挖方边坡变形机制的离心模型试验

柯鉴 邓琴 荀利明 蒋文鹏 武松

摘要 依托小磨高速公路的K110+295～K110+410段挖方边坡，基于自重情况下的土坡离心模型，观察边坡的破坏过程，并记录坡表关键点的位移变化情况，探讨挖方边坡的变形机制及破坏机理。结果表明：在自重的作用下，挖方边坡的坡顶首先出现裂缝，随后向坡内扩展，同时坡内产生多条裂缝，最终边坡沿着土体与基岩接触面以近似圆弧滑面剪出，表现为以剪切破坏为主的剪切-拉裂组合破坏模式。边坡的破坏过程根据坡表监测点的位移變化规律可以分为相对匀速变形阶段、加速变形阶段和破坏后阶段。最后采用数值模拟获得的位移场和最大剪应变分布图验证了模型试验的合理性。

关 键 词 挖方边坡;心模型试验;值仿真;切-拉裂破坏

中图分类号 TU 457     文献标志码 A

Abstract Based on the Centrifuge model test，the deformation mechanism and failure characteristics of excavated slope on the k110+295～k110+410 of XiaoMo highway has been studied.During the model test，the failure process of the slope was observed and the displacement of key points was recorded.It shows that the top of the slope appears the crack firstly，and then it expands into interior.At the same time，many cracks occur in the slope.Ultimately，the slope is cut out along the interface of soil and bedrock with an approximate circular slip surface.Slope failure is characterized by shear-tension failure dominated by shear failure.The failure process can be divided into the relatively uniform deformation stage，the accelerated deformation stage and the post-failure stage.Finally，Numerical test has been studied to verify the validity of model test by displacement field and maximum shear strain distribution map.

Key words excavated slope;centrifugal model test;numerical simulation;shear-tension failure

公路的施工过程中不合理的开挖，将会使得原始边坡的稳定性遭到破坏，从而导致边坡变形失稳。近些年来，随着我国国民经济的发展和国家战略计划的实施，高速公路建设快速发展，开挖导致的滑坡灾害发生频繁，因此挖方边坡的变形机制越来越受到关注。目前大量研究集中在开挖过程对边坡的稳定性影响[1-9]，然而，大量工程实践证明，边坡在开挖的过程中是稳定的，在开挖完之后一段时间开始出现显著变形，最终发生滑坡。这类边坡的稳定性除了开挖扰动以外，坡面形态和滑带参数劣化是主要影响因素。卢坤林等[10]通过对300个失稳边坡资料统计分析，得出了坡面形态对边坡稳定性影响的初步结论。目前来说，挖方边坡的变形机制未得到明显关注。

土工离心模型试验利用离心机的离心力模拟重力，结合相似准则将原型几何形状缩小，并采用相同性状的土体制成模型来研究工程形状的一种测试技术。因模型试验能再现土体的自重应力场以及与自重有关的变形、发展直至破坏全过程，因此得到了广泛应用[11]。离心模型试验被广大科研学者认为是目前相似性最好的试验手段[12]。目前对于土坡变形机制的研究多是自然坡或者人工拟定的边坡[12-14]，鲜见挖方边坡的变形机制研究。本文以小磨高速公路K110+295～K110+410段挖方边坡为原型，基于长江科学院CKY-200土工离心机，结合该区域地质概况，采用室内配比材料，模拟挖方边坡的变形破坏过程，揭示变形规律及机制。最后采用数值模拟验证模型试验的合理性。

1 工程概况

小磨高速公路是国家高速公路网G85重庆—昆明公路的联络线G8511昆明—磨憨（口岸）的末段，其中13标的K110+295～K110+410段边坡位于线路右侧，深挖方长度约115 m，中线最大挖深约14.24 m，形成边坡最大高度约48.6 m。该深挖方于2015年10月开始开挖施工，开挖到一级边坡后，2016年01月17日凌晨2时，K110+295～+410段右侧山体在没有下雨的情况下发生大面积山体滑坡，开挖坡口线边距51.5 m，坡口线内移约7 m，滑塌裂缝线宽约1.5～3 m，滑塌裂缝边距约81.2 m，裂缝错台高度约2～10 m，如图1所示。坡体后缘裂缝如图2。

滑动面多位于强风化砂砾岩与强风化泥质粉砂岩的不整合接合面处。强风化砂砾岩孔隙发育，富水性强;强风化泥质粉砂岩孔隙性较差，具相对隔水性。

2 模型试验方案

本试验采用长江科学院CKY-200土工离心机设备，如图3所示。该设备有效容量200g·t，最大加速度200g，调速精度0.1g;有效半径3.7 m;吊蓝净空尺寸1.2 m×1.0 m× 1.5 m;模型箱尺寸（长×宽×高）1.0 m×1.0 m×1.0 m、1.0 m×0.4 m×0.8 m两种，适应多种相似比的模型试验需求。

2.1 试验模型尺寸

选取K110+370横断面图为原型，采用相似比N=80g进行模型的制作。模型高度为75 cm，对应原型高度为60 m，边坡上部坡比为1∶1.6，下部坡比约为1.1∶1。由于现场工况模型土体的复杂性与不确定性，模型试验中将边坡岩土体材料概化为两层，即滑动面上部和下部，模型概化图如图4所示。

2.2 模型材料

为更为真实的模拟现场原土体的材料参数，选择适宜的土体材料参数成为模型试验的首要前提。土体初步采用黄土与中粗砂混合，按照干样质量比分别为10∶0、7∶3、6∶4和5∶5的比例混合，控制混合样干密度为1.95 g/cm3，并设置不同的含水率，测定不同配合比及含水率下材料强度指标。经综合比对后，采用黄土∶中粗砂 = 7∶3配比，制样含水率控制为15%，制样干密度为1.95 g/cm3，按击实度100%击实来进行土体制作。基岩的模拟采用重晶石和水泥按照重晶石粉∶水泥∶石灰 = 1∶1.21∶1.28的比例进行混合浇筑，模拟现场基岩面，同时模型试验中忽略边坡基岩的变形。土体参数如表1所示。

2.3 监测项目

本次试验模型的主要监测项目包括坡体表面位移和坡体断面位移。1）坡体表面变形：在坡体表面布置5个监测点，采用激光位移传感器来监测坡体表明的变形情况。其中LDS1、LDS2、LDS3和LDS5位于坡表，LDS4位于坡脚。有效量程为30～80 mm，测量精度为0.01 mm。2）坡体断面位移：通过边坡断面分层布设变形标示点，离心机运行中采用高速摄像系统拍摄断面照片，运用GetData Graph Digitizer、Excel 软件提取数值并生成不同阶段滑坡模型的位移矢量图。模型断面标点铺设和激光传感器布置如图5所示。需要注意的是，这里侧面标记点只是示意，其具体布置见图6d）。

2.4 模型制作

首先在模型玻璃箱一侧玻璃板上划上基岩与滑体的分层线，并绘制滑坡的轮廓线，作为分层击实与削坡的依据;根据上述材料配比制作模型材料，将材料按照设定的湿密度称量，5 cm一层，分层导入模型箱，按设计好的压实度进行击实，分层铺设标记点，拍照并记录每层土样质量。需要注意的是，每一层击实之后采用钢尺进行表明划毛处理，保证层与层之间密实接触。最后按照轮廓线进行削坡，并在表面布置传感器。模型示意图如图6所示。

2.5 试验过程

将制备好的模型吊入离心机吊篮内，并在吊篮另一端吊装同等质量配重。在所有传感器和接收仪器检查正常后，启动离心机，20g为一级，每级加速度下稳定运行4 min，利用架设在离心机室顶部的高速摄影系统对模型进行拍照，得到每级加速下模型断面标点的位置并用激光位移传感器记录位移变化。运行至模型发生整体发生破坏后停机。

3 试验结果及分析

3.1 变形破坏特征

图7展示了不同加速度下边坡变形图。从图中可以看出：加速度为20g时，坡面顶部首先出现2条张拉裂缝（图7a）），加速度达到40g时，裂缝向坡底延伸（图7b））。加速度为60g时，已有裂缝继续扩展，同时伴随多个裂缝产生（图7c））。从测面标点可以看出边坡表面发生整体滑动，此时边坡已经发生破坏。加速度达到80g时，边坡发生整体垮塌，滑动面从开挖后的坡脚剪出。

将60g加速度下模型断面标点位移绘制得到离心机加载过程中模型断面的矢量图，如图8所示。可以看出，坡表变形最大，变形向坡体内部逐渐变小。测量得到边坡最大位移约为6.8 cm。

结合模型断面初始标点位置，以及加速度60g和离心机停止时滑动破坏时各标点位置，描绘出模型断面破坏图和坡面裂缝见9。从图中可以看出，60g时开挖坡顶处以下位置变形较大，亦是张拉裂缝最先出现位置，滑坡体沿着张拉裂缝向下滑动，最后从坡脚剪出，滑坡体平均深度为15 cm，滑面深层位置平行于基岩坡面，这和实际边坡滑动深度和滑动范围都很接近。

3.2 竖向位移发展规律

试验过程中通过在边坡表面架设激光位移传感器测量试验过程中边坡的变形结果如图10所示，其中位移正值表示该点发生沉降变形，负值表示隆起变形。考虑模型滑坡过程中，监测点可能发成的沉降和隆起变形，因此试验前监测点距离坡面位置控制在3～4 cm，以便于监测模型坡面可能出现的隆起与沉降变形。其中传感器LDS-1、LDS-2、LDS-3、LDS-4分别监测模型表面竖向位移。

从图10中可以看出：1）在加速度小于40g时，点LDS-1位移随着加速度的增加而增大，且在加速度保持稳定时沉降趋于稳定，40g稳定时的沉降量约为11.2 mm。离心机加载至60g过程中LDS-1位移随着加速度增加继续增大，加速度达到60g稳定时LDS-1沉降持续增加，直至超出传感器量程，此时沉降量为22.98 m。2）点LDS-2和LDS-3在加速度达到40g之前，发生隆起变形，40g时隆起量为16.8 mm和11.8 mm。60g加载过程中位移超出量程，此时LDS-2的隆起量为25.1 mm，LDS-3在加速度达到60g时隆起量为30.6 mm，加速度稳定后LDS-3测量值发生波动，后超出量程。3）点LDS-4监测坡脚位移，随着离心加速度增加，坡脚位置发生隆起。40g时坡脚隆起高度为3.15 mm，加速度达到60g时后坡脚隆起量持續增加，最终达到23 mm。结合60g时模型断面图（图7）得知在60g时边坡表层岩体发生整体移动，上述监测点在边坡破坏后位移持续增加直至超出量程。

4 挖方边坡数值模拟验证

为了解挖方边坡的破坏机理，采用Phase2有限元软件开展挖方边坡的数值仿真分析，上方材料考虑为弹塑性，其采用的强度参数如表1所示，弹性模量和泊松比分别为80 MPa和0.30。采用Mohr-Coulomb本构模型。

计算得到自重状态下挖方边坡的位移场和最大剪应变云图分别如图12和13所示。从图中可以看出，位移在坡表最大，且位移只要集中在基岩以上滑体，且上部模型与基岩接触处剪应变集中，这和离心模型试验获取的位移场及破坏断面图相对应（图9）。这也说明了模型试验结果的合理性。

5 结论

依托实际工程，采用离心模型试验技术，研究了挖方边坡的变形机制和破坏机理，并采用数值模型验证了模型试验的合理性。主要结论如下：

1）自重作用下，挖方边坡首先在坡顶出现拉裂缝，随后向坡底延伸，并伴随坡内多个裂缝产生，最终边坡发生整体滑动并坍塌，滑动面从坡脚剪出。

2）边坡沿着土体与基岩接触面以近似圆弧滑面剪出，边坡失稳，表现为以剪切破坏为主的剪切-拉裂组合破坏模式。

3）根据坡表位移监测点的数据规律，边坡的破坏过程可以分为相对匀速变形阶段、加速变形阶段和破坏后阶段。

4）针对挖方边坡，开展了自重作用下的数值试验分析，得到的边坡位移场和最大剪应变场和模型试验相吻合，验证了模型试验结果的合理性。

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[责任编辑 杨 屹]