黄土边坡三维破坏过程的模型试验与方案改进

郭璐 杨德宏

【摘要】滑坡已变成与地震、火山并列的全球三大地质灾害之一，很多滑坡是由边坡失稳引起的；随着人类频繁的工程活动出现了大量长、高边坡，此类边坡主要发生三维破坏，现有工程经验和二维平面方法将不能满足此类边坡的稳定性分析要求；虽然目前已有学者利用三维数值模拟方法分析边坡稳定性，但主要处于研究阶段。基于以上因素，物理模型试验成为再现边坡三维破坏过程的重要手段。利用物理模型试验研究边坡三维破坏机理，为防治边坡失稳提供理论支持，具有理论价值与实际意义。为了利用物理模型试验再现边坡三维破坏过程，本文设计制作了相应的物理模型试验平台。

本文系统的介绍了模型的设计制作和试验方案的规划，通过三次模型试验对模型进行了测试；虽然试验模型任存在一些不足，但是已基本具备了再现边坡三维破坏过程的功能；最后，论文对试验模型存在的不足提出了相应的改进方案。

关键词：边坡三维破坏，物理模型试验，模型试验平台

一、创新之处

边坡三维破坏形式的实现本模型试验的核心之一。目前针对土质边坡的模型试验主要研究边坡二维破坏，其边坡破坏的加载方式如图1a所示，在边坡模型坡顶进行整体加载，此时边坡模型沿横向从左至右各纵剖面形态是相同的，只是在沿纵向从后往前的各横剖面形态不同，在这种状态下土质边坡将发生二维破坏。

本文改变在边坡模型坡顶整体加载的方式，在边坡模型坡顶（一般选取中部）进行局部加载，如图1b所示，让边坡模型内部产生区别于均布加载产生的准二维应力状态，使边坡模型沿横向从左至右各纵剖面形态和沿纵向从后往前的个横剖面形态均不同，从而使边坡发生三维破坏。

图 1 边坡加载破坏示意图

二、模型的设计

1.模型主体设计

模型主体的设计采用钢质框架式结构设计方案，充分利用废旧模型设备，在保证功能的同时也兼顾到了经济性，如图2所示。

图 2 模型主体设计示意图

2.起重装置设计

模型箱上部钢架为起重装置的支架兼轨道，由12#的工字钢组成；核心装置为一个电动机组，可以借助滑轮等配件实现行走、上下功能，设计荷载500kg。

3.功能性构件设计

功能性构件为非结构性构件，是为实现特定功能而设计制作的配件，具有较强的针对性，对整个试验顺利进行有关键作用。针对边坡三维破坏模型试验设计或制备的功能性构件主要有：夯锤、荷载、加载杆、承压板、矩形钢管、减压板以及补光灯。

4.测量系统设计

本试验对边坡坡体的应力场和位移场进行测量。

位移场测量包括机械测量和数字影像测量。机械测量是利用电阻式直线位移传感器对坡体变形进行接触式测量；数字影像测量时采用改进的PIV技术，利用摄像头与PC机组合的方式实时采集坡面影像，并对图像进行后期处理，以得到坡体的变形量。

应力场由于试验阶段性和技术难度等因素，本试验只测量主应力；主要设备为压力传感器和CML-1L-16型应变&力综合测试仪。

三、模型的应用

1.模型试验

笔者选择黄土利用设计的模型进行了3次模型试验，依次对模型合理性、位移传感器和整个系统进行了测试，分别确定了模型试验的坡形和干密度、加载方案以及试验步骤，取得了边坡三维破坏模型试验的相关经验。

2.试验结果分析

第一次试验坡体没有破坏，但检验了模型试验的可行性，发现了试验模型和方案存在的问题，为后面试验的顺利进行做好铺垫；

第二次试验由于加荷速率等因素，使黄土边坡并未出现完整的三维破坏特征，但也发现试验存在的问题，为下一步试验提供帮助；

第三次试验测试了整个模型试验平台的性能，并获得了边坡三维破坏的部分特征。

五、模型的不足与改进

1.存在的问题

从施工过程、试验准备、试验进行三个方面，总结出以下主要问题：

（1）坡度变化有限；（2）坡肩与模型箱后壁较小；（3）水分流失严重；（4）填土密度不均匀；（5）荷载倾倒；（6）位移传感器弯曲损坏。

2.改进方案

（1）坡度变化有限，可通过加长模型箱解决；

（2）坡肩与模型箱后壁较小，可以在土料与模型后壁间加上一层厚度适宜的海绵，在试验过程中可以使边坡模型朝后壁方向有一定变形空间，模拟真实边坡变形破坏过程；

（3）水分流失严重的问题，希望通过设计一套喷雾系统，对试验的土层进行不间断补水，以保证对含水量的要求；但是这种方案较为复杂，拟用在进一步的模型试验中采用；所以，现阶段采用通过背负式手动喷雾器进行间断式补水；

（4）填土密度不均匀，通过加工标准锤土设备，利用重物从固定高度下落产生较为固定的能量来击实土体的方法解决。

（5）荷载倾倒是急需改进的关键问题，本文设计了3种改进方案：

方案1是对框架强度要求高；优点是柔性加载，可与现有荷载配合使用；

方案2是球头连接适应倾斜；优点是阻尼器防倾斜，堆载反力，结构简单，经济可行；

方案3是将力放大；优点是滚动轴连接，与变形相协调，增加动滑轮，增大加压能力；加工简单成本低。

六、结束语

（1）提高模型的控制能力，如引入改进加载装置，使模型加载效率更高；

（2）在相关试验数据的获取上，可引入更为先进的测量元件，使获取的试验数据量更大、更精确；

（3）目前，试验数据的处理（图形图像处理），仍然需要大量的人工操作；为此我们可引入位移采集分析系统（软件或硬件），以减少数据处理的工作量，也能有效提高试验结果的精确度；

（4）可以引入一些新的设备，如人工降雨设备，使模型具有更为完善的功能，具有更好的模拟能力。

综上，本试验模型需向自动化方向发展，成为一个针对性更强，且具有较好定兼容性的大型物理模型试验平台。

主要参考资料

[1] 中华人民共和国国土资源部.全国地质灾害通报（2003—2012年）[中国地质环境信息網].[2011-09-17].访问路径：http：//www.mlr.gov.cn/dzhj/201109/t20110917_954672.htm

[2] 张常亮，李同录，李萍. 三维极限平衡法通用形式的建立及应用[J]. 地球科学与环境学报，2010，（1）.

[3] 陈祖煜，弥宏亮，汪小刚. 边坡稳定三维分析的极限平衡方法[J]. 岩土工程学报，2001，23（5）：524-529.

[4] 李同录，王艳霞，邓宏科. 一种改进的三维边坡稳定性分析方法[J]. 岩土工程学报，2003，（5）.

[5] 刘祖典. 黄土力学与工程[M]. 西安：陕西科学技术出版社，1997.