边坡失稳过程模型试验研究

卢坤林，朱大勇，杨 扬

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，合肥 230009）

1 引 言

滑坡是一种常见的地质灾害，对人类的生命财产带来重大威胁，诸如最近的重庆武隆滑坡、榆林子洲和广西容县山体滑坡等。虽然人类与滑坡灾害作斗争的努力从未间断，但至今尚未能全面认识滑坡的发生、发展机制[1]。

目前，针对边坡失稳破坏(滑坡)课题，国内外学者采用的研究手段包括了理论研究、数值模拟、模型试验和现场监测等[2]。就模型试验而言，学术界很早开始利用各种模型试验方法，来探索边坡失稳破坏机制，历经倾斜模型槽、基底摩擦试验、足尺模型试验和离心模型试验等阶段，其中以倾斜模型槽和离心模型试验最为常用[3]。

陈祖煜[4]和罗先启[3]先后详细综述了截至 2005年倾斜模型槽试验成果。左保成[5]研究了反倾岩质边坡的破坏机制；任伟中[6]建立了相似比为 1:200的边坡模型，研究了模型边坡的变形破坏机制和加固效果；Shigemura[7]研究了坡趾形态对边坡失稳的影响；Chen[8]研究了散粒体在干燥和潮湿状态下的破坏形式；Li[9]对堆积块体的破坏模式进行了研究；黄昕[10]研究了块裂层状边坡的破坏模式。

综上所述，国内外学者通过倾斜模型槽试验对边坡破坏机制开展了大量卓有成效的工作，但普遍存在模型宽度较小，不能反映三维效应。本文在一个模型槽中制作宽高比为2.5的模型边坡(素土和加筋)，通过倾斜模型槽触发边坡失稳破坏，研究三维形态下边坡失稳的发生、发展以及最终形态。有助于了解边坡失稳破坏过程及破坏形态，为边坡治理提供科学依据。

2 试验装置及模型边坡

2.1 试验装置

试验采用在模型槽中制作边坡模型，通过倾斜模型槽致使边坡失稳破坏，研究滑坡的发生、发展以及滑体形态。如图 1所示，模型槽尺寸为1 m×2 m×4 m（高×宽×长），通过双联升降螺杆组成的升降装置抬升模型槽的一端来达到倾斜模型槽的目的。在模型槽的正面和顶面安装了2台高清数码摄像机组成的影像采集系统，实时记录边坡破坏过程。为了防止边坡沿着模型槽地面或侧壁滑出，对其进行了防滑处理。

图1 模型试验示意图Fig.1 Sketch of model test

2.2 模型试验用土性质

制作模型土样选用潮湿的细砂（含泥），级配曲线如图2所示，物理力学指标列于表1中。

图2 试验用土的级配曲线Fig.2 Gradation curve for test soil

表1 试验用土的物理力学参数Table 1 Pysico-mechanical parameters of test soil

2.3 模型边坡的设计与制作

本次试验设计了 30°、45°和 60°共 3种坡度，坡面考虑了平面和凸面两种形式。同时，针对凸面坡还设计了一排加筋和两排加筋。

模型边坡高为 0.8 m，采用人工分层填筑，保持制样的均匀性，填筑完成后，人工修整为所需要的模型边坡几何尺寸。

3 试验过程及测试结果

3.1 坡顶裂缝开展的描述

在模型槽中制作所需要的边坡模型，通过倾斜模型槽来改变模型的坡度，触发其失稳破坏，用 2台摄像机记录该过程。

图3～8为不同坡度和坡面形式下，坡顶裂缝开展过程的俯视图。坡顶网格密度为20 cm×20 cm；每组两个平行试验，分别以粗线和细线区分。

整个裂缝开展过程基本呈现了三维形态，两端由于侧壁限制，同一批次的裂缝位置比较接近坡顶，总体呈圈椅状。

随着坡度逐渐增加，第1批裂缝位置离坡面距离越近。以平坡为例，30°坡时第1批裂缝距坡顶约为70 cm，45°坡时约为50 cm，而60°坡时仅有35 cm左右。对于坡度较缓的边坡，裂缝开展较为缓慢，裂缝批次较多；而陡坡则表现为裂缝批次较少，一出现裂缝就滑动破坏。比较平坡与凸坡，同一坡度下，每个批次裂缝位置基本一致。对于凸坡而言，侧壁限制的影响较弱，端部裂缝位置较平坡有些差异。

图3 30°平坡坡顶裂缝开展过程Fig.3 Cracking progress of flat slope for grade angle 30°

图4 30°凸坡坡顶裂缝开展过程Fig.4 Cracking progress of convex slope for grade angle 30°

图5 45°平坡坡顶裂缝开展过程Fig.5 Cracking progress of flat slope for grade angle 45°

图6 45°凸坡坡顶裂缝开展过程Fig.6 Cracking progress of convex slope for grade angle 45°

图7 60°平坡坡顶裂缝开展过程Fig.7 Cracking progress of flat slope for grade angle 60°

图8 60°凸坡坡顶裂缝开展过程Fig.8 Cracking progress of convex slope for grade angle 60°

3.2 边坡破坏的三维形态

图9给出了凸坡破坏形态照片。可以看出，坡度影响着滑面形态：坡度较缓时，滑面呈现椭球面或圆柱面+端部过渡滑面（见图9(a)）；而坡度较陡时，则沿着原边坡轮廓滑落（见图9(c)），与文献[11]利用数值方法搜索得到的三维滑面形态基本一致。

图9 素土凸坡最终破坏模式Fig.9 Failure forms of natural convex slopes

3.3 失稳后的滑程

图10汇总了凸坡破坏后滑体的冲程，虚线为原坡底轮廓线，其他线为失稳后滑体前缘轮廓线（共4组）。总体而言，冲程曲线呈现中间大、两端小的特点。

坡度为30°、45°、60°时，最大冲程平均值分别为29.1、33.5、42.3 cm。可见，冲程大小与坡度有关：即坡度缓，冲程小；坡度陡，冲程大。

图10 素土凸坡失稳后的滑程（俯视）Fig.10 Slip progresses of natural convex slopes (planform)

3.4 加筋边坡的破坏过程

为了研究加筋对边坡稳定的贡献及加筋边坡破坏过程，在凸坡中设置通长筋带，一排筋带设置在50 cm高位置，两排筋带分别设置在40 cm和60 cm高位置，水平间距为20 cm。以坡度45°为例，筋带剖面布置如图11所示。

图11 筋带布置剖面图Fig.11 Experimental schemes for reinforcement

图12、13分别给出了一排和两排加筋凸坡坡顶裂缝开展过程，均为俯视图。现仅以坡度 45°为例说明，其他情况类似。

加筋后，坡顶裂缝开展速度显著放缓，但最终裂缝位置与未加筋基本一致，针对陡坡裂缝批次多于未加筋情况。

图12 45°一排加筋凸坡坡顶裂缝开展过程Fig.12 Cracking progress of convex slope with reinforcement of single layer for grade angle 45°

图13 45°两排加筋凸坡坡顶裂缝开展过程Fig.13 Cracking progress of convex slope with reinforcement of double layer for grade angle 45°

由图12、13还可以发现，第1批裂缝位置也基本上位于未加筋边坡第2批裂缝位置附近，而第2批裂缝位置却和未加筋第1批裂缝位置接近。

图14给出了加筋凸坡的最终破坏形态照片。加筋后，边坡表现为先浅层剥离，而后整体滑动，破坏模式与未加筋存在区别。

图14 加筋边坡最终破坏模式Fig.14 Final failure forms of reinforced slopes

3.5 破坏时模型槽倾斜的角度

当模型边坡失稳后，停止升降装置，测量倾斜角度。表2总结了各种试验情况下，破坏时倾斜角度的变化范围及平均值。

表2 不同角度边坡破坏时模型槽抬升角度Table 2 Tilting angles for model box with different dip angles of failure slope

初始坡度较陡的边坡破坏时倾斜角度较低，而初始坡度较缓的边坡破坏时倾斜角度较高；比较同一坡度下的平坡与凸坡，破坏时模型槽倾角高于凸坡约2°～4°，表明凸坡较平坡容易失稳破坏。

加筋后，增强了边坡的稳定，破坏时模型槽倾斜角度明显高未加筋坡，一排加筋增加约3°～6°，两排加筋增加约 6°～10°。比较一排和两排加筋，后者高于前者1°～3°。

4 分析与讨论

4.1 滑面的形态和位置

稳定性评价是边坡工程的核心问题，对于均质土坡而言，通常认为滑动面为一曲面，在平面上一般用圆弧近似表示。然而，实际边坡是一个三维问题，滑动面的空间分布形状会受到许多因素影响，往往并非理想的圆柱滑面。本次试验得到的滑面在空间上呈现椭球滑面，断面上比较接近圆弧形；理论上的最危险滑面在坡顶位置和试验的第1组裂缝位置基本一致，但试验破坏位置要比理论分析更接近坡面，尤其是凸面边坡。

4.2 模型试验结果与实际边坡间的关系

根据模型试验的3个相似定律，以安全系数作为衡量标准可得，几何相似比约为 1∶10，即模型试验与实际高约8 m均质边坡相对应。

另外，模型试验是完全理想状态，而实际边坡不论从边界条件、土体性质方面均与模型试验存在一定的差异。

4.3 模型尺度的影响

模型试验中模型尺度对试验结果的影响较大，因此，为了尽可能地降低模型尺度效应，加大了模型尺寸、对侧壁和底板进行了防滑处理等措施。具体的定量研究尚未开展。

5 结 语

（1）介绍了一个在尺寸为1 m×2 m×4 m（高×宽×长）的模型槽中制作的素土边坡和加筋边坡的失稳破坏过程的模型试验。

（2）边坡失稳破坏呈现典型的三维形态，滑面形态受坡度、坡形等因素制约，总体上呈现椭球滑面，断面上比较接近圆弧形；理论上的最危险滑面在坡顶位置与试验的第1组裂缝位置基本一致。

（3）滑坡冲程呈现中间大、两端小的特点，坡度越大，最大冲程也越大，且数据的离散程度较低，比较有规律可循。

（4）在其他参数不变的情况下，凸面边坡土体受约束的程度低于平面边坡对土体的约束，更容易失稳破坏。

（5）加筋可以有效地提升边坡的稳定性，破坏模式也有所改变。

（6）本次模型未埋设相关测试元件，不能够得到相关坡体内部应力和变形等指标的变化。另外，模型尺寸也可能偏小，不能够全面反映三维效应。

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