顺倾节理边坡开挖软材料模型实验设计与分析

王 杰， 邓 拓

(北方工业大学 土木工程学院， 北京 100144)

0 引言

边坡灾害分布广、危害大，给人们的生命、生产和生活造成了极大的影响[1]。边坡的稳定性一直是工程界和学术界重点关注的问题之一，众多学者对影响边坡稳定性的因素如坡角[2]、软弱层强度[3]、坡面长度[4]、岩层厚度[5]等进行了大量研究。节理也是影响边坡稳定性的主要因素之一[6]，近期仍有关于节理位置[7]、倾角、多节理组合[8]等与边坡变形破坏关系的研究。陈亚军等[9-10]进行了自重作用下节理迹长分别为1m、2m和3m的对比试验，发现节理位于坡面并且倾角一定时，节理迹长越长，边坡的最大剪切位移量越大，稳定性越低。秦溯等[11]发现当节理倾角等于坡角时，边坡稳定性对节理长度最为敏感，随着节理长度增大，边坡稳定系数明显减小。李连崇等[12]、庄晓莹等[13]和王东等[14-15]通过数值模拟研究了坡顶顺倾节理位置、内部断层位置与边坡稳定性间的关系，发现无论节理位于坡顶还是边坡内部，边坡稳定性都随节理与临空面的距离增加而增大。Mukhlisin等[7]发现在降雨环境下时，竖直方向的裂缝位于坡肩附近时边坡安全系数远小于裂缝位于坡面中部时，并且安全系数随着裂缝深度增大而减小。

1 实验方案

1.1 模型制作

图 1 实验装置及尺寸Fig.1 Experimental device and size

铁氟龙镀层和离型剂的组合应用，可有效解决软材料与玻璃之间的黏连问题，以达到良好的脱模效果。模型框架组装完毕后直立摆放，将材料混合融化后倒入模型内，在重力作用下冷凝固结成模。固结后将模型平放，打开木工夹，揭掉其中一侧的玻璃板、铁氟龙垫板，并将玻璃板内侧涂一层甘油后再次盖回以减小摩擦力，撤掉铁氟龙垫板，将模型翻转再平放，撤掉另一侧的铁氟龙垫板和玻璃板。在模型中开挖高150mm、坡角为60°的边坡，并按实验方案采用小刀切出节理，在坡肩、坡脚、节理周围和模型边缘，插入短针状细塑料作为变形监测点，然后将玻璃板内侧涂甘油后盖回，并再次用木工夹夹紧。将模型直立摆放到事先调好焦的照相机前，以6张/秒的速率自动拍照记录变形过程。实验开始120min后，边坡变形趋于停止，以此时间节点作为变形结束时间来分析节理边坡变形规律。

1.2 节理及观测点布置

设计了两组试验研究节理长度与节理位置对边坡变形的影响，观测点布置如图 2所示，其中S1、S2(D1、D2，T1、T2)表示靠近临空面的节理上、下盘观测点，S3、S4(D3、D4，T3、T4)表示节理中部上、下盘观测点，S5、S6(D5、D6，T5、T6)表示远离临空面的节理上、下盘观测点。

图 2 试验准备就绪Fig.2 Ready for test

图 3 节理与观测点位置及命名Fig.3 Location and name of the joint and observation points

第一组实验中坡角60°、节理倾角30°，保持节理位置不变(图 3节理①)，对比节理长度分别为30mm、40mm、50mm、60mm、70mm和80mm时边坡的变形。

第二组实验中保持坡角60°、节理倾角30°、节理长度80mm不变，对比节理分别在坡面、坡顶、坡底(图 3中节理①、节理②、节理③)时边坡的变形规律。节理与变形观测点的位置及命名如图 2所示。

图 4 节理长度对节理两侧观测点位移的影响 (观测点布置见图 2)Fig.4 Influence of joint length on displacement of observation points on both sides of the joint(the arrangement of observation points is shown inFig.2)

图 5 坡面节理两侧观测点的水平、竖直位移， 上下盘平均速度随节理长度的变化Fig.5 Horizontal and vertical displacements of ob￣ser￣va￣tion points on both sides of slope joints， and average velocity of the hanging wall and footwall change with the length of joints

图 6 节理位置对节理两侧观察点的影响(i表示位置， 在坡面节理中i1表示为S1，坡顶为T1，坡底为D1)Fig.6 Influence of joint location on observation points on both sides of the joint(i represents position， i1 represents S1 in in slope joints， T1 at the top and D1 at the bottom)

图 7 节理位置和长度对坡肩、坡脚观测点的影响Fig.7 Influence of joint position and length on observation points of slope shoulder and slope foot

2 实验结果分析

2.1 节理长度对边坡变形的影响

对比图4中节理上下盘成对的观测点，发现节理上盘观测点的位移一般大于下盘，随着坡面节理长度的增加，节理两侧所有观测点的位移都先减小后增大。由图5可以发现，所有观测点的水平位移随节理状长度的增加先减小后增大，而竖直位移先增大后减小。节理两侧各观测点的水平位移远大于竖向位移，且二者差距随着节理长度的增加而增大。从变形开始至变形结束，上盘3个观测点的平均变形速率总是大于下盘，随着节理长度的增加，节理两侧观测点的变形速率增大，而且上下盘之间的速度率差值也增大。

2.2 节理位置对边坡变形的影响

从图6可以发现，节理位于坡面时，两侧观测点平均合位移最大，位于坡底时次之，位于坡顶时最小。节理位于坡面和坡底时，节理两侧观测点的水平位移大于竖向位移，而节理位于坡顶时，竖向位移大于水平位移。从相对位移看，当节理位于坡面和坡顶时，节理上盘位移大于下盘，节理位于坡底时恰好相反。将位移分解为平行于节理方向和垂直于节理方向，发现当节理位于坡面和坡顶时，平行节理方向和垂直于节理方向的位移都由坡面向内逐渐减小，而节理位于坡底时，节理中部的相对位移大于两端。

从图7可以发现，节理长度不变时，无论其位于坡面、坡顶还是坡脚，坡肩观测点(T0)和坡脚观测点(D0)的水平位移量都大于竖向位移。坡肩观测点的竖向位移大于坡脚，水平位移并没有明显的规律。随着节理长度的增加，坡肩和坡脚观测点的竖向位移都是先减小后增大再减小，坡肩与坡脚竖向位移差值随节理长度的增加而增大。

3 结论

(2)节理位于坡面时，随着节理长度的增加，上下盘观测点的位移先减小后增大，但节理两侧观测点的变形速率始终增大，而且上下盘之间的速率差值也在增大。

(3)保持节理长度、倾角不变，当节理位于坡面时，节理两侧观测点的位移最大，坡底时次之，坡顶时最小[16]。