明显的滑裂面，可以看到滑裂面的上端与加载板的内边界重合（图4（b）），这是由坡顶加载的条件导致的。

图3 坡顶沉降时程曲线Fig.3 Settlement of slope top

图4 土坡滑裂面照片及示意图Fig.4 Photograph and schematic view in the slope

2.3 滑裂面发展顺序

为了研究土坡的渐进破坏过程，采用点对分析法[10]研究滑裂面的发展过程。沿滑裂面选取4组点对，每组点对由位于滑裂面两侧同一高程的2个点组成。选取的点对示意图如图5所示，其中h、p分别表示水位和坡顶荷载（下同）。图6给出了不同点对沿所在滑裂面切向、法向的相对位移。其中ds、dn分别表示切向、法向的相对位移。从图中可以看出，不同点对相对位移随沉降的变化规律相似。点对的切向相对位移明显大于法向相对位移，说明土坡的破坏形式是剪切破坏。在水位变化和坡顶加载的联合作用下，各点对切向相对位移均随坡顶沉降增大而增大。当坡顶沉降较小时，切向相对位移增长较慢；当沉降到达某一拐点值时，切向相对位移增长速率明显增大，说明在这一时刻之后该处土坡出现了向下快速滑动，可以认为在这时刻此高程处局部滑裂面形成，土坡发生了局部破坏。在图6中虚线表示不同高程的点对对应的拐点。根据坡顶沉降和荷载的对应关系可以得到不同高程发生局部破坏时相应的水位和坡顶荷载（在图5中进行了标注）。可以看出，所选取的高程的局部破坏都发生在水位上升已经完成、增加坡顶荷载的过程中，滑裂面从坡顶附近开始形成，逐渐向土坡深处发展。

图5 点对位置及滑裂面发展过程Fig.5 Locationsof point couplesand failure sequence

图6 点对的相对位移时程曲线Fig.6 Relative displacement parallel and perpendicular to the slip surface,respectively

3 破坏特性分析

3.1 变形发展

为了研究土坡内的变形分布特征，图7分析了不同高程的水平位移发展。可以看到，随着坡顶沉降的增加，水平线上的位移也在逐渐增加。在土坡内部，土体的位移一直很小接近零，说明荷载对这一区域的影响很小。随着逐渐接近土坡表面，点的位移开始增加，说明荷载对这一部分土体产生了影响。将不同高程对应的该点连接起来，得到一个界面，在该界面与土坡自由表面之间的区域，土体受到荷载的影响发生明显变形，该界面命名为影响面（图7），在图4（b）中标出了影响面的示意图。同时可以看到滑裂面在加载影响区内（图7），并且在滑裂面附近土体位移迅速增长，这说明变形在滑裂面附近集中。

图7 不同高程处水平位移的水平分布Fig.7 Horizontal distribution of horizontal displacement of slope

3.2 破坏机理

上述已经指出，在滑裂面附近变形出现了明显的集中，可以推测土坡的破坏与滑裂面附近土体的变形局部化有关。为进一步研究土坡的破坏机理，图8给出了该试验不同高程水平位移差异度的发展时程。对每一个高程分析了4个不同时刻的水平位移差异度，分别是：滑裂面形成前（水位上升过程中）、滑裂面形成前（水位上升完成时刻）、滑裂面刚形成（局部破坏发生的时刻，即局部滑裂面形成的时刻）、滑裂面形成后（继续施加坡顶荷载）。

图8 不同高程处水平位移的差异度Fig.8 Diversity factor of horizontal displacement of slope

从图8可以看出，当水位开始上升初期，水平位移差异度在水平线上分布均匀并且数值很小。随着水位继续上升，水平位移差异度随之增加，在水平分布线上出现小的峰值凸起，说明水位的上升使得这一位置变形局部化发展。当水位保持不变后，继续施加坡顶荷载，水平分布线上位移差异度继续增加，峰值变得更加明显，此时相应高程处局部破坏发生。通过与图4（b）的对比可以看到，在影响面内侧的土坡位移差异度很小，水平线上位移差异度达到峰值的位置正好是局部滑裂面出现的位置。这说明随着荷载的作用，土坡内变形局部化发展并导致了局部破坏的发生，产生局部滑裂面。当局部破坏发生之后，坡顶荷载继续增加，水平位移差异度继续增长，峰值变得更加剧烈，说明局部破坏进一步促进了变形局部化的发展。也就是说，变形局部化发展使得局部破坏发生，而局部破坏进一步促进了变形局部化发展。水位及坡顶荷载联合作用下土坡变形局部化过程和局部破坏耦合发展，导致了土坡最终发生了整体破坏。

3.3 不同区域变形分布特征

以影响面、滑裂面为界，将土坡从内至外分为基体、连动体、滑动体3个区域。为了进一步分析土坡的变形破坏特性，如图9（a）所示，分别在不同区域内选取典型点。

随着坡顶荷载的增加，各点的位移都不断增长。在同一水平线上，从土坡内部到外部，点3号（基体）、2号（连动体）、1号（滑动体）的变形依次增加，并且点1号的位移明显大于另外两点（图9（b））；在同一竖直线上，从土坡上部到下部依次选取点1号（滑动体）、4号（滑动体）、5号（连动体）、6号（基体），点的位移依次减小，并且滑动体内的点1号和4号的位移显著大于另外两点（图9（c））。这说明，在滑动体内土体表现出了显著的变形，而在土坡内部的基体变形很小，位于滑动体和基体之间的连动体作为过渡区域也表现出了一定程度的变形发展。

图9 典型点水平位移的差异度Fig.9 Diversity factor of horizontal displacement of typical points in different zones

4 结语

本文采用离心模型试验的方法，进行了在水位变动和坡顶加载联合作用下粉质黏性土坡变形破坏试验。基于试验结果，可得到以下主要结论：

1）在水位上升过程中土坡的坡顶沉降不断增加，土坡内出现变形损伤；然后施加坡顶荷载，土坡的坡顶沉降继续增加，损伤累积增长。在这个过程中滑裂面逐渐发展，土坡发生了渐进破坏。

2）滑裂面的形成发生在水位上升已经完成、坡顶荷载增加的过程中。滑裂面从土坡上部向下部发展。土坡的破坏形式为剪切破坏。

3）在荷载的作用下，可根据不同的变形特征将土坡从内部到外部分为基体、连动体、滑动体。滑动体表现出了显著的变形，基体的变形很小，位于滑动体和基体之间的连动体作为过渡区域也表现出了一定程度的变形。

4）变形局部化发展使得局部破坏发生，而局部破坏进一步促进了变形局部化发展。水位及坡顶荷载联合作用下土坡变形局部化过程和局部破坏耦合发展，导致了土坡最终发生了整体破坏。

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