顺层边坡开挖变形破坏特征模型试验研究

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(盘山县水利局 河务管理所, 辽宁 盘锦 124000)

1 概 述

在公路、铁路、水利、矿产等基础设施的建设过程中往往需要对场区周边边坡进行开挖，而边坡的开挖将给施工建设人员和场区后期的正常使用造成严重的影响。目前，有许多专家学者对开挖边坡进行了研究。裴书锋等[1]通过声波测试和摄影记录对白鹤滩水电站高边坡开挖卸荷深度进行研究，认为岩体卸荷主要由内部张节理控制，研究结果对于白鹤滩电站开挖高边坡的防护具有重要的意义。张登项等[2]使用离散元数值模拟的方法对倾角较大的顺层斜坡的变形破坏模式进行分析，研究结果表明随着开挖深度的增大，斜坡坡脚剪应力集中，直至产生屈服变形，边坡破坏。梁远禄等[3]通过有限元数值模拟的方法对一段公路开挖后的边坡稳定性变化进行分析，研究结果可为后期治理提供参考。胡田飞等[4]使用数值模拟手段对开挖边坡松动区范围进行分析，认为偏应力变化异常与否的界限可作为开挖边坡的松动区分界线，结果较为可靠。同时使用室内物理模型试验也是研究开挖边坡的一个重要手段。赵建军等[5]使用物理模拟手段对填方边坡变形破坏过程进行研究。车彦良等[6]对使用物理模拟对缓倾角斜坡变形进行研究。吴谦等[7]结合物理模型试验和数值模拟方法研究雨水对黄土边坡的冲刷作用影响机理。

顺层边坡是一种常见的边坡类型，影响其稳定性的因素众多。当斜坡结构中存在软弱夹层时，人类活动一旦对边坡进行扰动将造成严重的后果，带来不可估量的损失。本文在现场调查的基础上，以相似理论为基础，使用物理模拟试验对边坡变形破坏过程进行分析。

2 工程地质条件

研究边坡位于辽宁省境内，为一处顺层边坡，斜坡倾向130°～150°，倾角较陡，为35°～45°。岩层厚度变化较大，为0.2～2 m不等。坡体内部含有多层软弱夹层，厚度为0.02～0.05 m，较为湿润，这些软弱夹层是控制斜坡稳定的主要控制性结构面。岩体在此处结构面较为发育，含有两组与斜坡倾向斜交的节理：80°∠77°和217°∠79°。节理间距为0.2～0.5 m，节理张开位置被泥质充填。坡体结构相对较为破碎。

3 室内模型试验

室内物理模型试验是一种常用的方法，针对边坡变形破坏过程的重现有较好的使用效果。本文使用底摩擦物理模拟试验，研究含软弱夹层的顺层边坡开挖变形破坏特征。

3.1 底摩擦物理模拟试验

当试验模型足够薄时，橡胶带对模型产生的摩擦力可模拟重力，可用来研究模型在重力作用下的变形破坏特征。底摩擦仪器需要满足以下条件：可以匀速转动的底摩擦仪器，同时可直接观测摩擦力的大小，利于在实验过程中随时进行调整，根据实验的要求，试验仪器可以随时启动和停止。

3.2 试验材料和模型相似比的确定

通过收集资料[8-9]，确定试验材料(基岩)配比(表1)，软弱夹层用锡箔纸来代替。

表1 试验材料配比

将现场原始边坡和室内物理模型之间相同量纲的物理量的比值称为相似比，用字母P来表示。其中Pl为长度相似比，Pγ为容重相似比，Pu为位移相似比，Pσ为应力相似比，PσP为抗压强度相似比，Pσt为抗拉强度相似比，Pε为应变相似比，PE为弹性模量相似比，PP为内聚力相似比，Pφ为摩擦角相似比，Pμ为泊松比相似比，Pf为摩擦因数相似比。

在相似原理的基础上，结合弹性力学方程可以求出相似判据为：Pσ=PE=PP=PσP=Pσt；Pu=Pl；Pσ=PγPl；Pφ=Pf=Pε=Pμ=1。结合多方面原因，确定室内模型与现场原型线性比例为Pl=100，相似材料容重比为Pγ=1.5。根据上述判据得知：Pσ=PE=PP=PσP=Pσt=150，Pu=Pl=100。

3.3 试验模型设计

现场实际边坡高30 m，试验模型边坡高为30 cm，现场设计边坡开挖高度4.5 m，模型开挖高度为4.5 cm。岩层倾角为40°。设计试验模型见图1。

图1 试验模型

4 试验现象及结果分析

4.1 试验步骤

1) 试验仪器检验。首先将仪器打开，检查仪器是否能保持稳定的运转，摩擦力测试仪能否正常使用，是否可以随时控制启停和转速等。

2) 按照试验材料配比配制合适质量的材料，均匀铺设至底摩擦试验仪表面，打开试验仪器，对铺设好的模型进行压实处理，然后停止仪器，对模型边坡进行开挖处理。

3) 打开试验仪器，使用数码设备对实验过程进行拍摄处理，直至边坡破坏，关闭实验仪器，处理试验材料。

4.2 试验现象分析

模型变形破坏过程见图2。

图2 模型变形破坏过程

当试验开始进行以后，首先在斜坡坡脚位置出现变形，坡脚向临空面方向产生滑动，在斜坡中部(约为现场位置1 7 m处)，出现拉张裂缝，宽度为2～5 mm(对应现场实际宽度为20～50 cm)，此时边坡已经产生较大的变形，但并未破坏，见图2(a)。随着试验的不断进行，边坡中后部(对应现场位置为25 m处)产生变形破坏，宽度为0.5 cm(对应现场宽度为0.5 m)，在斜坡中部(约为现场位置17 m处)的拉张裂缝增大，此时可达到1 cm(对应实际边坡约为1 m)，见图2(b)。在试验的最后阶段，斜坡整体产生破坏，在模型坡顶位置，产生阶梯状陡坎，斜坡破坏见图2(c)。

4.3 试验结果分析

通过对试验现象的分析，斜坡的变形破坏主要是由坡脚产生变形并不断向后延伸的整体性破坏。图2(c)模型破坏后，后缘存在的陡坎表明，斜坡虽然为整体破坏，但是每个软弱夹层之间仍然产生了相对的错动。斜坡的变形破坏并不是完全以最底层的软弱夹层为滑动面，最底层的软弱夹层控制了斜坡产生最终破坏的范围，其上的软弱夹层控制了各层岩体之间的相对滑动。

斜坡的破坏主要是由于对坡脚进行开挖，形成良好的临空条件。由于斜坡岩体结构较为破碎，有利于雨水的入渗，斜坡存在软弱结构面，遇水强度较低，在雨水的汇集下，极容易产生破坏。

5 结 论

1) 开挖公路造成坡脚形成良好的临空条件是斜坡产生破坏的主要原因。开挖扰动造成坡面松动，加速了雨水的入渗，引起边坡破坏。

2) 根据模型试验可以得出，开挖出露的底层软弱夹层控制了斜坡产生破坏的范围，其上的软弱夹层之间也产生了相对错动，斜坡的破坏模式为由下至上的渐进整体破坏。

3) 在顺层边坡开挖时，应降低边坡开挖的高度，尽量少出露软弱夹层，同时需要做好坡面防水措施和提前做好支护措施。