超载作用下含砂砾石成层边坡失稳模型试验研究

吴 标，刘 浩

(1.湖南高速工程咨询有限公司 长沙市 410000； 2.中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司 长沙市 410000)

随着我国基础建设的飞速发展，施工中遇到的复杂情况也越来越多，比如含砂砾石成层边坡较为常见，但针对该类边坡的研究较少，现场设计、施工时常将其视为均质边坡对待，与工程实际差别较大[1-3]。而此类边坡失稳造成的后果比较严重。比如北京市朝阳区某基坑在开挖后坡脚被水浸泡变软，由于存在的砂砾石层变形特点为脆性破坏，导致在土压力集中作用下发生了突然垮塌[4]。

尽管国内外有许多专家学者对边坡问题进行研究[5-6]，但对于含砂砾石成层边坡的破坏机理和稳定性的研究较少。在实际的施工设计中，由于相关文献的缺少，常将该类边坡当做均质边坡进行分析，结果造成理论值常与实际现场情况相差较大[7]。为了解决相关问题和为防治该类边坡造成的灾害提供依据，就必须了解含砂砾石成层边坡的工作性状，有必要开展相关研究。因此，通过模型试验[8]，对超载作用下含砂砾石成层边坡的破坏模式、位移变形特征等进行研究，为含砂砾石成层边坡的稳定性研究奠定基础。

1 试验概述

1.1 试验方案设计

室内试验按照1∶1的坡度比制备模型，模拟坡高100cm，将宽度为50cm的均布荷载作用于坡顶。此次一共选用6组试验方案(如图1所示)，通过模拟砂砾石层所处位置的不同及厚度的变化来研究砂砾石层厚及地层埋深对边坡破坏型式及极限承载力的具体影响。

图1 试验方案图

1.2 试验装置

模型箱：箱内正中位置设置分隔槽(分隔槽作用：安放格挡)，将其分隔出一个内槽。内槽周围均由2cm钢板和加劲肋构成，在其约束下，土体在槽内侧位移可以忽略不计，可将其视为绝对刚性结构。模型槽本身在试验过程中几乎无变形，用螺栓将模型槽底板与结构试验室内地面连接，使模型槽在试验过程中不会产生竖直方向的移动，试验箱如图2所示，模型箱与内槽规格如表1所示。

图2 试验模型箱

表1 试验装置规格

加载装置：试验采用50t液压千斤顶进行加载，采用100cm(长)×5cm(厚)×50cm(宽)的矩形钢板作为加载板。槽内模型上部自带工字钢为加载反力梁，在反力梁和千斤顶中间设置压力传感器。设备具体布置如图3所示。

图3 试验加载装置

测试设备：试验过程中为了获取边坡的位移、变形，须设置一个百分表在加载板上以便记录坡顶沉降，同时须在每个土层分界位置处布置两个百分表分别记录坡面水平位移和垂直位移，布置示意图如图4所示。

图4 百分表位置示意图

1.3 试验材料制备

首先从工地实地取样，根据相关规范[9-10]，对取回来的土样进行2～3d静置、碾碎、再静置风干；然后根据试验要求进行筛分、储藏、制备。通过室内物理常规试验获取土样的基本物理性质，试验内容主要包括以下几项：土颗粒比重试验、土样击实试验、三轴围压试验、土的液塑限试验，得到的主要成果如表2所示。

表2 常规试验结果

1.4 试验步骤

试验按照模型填筑(图5)、土体压实度测试、试验设备安装、模型加载、模型对半开挖的顺序开展，开展过程中实时记录数据，并进行汇总获得完整的试验结果。

图5 边坡填筑图

2 试验结果分析

2.1 位移分析

2.1.1顶面沉降

均布荷载作用下六组试验方案的荷载与顶面沉降曲线如图6所示。

图6 荷载-顶面沉降曲线汇总图

从曲线的整体变化趋势得出，区分两个界限荷载(见表3)，在坡顶荷载增加作用下，曲线基本经历压密变形、局部剪切和整体破坏三个阶段[11]。从图6得知第一阶段荷载-沉降曲线呈弹性变化。此时模型材料中的孔隙在顶面载荷的作用下被压密，产生变形，导致坡顶沉降；在第二阶段随着均布荷载的增加，坡顶沉降增长速率较第一阶段略有增加，荷载-沉降曲线呈平缓曲线型，加载板后缘附近有裂缝产生，判定模型处于局部剪切破坏阶段；在第三阶段，施加的坡顶荷载大于模型的极限荷载(界限荷载2)，此时模型的荷载-沉降曲线急剧变化，坡顶沉降速率迅速增大，并且坡面明显可见大范围裂隙，模型整体破坏，无法继续承受顶面荷载。

表3 界限荷载

此外通过对比可以发现：随着砂砾石层的下移以及厚度的减小，模型的极限荷载逐步增加，最大沉降值逐步减小，表明模型稳定性更好。

2.1.2坡面位移

此外通过整理试验数据得到不同试验方案下的坡面位移分别如图7～图12所示。

图7 A-1位移-荷载曲线图

图8 A-3位移-荷载曲线图

图9 A-5位移-荷载曲线图

图10 A-2位移-荷载曲线图

图12 A-6位移-荷载曲线图

图7～图12中，用2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#对应图4表示的百分表，百分表垂直距离为20cm，水平距离为28.28cm，其中3#百分表布置在砂砾石层底面与土层的接触面部位，2#百分表布置在砂砾石层顶面与土层接触面部位。

通过总结六个试验方案的位移-荷载曲线图发现，6#、7#、8#、9#、10#测点在低荷载区段水平位移均随荷载的增加呈现线性增长，随着荷载继续增大水平位移值增加速率突增，位移变化速率急剧增加，坡面出现大范围开裂现象，边坡失稳破坏，无法承受荷载。2#、3#、4#、5#所测得的数值发展趋势几乎一致，低荷载区段坡面位移值几乎无变化，变化程度基本一致，随着荷载继续增大，位移明显变大，同时可知砂砾石层与土层顶底面部位的测点的沉降数据变化程度最大。同等条件下，测点数值变化值随着距坡顶距离的增大而减少。

2.2 滑动面分析

加载使得边坡发生破坏后进行开挖，利用数码相机和游标卡尺对破坏滑动面进行精确测量。将测量数据、照片用软件拟合之后得到的破坏面如图13所示。

图13 破坏滑动面图

通过分析破坏滑动面图发现，含砂砾石成层边坡在坡顶荷载作用下失稳破坏模式均为局部剪切破坏，滑动面为圆弧+直线型。砂砾层距坡底为边坡高度2/3以上时，破坏面位置为砂砾层底与土层交界面；砂砾层距坡底为边坡高度2/3以下时，坡面水平向最大位移出现在距离坡底2/3以上土层分界面处。

3 结论

通过建立含砂砾石成层边坡试验模型，通过室内试验主要得出以下结论：

(1)坡顶均布载荷作用下，砂砾石成层边坡失稳破坏模式均为局部剪切破坏模式，滑动面近似为圆弧+直线型。

(2)在施加同等载荷的情况下，边坡的竖直方向和水平方向最大位移会着模型的砂砾石层厚度减少而减小；随着砂砾石层与坡底之间的距离增大而增大。边坡坡比和荷载作用面积的增大，都会导致边坡最大位移的增大。在加载过程中，坡面竖向位移在加载中心处最大，其余各测点在加载过程变化趋势基本一致，均较小，直至模型破坏时其最后累积值较少。

(3)砂砾层位于边坡高度2/3以上时(距坡底)，破坏面剪出位置为砂砾层底与土层交界面，当砂砾层位于边坡高度2/3以下时(距坡底)，坡面水平方向最大位移出现在距离坡底2/3以上土层分界面处。

(4)砂砾石成层边坡的极限承受荷载值随砂砾石层厚度减少而增加，也随砂砾石层距离坡顶的距离增大而增加。