某長(zhǎng)大緩傾順層邊坡支護(hù)效果的離心實(shí)驗(yàn)研究

郭永春， 冷景巖， 施金江， 楊軍杰

(1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 四川 成都 610031；2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300251；3.中鐵四院集團(tuán) 南寧勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 廣西 南寧 530003)

長(zhǎng)大緩傾順層邊坡是指邊坡坡長(zhǎng)大于100 m[1]，巖層傾角在15°～20°甚至更低緩的順層邊坡[2]，由于巖層傾角較小，坡高相對(duì)不高，一般情況下該類邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在降雨、施工、地震等擾動(dòng)的情況下會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)。根據(jù)筆者的調(diào)查，在西南紅層地區(qū)分布有大量的長(zhǎng)大緩傾順層邊坡，近年來(lái)普遍出現(xiàn)了由于各種誘發(fā)因素導(dǎo)致的滑動(dòng)現(xiàn)象，已經(jīng)成為西南紅層地區(qū)的區(qū)域性邊坡問(wèn)題，長(zhǎng)大緩傾順層邊坡問(wèn)題應(yīng)引起重視。

國(guó)內(nèi)外對(duì)緩傾順層邊坡的支護(hù)治理已有不少的研究成果，趙建軍等[3]認(rèn)為緩傾順層邊坡中下部是影響穩(wěn)定性的關(guān)鍵塊體，對(duì)關(guān)鍵塊體進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)可以達(dá)到保證邊坡安全的效果；陳靜曦等[4]對(duì)某緩傾邊坡進(jìn)行了滑坡推力計(jì)算，提出了削坡減荷的治理方案；王文亞[5]提出了對(duì)緩傾順層巖質(zhì)邊坡采用對(duì)拉錨索擋墻支護(hù)形式，并采用“雙控法”確保施工精度；毛明等[6]對(duì)某緩傾邊坡進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿加固處理，并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了方法的可行性。這些治理措施大都只是針對(duì)于坡長(zhǎng)較短的緩傾邊坡，對(duì)于坡長(zhǎng)更長(zhǎng)，推力更大的長(zhǎng)大緩傾順層邊坡并不適用，而雙排抗滑樁是加固大型滑坡的常用工程技術(shù)[7-9]，但在長(zhǎng)大緩傾順層邊坡治理方面的理論研究還十分有限。

不同于自重應(yīng)力下的靜力模型實(shí)驗(yàn)，離心模型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^(guò)離心加速度的變化，使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到與原型相同的應(yīng)力水平，較好地模擬原型應(yīng)力狀態(tài)下坡體的變形特征[10]。近年來(lái)，離心模型實(shí)驗(yàn)在常規(guī)邊坡分析中的應(yīng)用日益廣泛，但在長(zhǎng)大緩傾順層邊坡中鮮有研究。

某鐵路長(zhǎng)大緩傾順層邊坡在路塹開挖時(shí)出現(xiàn)了滑動(dòng)破壞現(xiàn)象，為保證鐵路路基安全，擬采用雙排樁進(jìn)行支護(hù)治理。為深入研究雙排樁對(duì)該長(zhǎng)大緩傾順層邊坡的控制效果，在地質(zhì)調(diào)查和穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，擬采用離心模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入研究，為工程安全提供參考。

1 離心實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 地質(zhì)背景

圖1 邊坡地質(zhì)剖面

邊坡位于某客運(yùn)專線路基段，該段地層上部覆蓋新黃土，下伏侏羅系中統(tǒng)土城子組細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。由于工程需要，開挖邊坡坡腳，加上連續(xù)強(qiáng)降雨，泥巖夾層軟化，邊坡發(fā)生滑動(dòng)破壞，采用的治理方案是削坡減荷和雙排矩形抗滑樁對(duì)其進(jìn)行加固，邊坡地質(zhì)平面圖和剖面圖如圖1所示。

1.2 離心實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)研究目的，首先是模擬沒(méi)有進(jìn)行支護(hù)時(shí)，邊坡開挖失穩(wěn)機(jī)理，以下簡(jiǎn)稱為“無(wú)支護(hù)邊坡模型”。然后在無(wú)支護(hù)邊坡模型的基礎(chǔ)上，增加雙排抗滑樁，研究邊坡支護(hù)控制效果，以下簡(jiǎn)稱為“雙排樁支護(hù)邊坡模型”。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案相互銜接，模擬實(shí)際的工程施工過(guò)程。

1.3 模型相似參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用西南交通大學(xué)離心實(shí)驗(yàn)室TLJ-2土工離心機(jī)，離心機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 離心機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

受模型箱的規(guī)格和容重限制，確定幾何相似比n?！胣實(shí)=1∶180，模型幾何參數(shù)如表2所示。

表2 滑坡模型與原型尺寸

為實(shí)現(xiàn)等應(yīng)力模擬，模型與原型不但要滿足幾何相似，還要在各個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變滿足相似關(guān)系，故取應(yīng)力相似比為1。

邊坡滑床基巖原型為巖性較好的細(xì)砂巖，模型選用200號(hào)水泥砂漿模擬，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，防止其在實(shí)驗(yàn)中發(fā)生變形，保證滑體沿著既定的滑帶下滑。邊坡滑體原型為風(fēng)化破碎的細(xì)砂巖，模型材料選用與原型密度、彈性模量相似的細(xì)砂巖，實(shí)際邊坡中，砂巖為中厚層砂巖，根據(jù)幾何相似比，需要切割成厚度為3 mm的薄片?；瑤г蜑槟噘|(zhì)砂巖，模型材料根據(jù)粘聚力和內(nèi)摩擦角相似關(guān)系，選用不同的相似材料[12]進(jìn)行配比，確定配比方案為粘土∶水∶黃油∶細(xì)砂=6∶1∶1.9∶1.35，該模型土的粘聚力c=2 kPa，內(nèi)摩擦角φ=14.25°，可作為滑帶的相似材料。

模型樁主要承擔(dān)樁后巖體推力，發(fā)生彎曲變形，故模型樁的抗彎剛度作為選取相似材料的主要考慮因素。根據(jù)抗彎剛度相似原理，實(shí)驗(yàn)采用鋁合金材料，其厚度為1 mm，根據(jù)幾何比尺制成相應(yīng)的尺寸，模型樁參數(shù)見表3。

表3 抗滑樁實(shí)驗(yàn)原型和模型尺寸

1.4 模型制作與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.4.1 無(wú)支護(hù)邊坡模型

根據(jù)相似比確定的模型尺寸，在模型箱體內(nèi)壁繪制滑坡的形狀；在底部和側(cè)壁鋪設(shè)一層塑料薄膜，保護(hù)模型箱在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不被刮損破壞；固定好外側(cè)擋板，將調(diào)制好的200號(hào)水泥砂漿逐步倒入模型箱內(nèi)，填筑滑床，磨平，夯實(shí)，直到設(shè)計(jì)標(biāo)高，等待水泥砂漿凝結(jié)，在凝結(jié)過(guò)程中要注意噴水養(yǎng)護(hù)。按照確定的配比方案制作滑帶土材料，按照原狀土的密度將等重量的材料鋪設(shè)在滑面上，分層鋪設(shè)，層之間刮毛，確保滑帶土材料貼合，完整。按照繪制的形狀，將切割好的砂巖薄片堆砌成滑體。在滑體前沿鋪設(shè)一層塑料薄膜和報(bào)紙，倒入水泥砂漿，制作反壓水泥塊。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)移走反壓塊的方式模擬現(xiàn)場(chǎng)開挖。實(shí)驗(yàn)采用WYDC-10L型位移計(jì)，模型制作完畢后，將位移計(jì)布置在相應(yīng)位置，監(jiān)測(cè)坡體位移，如圖2所示。

圖2 無(wú)支護(hù)邊坡模型示意圖

1.4.2 雙排樁支護(hù)模型

無(wú)支護(hù)邊坡模型實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在滑床的對(duì)應(yīng)位置，切割凹槽，布置模型樁，并用與滑床配比一致的水泥砂漿填補(bǔ)縫隙，等待至固結(jié)，其余步驟同無(wú)支護(hù)邊坡模型，如圖3所示。由于尺寸限制，在模型樁管內(nèi)側(cè)布置了3對(duì)應(yīng)變片，分別粘貼在模型樁的上、中、下3處，確保應(yīng)變測(cè)試分別位于滑動(dòng)面的上下兩側(cè)。應(yīng)變片主要粘貼在鋁合金管內(nèi)壁兩側(cè)，導(dǎo)線從上端引出。在埋入滑床內(nèi)部時(shí)，注意應(yīng)變片用硅膠保護(hù)，防潮。

在邊坡模型側(cè)壁繪制2 cm×2 cm的網(wǎng)格(圖4)，并在坡面設(shè)置4條水泥條帶(圖5)，條帶上設(shè)置刻度，用以監(jiān)測(cè)坡面裂隙。無(wú)支護(hù)邊坡模型與雙排樁支護(hù)模型采用相同的實(shí)驗(yàn)加載過(guò)程，步驟如下：(1)離心機(jī)提供30g離心加速度預(yù)壓，預(yù)壓時(shí)間為30 min；(2)待測(cè)試原件數(shù)據(jù)穩(wěn)定，移去反壓水泥塊，離心機(jī)提供165g離心加速度，穩(wěn)定后維持60 min；(3)關(guān)閉離心機(jī)，將離心速度降至0。

圖4 邊坡模型側(cè)壁網(wǎng)格

圖5 坡面裂隙監(jiān)測(cè)條帶

2 離心實(shí)驗(yàn)主要成果

2.1 坡面位移

2.1.1 無(wú)支護(hù)邊坡模型

無(wú)支護(hù)邊坡坡面位移隨時(shí)間變化曲線如圖6所示，為了對(duì)比，采用數(shù)值模擬軟件模擬了離心實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果(如圖6中的理論曲線所示)。圖6結(jié)果表明，無(wú)支護(hù)邊坡坡面位移隨著加載時(shí)間和離心加速度的增大而增大，并隨著離心加速度階梯式的加載方式而出現(xiàn)階梯式的形狀。離心加速度在30g勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，坡面位移最大為0.24 mm；當(dāng)離心加速度增加到165g時(shí)，位移為1.33 mm；當(dāng)模型在離心加速度165g穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)7 min后，坡面位移達(dá)到最大，為3.9 mm。根據(jù)相似比，實(shí)際中位移為0.70 m。

2.1.2 雙排樁支護(hù)模型

雙排樁支護(hù)邊坡坡面位移曲線如圖7所示。當(dāng)離心加速度達(dá)到設(shè)計(jì)值165g時(shí)，坡面位移穩(wěn)定在0.04 mm，按照幾何比例尺計(jì)算，對(duì)應(yīng)實(shí)際坡面位移為7.2 mm。

圖6 無(wú)支護(hù)邊坡坡面位移曲線 圖7 雙排樁支護(hù)邊坡坡面位移曲線

2.2 樁身彎矩

2.2.1 樁身彎矩隨深度變化趨勢(shì)

根據(jù)樁身變形數(shù)據(jù)，計(jì)算樁身彎矩變化曲線如圖8所示。樁頂、滑帶附近、樁底部實(shí)驗(yàn)計(jì)算彎矩分別為77.5、11 080.8、142.284 kN·m；后排樁樁頂、滑帶附近、樁底部實(shí)驗(yàn)計(jì)算彎矩分別為184.27、26 443.33、52.13 kN·m。利用理正軟件計(jì)算得到抗滑樁彎矩圖(圖9)，對(duì)比離心實(shí)驗(yàn)彎矩分布趨勢(shì)與理論彎矩分布趨勢(shì)，說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的合理性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明設(shè)置的抗滑樁充分發(fā)揮了控制邊坡變形的作用，保證了邊坡的整體穩(wěn)定性。

圖8 測(cè)試斷面的平均彎矩隨樁深的變化 (a) 前排樁 (b) 后排樁 圖9 理正軟件計(jì)算樁身彎矩圖

2.2.2 樁身彎矩隨時(shí)間的變化

根據(jù)應(yīng)變片數(shù)據(jù)，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)位置的樁身應(yīng)力。根據(jù)公式對(duì)滑面處后排樁進(jìn)行分析，繪制了該截面后排樁的彎矩-時(shí)間關(guān)系曲線(圖10)?？梢钥闯?，后排樁滑面處樁身應(yīng)力隨著離心加速度的增大而增大，并在165g時(shí)達(dá)到最大值0.003 8 kN·m。根據(jù)彎矩相似計(jì)算，對(duì)應(yīng)的彎矩為22 161.6 kN·m，而計(jì)算值為26 443.336 kN·m，實(shí)驗(yàn)值與對(duì)應(yīng)截面的彎矩計(jì)算值對(duì)應(yīng)較好。

從前排樁滑面處樁身彎矩-時(shí)間關(guān)系曲線(圖11)可以看出，在離心加速度加載到165g時(shí)，應(yīng)力最大達(dá)到0.001 9 kN·m，并且保持穩(wěn)定。通過(guò)相似比換算，對(duì)應(yīng)的彎矩為11 080.8 kN·m，而理論計(jì)算值為13 099.224 kN·m，實(shí)驗(yàn)值與對(duì)應(yīng)截面的彎矩計(jì)算值符合程度較好。

圖10 后排樁身彎矩隨時(shí)間變化曲線 圖11 前排樁身彎矩隨時(shí)間變化曲線

前排和后排抗滑樁樁身彎矩變化趨勢(shì)表明，在持續(xù)邊坡荷載的作用下，抗滑樁有效發(fā)揮了抑制邊坡變形的作用，保證了邊坡的穩(wěn)定性。

2.3 坡面裂隙和側(cè)面網(wǎng)格變形

2.3.1 無(wú)支護(hù)邊坡模型

2.3.1.1 邊坡坡面裂隙分布

實(shí)驗(yàn)前水泥條帶完整，無(wú)裂隙，實(shí)驗(yàn)后4條水泥條帶后部都有兩條明顯的裂隙，裂隙主要產(chǎn)生在坡體的后部和前部。在坡體后部，有兩條貫通整個(gè)模型橫向的裂隙，縫隙寬約為0.5 mm。裂隙統(tǒng)計(jì)如表4所示，說(shuō)明邊坡坡體產(chǎn)生了整體滑移變形。

表4 觀測(cè)條帶上裂隙分布情況

2.3.1.2 邊坡側(cè)面網(wǎng)格變形

圖12 無(wú)支護(hù)邊坡側(cè)壁網(wǎng)格變化

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在模型的剖面方向繪制了均勻的2 cm×2 cm觀測(cè)網(wǎng)格，觀測(cè)坡體整體變形規(guī)律。對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后模型側(cè)面的網(wǎng)格對(duì)應(yīng)位置的變化，繪制出前后坡體不同位置的位移變化如圖12所示，圖中實(shí)線表示實(shí)驗(yàn)前網(wǎng)格線，虛線表示實(shí)驗(yàn)后網(wǎng)格線。從圖中可以看出，開挖后，邊坡側(cè)面網(wǎng)格變形最大處約為12 mm，說(shuō)明無(wú)支護(hù)邊坡坡體產(chǎn)生了較為顯著的變形破壞，降雨入滲和邊坡開挖誘發(fā)了邊坡活動(dòng)。

2.3.2 雙排樁支護(hù)模型

2.3.2.1 雙排樁支護(hù)后邊坡坡面裂隙分布

離心模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，在坡面設(shè)置了4條水泥條帶，監(jiān)測(cè)坡體表面在失穩(wěn)變形過(guò)程中，裂隙發(fā)生和發(fā)展規(guī)律。實(shí)驗(yàn)后觀察，雙排樁支護(hù)邊坡坡面只有4條裂隙，是坡面出現(xiàn)的局部裂縫。

2.3.2.2 邊坡支護(hù)后剖面變形

觀測(cè)結(jié)果表明，雙排樁支護(hù)模型剖面網(wǎng)格線幾乎沒(méi)有變形，說(shuō)明在削坡卸荷和雙排抗滑樁治理后，能有效控制邊坡變形，該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明雙排樁治理邊坡是有效的。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 對(duì)長(zhǎng)大緩傾順層邊坡問(wèn)題的討論

對(duì)于長(zhǎng)大緩傾順層邊坡，在一般概念中，邊坡是基本穩(wěn)定的，尤其是邊坡坡度低于20°，甚至是15°以下的緩傾順層邊坡。然而，無(wú)支護(hù)邊坡模型和雙排樁支護(hù)邊坡模型的離心實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)大緩傾順層邊坡在適當(dāng)?shù)臈l件下，如降雨、工程開挖等因素誘發(fā)下，是可能產(chǎn)生活動(dòng)的。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與已有研究結(jié)論是一致的。

3.2 雙排樁支護(hù)效果評(píng)價(jià)

離心實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙排樁支護(hù)前，邊坡坡面最大位移達(dá)到3.25 mm，設(shè)置雙排抗滑樁支護(hù)后，邊坡坡面位移最大為0.04 mm，有抗滑樁支護(hù)后的坡面位移減小了3.21 mm，即支護(hù)后坡面最大位移量降低了約98%，說(shuō)明雙排樁支護(hù)措施有效地控制了邊坡的變形。

通過(guò)邊坡坡面變形、樁身變形、坡體位移、樁身彎矩等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，充分說(shuō)明該邊坡的下滑力作用到了樁身上。且抗滑樁承受土體荷載后，樁土相互作用維持了邊坡的穩(wěn)定，雙排樁對(duì)邊坡變形起到了較好的控制作用。

3.3 離心實(shí)驗(yàn)方法在長(zhǎng)大緩傾順層邊坡研究中的應(yīng)用評(píng)價(jià)

通過(guò)兩組長(zhǎng)大緩傾順層邊坡離心模型實(shí)驗(yàn)，較好地模擬了長(zhǎng)大緩傾順層邊坡開挖失穩(wěn)、支護(hù)治理整個(gè)施工過(guò)程，有效獲取了邊坡坡體變形、位移、彎矩等坡面裂隙信息，尤其是邊坡坡體剖面變形信息、樁身變形信息。這些信息與地質(zhì)勘察、理論分析階段的資料相互驗(yàn)證，互相補(bǔ)充，豐富了對(duì)邊坡進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為深化長(zhǎng)大緩傾順層邊坡的研究提供了有效的方法。

4 主要結(jié)論與建議

通過(guò)離心模型實(shí)驗(yàn)，模擬了對(duì)長(zhǎng)大緩傾順層邊坡開挖支護(hù)過(guò)程，重點(diǎn)進(jìn)行了無(wú)支護(hù)邊坡模型和雙排樁支護(hù)模型的實(shí)驗(yàn)研究，主要得出以下結(jié)論和建議：

(1)通過(guò)精心設(shè)計(jì)，離心實(shí)驗(yàn)方法可以獲得較為豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是研究長(zhǎng)大緩傾順層邊坡問(wèn)題的有效方法；

(2)長(zhǎng)大緩傾順層邊坡在開挖、降雨等誘發(fā)因素作用下是可能發(fā)生活動(dòng)的，在工程建設(shè)中應(yīng)引起重視；

(3)雙排樁支護(hù)措施有效控制了邊坡變形，該措施是適用于長(zhǎng)大緩傾順層邊坡的。