降雨下支护时序对边坡稳定性影响离心模型试验

贺仁臣

（深圳市深水水务咨询有限公司,广东 深圳 518022）

1 引言

降雨入渗是导致绝大部分边坡失稳的主要原因,史振宁等[1]、马吉倩等[2]、付宏渊等[3]拟定不同的降雨计算方案分析降雨对边坡稳定性的影响,得到了降雨过程中边坡中暂态饱和区的变化规律以及对边坡的影响。赵偲聪[4]针对降雨情况开展了土质边坡离心降雨模型试验,对降雨过程中的坡体位移、含水率和孔隙水压力的变化规律进行分析,得到了坡体的破坏模式。王维早[5]通过大型离心模型试验,获得了强降雨条件下边坡变形破裂情况,并判断边坡为推移式蠕滑-拉裂-整体滑动的滑动失稳机制。姚裕春[6]应用离心模型试验和数值计算对不同施工时序的边坡变形破坏和应力场情况探究,认为边坡的上级开挖可以先进行临时支护,开挖完成后变为永久支护。本文以某水利边坡工程为研究对象,开展多组不同开挖—支护时序边坡模型试验,分析不同支护时序条件对边坡稳定性的影响,为相关边坡工程支护工程实践提供参考。

2 试验方案

2.1 方案设计

试验所用土工离心机型号为TLJ-3-60 gt,试验设计的模型箱长度为0.5 m,宽度为0.36 m,高度为0.4 m。本文研究对象为某水利边坡工程,对此边坡工程进行离心模型试验。边坡所属地区地下复杂,边坡左侧高度为74 m,右侧高度为16 m。边坡一共分为6 级,每一级的高度为10 m。该边坡工程地质条件较差,岩层分为三类冲洪积成因粘土、砾质粘性土和砂质粘性土,分别位于边坡的上、中和下层。基岩主要以泥盆系砂岩、泥质砂岩及下第三系泥质砂岩组成,第1 级边坡坡率为0.5,第2 级和第3 级边坡坡率相同为0.75,第4～6级的边坡坡率相同为1。各岩土体物理力学参数见表1。

表1 边坡岩体工程参数

2.2 模型相似

结合现场实际工程情况,将模型试验的几何相似确定为1∶120。根据相似定律,取C=1,采用等应力进行模拟试验,同时其他物理量相似比见表2。试验过程中为了较好地模拟现场的工况,模型原型简化处理,取边坡中心线到边坡顶处10 m 进行模型试验,同时保证模型试验的填筑与现场边坡形状一致。考虑模型箱边界影响,模型试验采用实际工程土料进行填筑。

表2 边坡岩体工程参数

式中：Bmin为模型试验箱的最小边长,mm；dmax为土颗粒的最大粒径,mm；d50为土料颗粒的平均粒径,mm。

离心模型试验进行前对填筑试验土料进行粒径筛分试验得到dmax最大粒径和d50平均粒径,对于不满足公式（1）其余粒径按照等量替代的原则进行处理,具体计算方式见公式（2）：

式中：Pi为处理后土料的某粒径含量,%；Poi为原级配某粒径含量,%；P5为大于5 mm 粒径土的含量,%；PS为不合格粒径的含量,%。

对试验土料进行粒径筛分试验并等量代替处理后,绘制的颗粒级配曲线见图1。

图1 粒径级配曲线

采用重晶石粉、水泥和石膏按照1∶1.20∶1.32 比例代替砂岩,具体材料力学参数见表3。按照相似原理计算后,采用弹性模量为0.8×105MPa,直径为1 cm 的硒丝模拟实际工程中的锚杆。

表3 砂岩模拟材料力学参数

2.3 降雨方案

为了模拟水利边坡工程在开挖过程中的稳定性,该模型试验共设计不同的开挖—支护时序12 组,其中边开挖边支护,即实时支护,ES-1～ES-6 共6 组,开挖完成后再进行支护,即非实时支护,E1～E6 共6 组。为得到降雨入渗和一般条件下边坡稳定系数的对比情况,将ES-1～ES-3 和E-1～E-3 组模型按照降雨和非降雨两种情况进行两次试验。试验方案见表4。

表4 模型支护与降雨情况

试验中采用所用optoNCDT-1401 型激光位移传感器,对坡体在开挖和支护过程中坡顶、坡面和坡脚的变形进行监测,同时配合高速摄影装置记录边坡和坡脚处大头针的位移进行观测,得到边坡沉降情况。

采用自行设计的降雨装置进行边坡降雨模拟,该降雨装置主要由输水系统和降雨器两大部分组成,见图2,降雨装置由上到下由水箱、电磁阀、输水管、降雨器组成,为了达到在离心场中均匀降雨的情况,并在底部铺设土工布。

图2 降雨器装置示意图

该模型试验边坡填筑主要分四个过程：第一,根据相似原理,计算模型尺寸；第二,按照计算尺寸在箱体进行坡体形状绘制,并固定挡板；第三,按照实际坡体的工程地质情况,对模型箱进行装土填筑,填筑过程中坡体分层抹平、击实和标记；第四,根据试验方案,对每一级边坡进行削坡,同时要采取保护措施。整个模型完成后,需要上机进行固结沉降模拟实际边坡情况,然后对边坡进行开挖和支护处理,继续上机提高重力加速度至破坏,试验过程重复至结束。

3 试验结果分析

3.1 开挖变形分析

两种开挖—支护时序下坡顶处水平和竖向位移变形情况对比,见图3 和图4,相比开挖后不及时支护,开挖后及时支护可以更好的控制边坡水平和竖向的位移变形,比较开挖初期（第1 级）结束,采用开挖后及时支护情况下,边坡水平和竖向变形分别减少34.6%和53.2%,全部开挖（第6 级）结束,边坡水平和竖向变形分别减少32.1%和10.3%,表明实时支护在开挖初期对竖向变形控制效果明显。

图3 坡顶开挖过程中的水平位移

图4 坡顶开挖过程中的竖向位移

两种开挖—支护时序下坡脚处水平和竖向位移变形情况对比,见图5、图6,相比边坡开挖不及时支护,及时支护情况下坡脚水平位移减小,但从开挖初期（第1 级）到开挖结束（第6 级）降幅情况显著,由27.36%降到了21.3%。而竖向变形方面,两种工况在第3 级和第5 级开挖结束后变形基本一致,最终边坡完全开挖结束后,不及时支护情况坡脚的变形更大。

图5 坡脚开挖过程中水平位移

图6 坡脚开挖过程中的竖向位移

3.2 开挖稳定性分析

无论是及时支护和不及时支护工况,开挖过程中坡顶沉降变形速率随着离心加速度的增加而加快见图7。两种开挖一支护时序施工方法的稳定系数曲线见图8 和图9,两种工况在开挖过程中不同级开挖时边坡稳定性表现不同,及时支护情况下边坡由刚开挖时到第2 级再到最后开挖结束,边坡稳定性系数先减小到1.17 后又增大到1.46；不及时支护情况下边坡稳定性系数由1.39 一直降到0.86,此时边坡已失稳,降雨状态下边坡稳定性系数下降更明显,最终降幅达到19.2%。因此及时支护对边坡降雨条件下开挖过程中稳定状态更好。

图7 坡顶处无量纲沉降随离心加速度水平变化曲线

图8 及时支护稳定系数发展曲线

图9 未及时不支护稳定系数发展曲线

3.3 降雨时开挖稳定性分析

模型试验中模拟及时支护的施工方式为ES-4、ES-5 和ES-6,而模拟未及时支护为E-4、E-5 和E-6。对两种工况下不同降雨条件下边坡稳定性进行试验分析结果见图10、图11。两种工况边坡的稳定系数随降雨量的增大而明显减小,当降雨量分别为50 mm、100 mm 和200 mm 时,相比于边坡开挖过程中及时支护其稳定系数最大降幅达到12.3%,而未及时支护情况下最大降幅达到92.6%,约前者的7.5 倍,表明降雨下边坡开挖过程中应做到及时支护。

图10 及时支护工况降雨后稳定系数发展曲线

图11 未及时支护工况降雨后稳定系数发展曲线

4 结论

通过采用大型土工离心机模拟降雨条件下的多级高边坡不同开挖—支护时序下的变形特性及稳定性。主要得出以下结论：

（1）采用及时支护可以有效的控制坡顶处水平和竖向的位移,全部开挖结束,边坡水平和竖向变形分别减少32.1%和10.3%,及时支护边坡在开挖初期对竖向变形控制效果明显。

（2）及时支护情况下边坡开挖过程中稳定性系数先降低后增加,而未及时支护边坡稳定系数随开挖逐渐降低,整个边坡开挖结束后未及时支护边坡稳定性系数降幅程度约是及时支护情况的3 倍。

（3）及时支护和未及时支护的边坡稳定系数都随着降雨量的增大而降低,并且随着入渗作用边坡稳定系数会持续下降,在相同降雨量情况下,相比于及时支护边坡的稳定系数,未及时支护边坡降低50%以上。