黄土边坡稳定模型数值分析及试验研究

丁加俊

(永升建设集团有限公司， 新疆 克拉玛依 834000)

黄土边坡稳定模型数值分析及试验研究

丁加俊

(永升建设集团有限公司， 新疆 克拉玛依 834000)

长期大量的工程活动难免会对周围环境造成破坏，其中最为明显的为黄土边坡失稳，这种黄土边坡在形成后由于结构不稳定很容易受到三维破坏。目前，工程中常利用物理模型试验对边坡三维破坏机理进行研究。通过设计相应的物理模型试验平台，根据试验现象和数据对比分析，验证了所设计物理模型的准确性。利用PIV技术测量了黄土边坡的表层位移场，为工程设计提供参考。

黄土边坡； 三维破坏； 物理模型; 试验

0 引言

中国的黄土闻名世界，其特点是分布广且沉积时间长，在我国西北、华北以及长江中下游等地区均有分布，总面积约占我国陆地面积的6.6%[1，2]。由于黄土具有独特的地质条件，这些地区在进行工程建设时，几乎都会碰到黄土边坡稳定性评价问题[3]。2010年～2030年，是我国的“西部大开发战略”的第二阶段——加速发展阶段，在这一阶段我国将会对土地、矿产等资源的利用效率水平提出更高的要求。目前，交通工程中的黄土边坡稳定性分析一般采用定性方法，所以交通工程建设中如何对黄土边坡稳定性进行定量评价成为现阶段研究焦点[4，5]。

1 黄土边坡特征及稳定性评价

1.1 黄土边坡特征

在中国，特别是在西北、华北等地区，这些地区处在黄土沉积与流水侵蚀的同时作用下，日积月累形成了现在的黄土高原，其基本地貌单元主要以塬、梁、峁与沟壑为主[6]。在工程建设中，施工人员通常要进行挖方和填方工程，这样就会出现大量的黄土边坡。所以，在整个黄土高原地区，黄土边坡是最常见的地貌特征。

黄土的独特性在于其结构强度和直立性好，由此使得黄土边坡的坡高都比较大。黄土边坡的特征是：竖直方向上不仅高而且陡，水平方向上宽度比较大。因此这种形态的黄土边坡经常会受到自然或人类活动的影响而使其发生破坏，从而形成所谓的滑坡，这样的滑坡会严重危害人们的生命安全。

1.2 稳定性评价

专家学者对黄土边坡稳定性评价的主要方法为：工程地质类比法、确定性分析法和随机分析法[7]。这些方法已经比较成熟，但是随着工程复杂程度的提高，这些方法也出现了很多问题，很多专家学者都进行了相关研究。其中，物理模型试验是一种通过建立原型的抽象体，并运用数学关系建立两者物理量之间的联系，实现对原型物理过程的重演或对原型发展变化趋势的预测。所以，本文就采用物理模型试验对黄土边坡的稳定性进行评价研究。

2 边坡物理模型试验

在边坡机理的相关研究中，物理模型试验是研究人员常用的重要手段之一[8]。其中，最能反映边坡实际情况的试验是现场试验和足尺模型试验，本节将会简单介绍黄土边坡物理试验模型设计和物理模型试验过程。

物理模型的主体将利用框架式的钢结构，对闲置的实验设备进行适当改进，这样不仅节省原料而且也能充分满足试验所需的功能，装置设计示意图如图1所示。

图1 物理模型的主体示意图

模型主体箱最上面的架构是整个起重装置的支架并起到轨道的作用。架构是由12#的槽钢构成，主体箱的主要装置是悬挂在顶部的电动机，通过定滑轮等部件实现上升和下降操作，起重装置的荷载设计为500 kg。该试验中主要测量黄土边坡的位移场。在进行位移场测量时，主要测量结果为机械性能和数字影像。机械测量通过电阻式直线位移传感器接触坡体后进行测量；在进行数字影像测量时，主要运用PIV技术。研究过程中对黄土边坡的破坏进行了3次实验，分别对所选用物理模型的合理性、坡面变形特征进行了研究，并取得了一定的成果。

3 试验结果分析

经过3次试验并得到了相应的数据，并通过软件对相应数据进行整理和分析。

3.1 加载变形特征

图2为第1次加载的加载过程曲线。试验中前期，以外荷载10 kPa的增量进行加载，试验后期以外荷载5 kPa的增量进行加载。在每次加载工程中，等到边坡坡面基本稳定不变之后再进行下一次加载。从图2中可以看出，在外荷载加载过程中，当外载荷为50 kPa时，荷载压头倾斜比较严重，故将荷载物体全部卸下，然后将压头铺平，随后再重新进行加载试验。重新加载过程曲线如图3所示。从图3中可以看到，“1#”、“2#”、“3#”分别代表位移传感器，用于测量压头东北角、东南角和西北角测点的位移的变化量，取向上移动位移方向为负，中心点代表压头中心点位移变化量。

图2 第1次试验加载曲线

图3 重新加载曲线

由图2和图3可以看出，在外荷载加载过程中，施加每一级荷载后，压头都会倾斜，只是每一级倾斜程度有所不同。随着荷载的不断增加，压头倾斜现象越来越严重，图2中，“1#”、“2#”、“3#”传感器位移曲线可以清楚地得到这一现象。基于压头倾斜现象，根据几何关系，假设3个传感器只进行垂直方向的移动。经过处理后，得出外荷载加载过程中，压头形态变化特征曲线，如图4所示。由压头形态变化特征曲线分布规律可以得出，在开始加载时，压头最上端的倾角是非常小的，基本可以忽略，但从图4中可以看出压头此时已经发生倾斜。由于外荷载一直存在，所以这一状态一直保持到加载试验进行到1×105s时，即外荷载为25 kPa时，方向开始发生偏转。而后这一状态基本稳定在北偏东约23°附近，但是压头的倾斜角度从0°明显增加到8°，增加幅度很明显。

图4 压头最上端形态变化曲线

3.2 坡面变形特征

本试验运用PIV技术对数字影像进行测量。通过试验中所产生的现象，可以得到黄土边坡坡面变形都是由于干裂导致的，但是在外荷载加载过程中这一变形现象并没有大的变化。在试验过程中，由于设备存在问题，导致未能进行及时检测，因此在黄土边坡破坏阶段没有得到完整的视频记录，而只得到了下面的照片，拍摄的最小间隔为1 s。其原始照片如图5所示。图6为破坏前1～2 s时，水平和竖直方向上的数字影像图。由这2幅图像可以得出，黄土边坡在受到破坏时，边坡中部发生了明显的鼓胀现象。从水平方向的数字影像图中可以看出，边坡中部变形比较集中；从竖直方向数字影像图看，边坡中上部的变化是十分显著，此处发生滑坡的可能性较大。

a) 破坏前30 s

b) 破坏前2 s

c) 破坏前1 s

d) 破坏时

a) 水平方向

b) 竖直方向

4 结语

结合文献资料和当前的理论模型，设计了黄土边坡三维破坏物理模型试验平台。根据试验现象和试验数据进行对比分析，验证了本文设计物理模型试验台的准确性，其可以较好地对黄土边坡稳定性进行评价。将PIV技术用于测量黄土边坡表层位移场，研究表明：黄土边坡在受到破坏时，边坡中部发生了明显的鼓胀现象；从竖直方向数字影像图看，边坡中部变形比较集中，边坡中上部的变化是十分显著。希望研究结果可为交通工程边坡设计提供参考。

[1] 梅源，胡长明，魏弋峰，等.某湿陷性黄土超高填方边坡的离心试验及稳定分析[J].工业建筑，2015(6)：93-97.

[2] 史纪村，岳学军.行车荷载作用下半刚性沥青路面动态弯沉数值分析[J].华东公路，2014(5)：74-77.

[3] 江峰.动力荷载作用下刚性路面模量反算研究[J].湖南交通科技，2015(4)：27-30.

[4] 陈思阳，朱彦鹏，李忠，等.大断面黄土偏压隧道开挖侧向边坡稳定性影响分析[J].现代隧道技术，2014(1)：82-89.

[5] 胡雪罗.公路高边坡多层级模糊稳定性评判分析[J].北方交通，2014(5)：74-77.

[6] 李萍，王秉纲，李同录，等.陕西地区黄土路堑高边坡可靠度研究[J].中国公路学报，2009(6)：18-25.

[7] 周军平，桂勇，罗嗣海，等.植被对边坡稳定性影响的研究进展[J].中外公路，2013(6)：9-15.

[8] 谭绍富，黄生文，刘丹.基于UDEC的软岩高边坡施工稳定性研究[J].中外公路，2012(6)：48-51.

2016-07-15

丁加俊( 1980-) ，男，工程师，研究方向: 公路工程。

1008-844X(2017)01-0067-03

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