邊坡施工模型試驗(yàn)相似材料研究

1、邊坡施工模型試驗(yàn)相似材料研究? 邊坡施工模型試驗(yàn)相似材料研究 邊坡施工模型試驗(yàn)相似材料研究蘇 杭 1,2，周海清 1， 武 松 1，趙曉坷1（1.后勤工程學(xué)院土木工程系， 重慶 401311; 2.68612部隊(duì)， 寧夏 750000） 摘要 結(jié)合邊坡施工的模型試驗(yàn)研究，對坡體的相似材料進(jìn)行了試配，研究了不同配比對坡體相似材料黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律； 最終選用采用紅粘土 （烘干）、重晶石粉、滑石粉、水為基本材料按配合比0.7:0.15:0.05模擬滑體，采用紅粘土（烘干）、重晶石粉、滑石粉、石英砂、水泥、水為基本材料為基本材料按配合比0.3:0.38:0.03: 0.1 : 0.0模擬滿陽

2、構(gòu)建了幾何相似比1 ： 10的模型試驗(yàn)；通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模型邊坡臨空面附近的坡體在開挖之后34 h內(nèi)變形最明顯，同時也誘發(fā)上級邊坡土體產(chǎn)生一定松弛變形。關(guān)鍵詞 邊坡施工； 模型試驗(yàn)；相似材料； 坡體水平位移 0 前言 模型試驗(yàn)一直以來模型試驗(yàn)是解決工程中疑難復(fù)雜課題的重要措施，其理論基礎(chǔ)是相似理論 1 。物理模型與原型應(yīng)滿足幾何相似、質(zhì)量相似、荷載相似、介質(zhì)物理性質(zhì)相似和邊界條件相似，二者之間的所有同名物理量只有大小比例上的不同，其變化機(jī)理和物理過程在本質(zhì)上是一致的，最后將模型試驗(yàn)得到的規(guī)律按照相似關(guān)系反推并應(yīng)用于實(shí)際工程。而相似材料的選取和配比對試驗(yàn)結(jié)果的影響比較大，李術(shù)才 2應(yīng)用地質(zhì)力學(xué)模型試

3、驗(yàn)的 流-固耦合相似理論，研制出一種由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、 凡士林、 硅油和適量拌合水組成的新型流- 固耦合相似材料；彭海明3選用水泥石膏作為巖石的模擬材料，研究了水泥石膏的物理力學(xué)；葉海林4 采用標(biāo)準(zhǔn)砂、石膏粉、滑石粉、甘油、水為基本材料模擬了邊坡動力破壞特征的振動臺 模型試驗(yàn)。本文通過大量的試配尋求邊坡相似材料最佳配 比，同時結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析了邊坡開挖與支護(hù)過程中坡體水平位移的變化情況。 1 模型試驗(yàn)相似關(guān)系 試驗(yàn)中采用的 模型箱為后勤工程學(xué)院邊坡隧道耦合試驗(yàn)儀的一部分，見圖1,模型箱的尺寸為：長 5 m、寬0.7 m、高3 m,坡腳35 °。 為了使模型的變形發(fā)展與實(shí)際

4、工程相似，模型應(yīng)滿足相似準(zhǔn)則， 所有相關(guān)的參數(shù)可表達(dá)為以下關(guān)系： 圖 1 模型箱剖面 圖Figure 1 Sectional map of the model box (1) 式(1)中 : l 為模 型尺寸，y為模型重度，g為重力加速度，c為黏聚力，3為 內(nèi)摩擦角，E為模型彈性模量，8為位移， 為應(yīng)力，£為應(yīng) 變，以為泊松比，t為時間，F(xiàn)為力?！?#163;、的無量綱量， 相似比等于1,即Cj =Ci =C£ =1。設(shè)=1 ,則其他物理量的 推導(dǎo)應(yīng)滿足式(2)(4)的相似判據(jù)。Cl=lp/lm (2)式(2)中：Cl為幾何相似常數(shù)， 為長度量， 下標(biāo)表示原型(protot

5、ype) 下標(biāo)表示模型(model) o (3)式(3)中:C為應(yīng)力相似常數(shù)，C直度相似常數(shù)，CE為彈性模量相似常數(shù)，C £為應(yīng)變相似常數(shù)，C 6為位移相似常數(shù)，CF為力相似常數(shù)。 （4）式（4）中：為抗拉強(qiáng)度相似常數(shù)， Cc 為黏聚力相似常數(shù)， 為抗壓強(qiáng)度相似常數(shù)。模型試驗(yàn)中取幾何相似常數(shù)為10,模擬長度50 m、寬7 m、高30 m的原型邊坡，其他物理量的相似比例如表1所示。 表 1 原型與模型的相似關(guān)系 Table1SimilaHtyrelationshipbetweenprototypeslopeandmodelslop曲J 理量長度重度應(yīng)變彈模泊松比位移應(yīng)力內(nèi)摩擦角粘聚力力

6、抗彎剛度時間符號 ClC Y C£ CEC以C8 Cb Cj CcCFCEICt10111011010110103105101/2 2 相似材料配比過程邊坡在進(jìn)行開挖與支護(hù)的過程中，巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力 c和內(nèi)摩擦角（對坡體的變形發(fā)展發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過搜集大量的文獻(xiàn)5-7，選取的相似材料應(yīng)滿足力學(xué)性能基本穩(wěn)定、性質(zhì)與模擬對象相似、原料廣泛、低成本等特點(diǎn)。因此，此次試驗(yàn)采用紅粘土（烘干 ）、重晶石粉、滑石粉、石英砂、 水泥、 水為基本材料進(jìn)行均勻設(shè)計(jì)配比試驗(yàn)如表2 所示。其中所用紅粘土是重慶本地區(qū)紅 表 2 相似材料均勻設(shè)計(jì)表Table2 Theuniformdesign

7、tableofsimilarmaterial %試驗(yàn)編號紅粘土重金石粉滑石粉水泥石英砂水1701551024040101034530151043843431253044481463038361013粘土，當(dāng)含水率為 20%，密度為 1.8 g/cm3 時，測得其粘聚力 c=37.6 kPa， 內(nèi)摩擦角 =14.34 °。模型邊坡中對于滑床應(yīng)考慮選取容重、粘聚力和內(nèi)摩擦角相對較大的替代材料，滑體應(yīng)考慮選取容重、粘聚力和內(nèi)摩擦角相對較小的替代材料。對表 2 中的配比進(jìn)行不同密度下的直剪試驗(yàn)見圖 2，抗剪強(qiáng)度曲線見圖3。通過大量的反復(fù)試驗(yàn)列出部分結(jié)果如表3 所示，從表中可以看出摻加滑石粉可

8、以降低內(nèi)摩擦角和黏聚力，摻加水泥可以提高內(nèi)摩擦角，摻加水泥和石英砂的加入可以提高內(nèi)摩擦角和黏聚力。(a) ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(b)破壞后試樣圖2 直剪試驗(yàn) Figure 2 The direct shear test圖 3 試樣抗剪強(qiáng)度曲線Figure 3 The shear strength curve of specimen 表 3 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果 Table3 Testresultsofuniformdesign 試驗(yàn)編號密度/(g cm3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/( ° )11.73.4624.621.922.7820.1331.921.7317.4842.153.42

9、5.2452.149.526.8362.1570.830.3選取抗剪強(qiáng)度指標(biāo)接近要求的1 號、 6號配比相似材料進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)測其初始彈性模量，試驗(yàn)過程如圖4。圖4(a)為后勤工程學(xué)院改進(jìn)的SJ IA 型應(yīng)變式非飽和土三軸儀，該儀器采用雙層壓力室，用外壓力室的壓力抵消內(nèi)壓力室的壓力，使內(nèi)壓力室壁不發(fā)生變形，能有效消除試樣體變量測中產(chǎn)生的誤差。此外，儀器的內(nèi)壓力室底座上嵌有陶土板，變速箱內(nèi)設(shè)置有不同的剪切速率，試驗(yàn)時可根據(jù)不同的需求嵌固不同進(jìn)氣值的陶土板、選擇不同的剪切速率。圖4(b)為制三軸樣所需的工具，試樣的形狀為圓柱形，高80 mm、直徑39.1 mm。圖4(c)是試樣的安裝

10、過程，從壓力室的底座往上依次為不透水板、試樣及不透水試樣帽，并且橡皮膜兩端與底座及試樣帽需用橡皮圈扎緊。在所有安裝工作就緒后啟動電動機(jī)，合上離合器對試樣進(jìn)行剪切，見圖4(d)。本試驗(yàn)是在圍壓100 kPa,剪切應(yīng)變速率為 0.073 mm/min 下進(jìn)行的， 并按照試驗(yàn)規(guī)程按時記錄測軸向變形的百分表、量力環(huán)的讀數(shù)，在試樣軸向應(yīng)變大于16%時認(rèn)為試樣已經(jīng)破壞，停止剪切，圖4(e)為剪切破壞后的試樣。三軸剪切試驗(yàn)的(-3)氏系可近似用雙曲線方程(5)來描述：(5)即 式(5)中:的大總主應(yīng)力，3為小總主應(yīng)力，£ 1為軸向應(yīng)變，a為初始彈性模量 Ei的倒數(shù)，b為主應(yīng)力差漸近值ult的倒數(shù)。

11、(a)非飽和土三軸儀(b)制樣工具(c)裝樣(d)剪切(eX剪壞i樣圖4試樣三軸剪切的試驗(yàn)過程 Figure 4 The test process of the triaxial shear繪制試樣-£慶系曲線如圖5所示，對其趨勢線性擬合后得到的截距為a,斜率為bo從而得到1號和6號試樣的初始彈性模量分別為 20,98 mPa。圖 5 試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Figure 5 The relationship between stress and strain ofspecimen 最終選取 1 號配比，即紅粘土(烘干 )、重晶石粉、滑石粉、水為基本材料按配合比0.7 ： 0.15 : 0.

12、05 : 0.1模擬滑體，選取6 號配比，即紅粘土(烘干 ) 、重晶石粉、滑石粉、石英砂、水泥、水為基本材料按配合比0.3 : 0.38 : 0.03 : 0.1 : 0.0模擬滿麻3模型邊坡相似材料物理力學(xué)參數(shù)如表4 所示。 表 4 模型邊坡相似材料物理力學(xué)參數(shù) Table4 Physicalandmechanicalparametersofmodelslope巖土體重度 /(kN -3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/() ?IMPa滑體173.4624.620滑床21.570.831.398 3 模型試驗(yàn)結(jié)果模型邊坡開挖輪廓面如圖 6 所示，圖 6 中： 為滑床； 為滑體，邊坡分3 次開挖， 1

13、 是第 1 次開挖部分，為三級邊坡，開挖高度8 m,開挖面坡率1 ： 0.萬,平臺寬度2 m；一2是第 2 次開挖部分，為二級邊坡，開挖高度9 m ，開挖面坡率1 ： 0.5 ,平臺寬度1 m；一3是第3次開挖部分，為一級邊坡，開挖高度6 m。 圖 6 邊坡開挖界面(單位: m)Figure 6 Excavation interface of model slope(unit: m) 按照施工順序?qū)⑦吰率┕み^程主要分6 種工況： 工況 1：開挖三級邊坡； 工況2：錨索框架梁對三級邊坡進(jìn)行支護(hù)；工況 3：開挖二級邊坡； 工況 4：錨索框架梁對二級邊坡進(jìn)行支護(hù)；工況5：錨索樁對一級邊坡進(jìn)行支護(hù)；工

14、況6：開挖一級邊坡。 在施工過程中，模型邊坡坡面位移發(fā)生了不同程度的變化，若將試驗(yàn)結(jié)果按相似關(guān)系反推到原型邊坡，則三級邊坡錨索施加預(yù)應(yīng)力時坡體水平位移的變化情況如圖 7 所示。錨索預(yù)應(yīng)力越大，通過框架梁分散到坡體表面的力越大，從而擠壓坡體壓縮變形朝坡體內(nèi)部方向運(yùn)動的趨勢越明顯。當(dāng)預(yù)應(yīng)力為 800 kN 時， 三級邊坡坡腰和坡腳處的水平位移分別為-2.66、-3.73 mm,在相同的錨索預(yù)應(yīng)力作用下坡腳處的水平位移比坡腰處大。這是因?yàn)槿夁吰麻_挖后在臨空面上坡腳處的回彈變形最大，因此在支護(hù)時坡腳處更容易發(fā)生壓縮變形（圖中位移以使巖土體產(chǎn)生朝臨空面運(yùn)動的趨勢為正，下同 ）。 圖 7 三級邊坡水平位

15、移和錨索預(yù)應(yīng)力的關(guān)系Figure 7 The relationship between the horizontal displacementof third slope and prestressed cable 工況 3完成后三級邊坡坡腳處坡體水平位移時程曲線如圖 8 所示。二級邊坡的開挖致使三級邊坡坡腳處巖土體產(chǎn)生朝坡面方向的運(yùn)動趨勢，三級邊坡巖土體發(fā)生蠕變變形，坡體水平位移在開挖后 4 h 內(nèi) （反推到原型邊坡則為12.6 h）蠕變較為明顯，位移隨時間線性增長，4 h（反推到原型邊坡則為12.6 h）之后邊坡變形發(fā)展較小逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)槎夁吰麻_挖后坡體表面存儲的彈性應(yīng)變能被釋放

16、，坡體內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，同時坡體產(chǎn)生相應(yīng)的回彈變形，而伴隨著時間的推移，巖土體在重力作用下回彈現(xiàn)象慢慢消失，因而位移變化趨于平緩。 圖 8 工況 3 下三級邊坡坡腳水平位移時程曲線Figure 8 The toe of the third slope horizontal displacementcurveunder third condition 工況 4 錨索框架梁對二級邊坡支護(hù)時坡體水平位移和二級邊坡錨索預(yù)應(yīng)力的關(guān)系如圖 9 所示。坡體在錨索預(yù)應(yīng)力作用下發(fā)生壓縮變形，預(yù)應(yīng)力越大對坡體的壓縮變形越明顯，在相同的錨索預(yù)應(yīng)力作用下二級邊坡坡腳處的水平位移比坡腰處大，同時對三級邊坡的部分巖土體起

17、到一定加固作用。 當(dāng)預(yù)應(yīng)力為 800 kN 時， 二級邊坡坡腰處水平位移為-2.5 mm,坡腳處水平位移為-3.2 mm,三級邊坡坡腳處坡體水平位移為 -0.8 mm。 圖 9 工況 4 不同預(yù)應(yīng)力下的坡體水平位移Figure 9 Horizontal displacement under different prestress inforth condition 工況 5 錨索樁對一級邊坡支護(hù)時坡體水平位移和一級邊坡錨索預(yù)應(yīng)力的關(guān)系如圖 10 所示。 錨索施加預(yù)應(yīng)力后通過抗滑樁擠壓樁后土體，使其發(fā)生壓縮變形，對二級邊坡的部分巖土體也起到一定加固作用。 當(dāng)預(yù)應(yīng)力為 800 kN時，二級邊坡坡腳

18、處水平位移為 -0.83 mm。圖 10 工況 6不同預(yù)應(yīng)力下二級邊坡坡腳水平位移Figure 10 The toe horizontal displacement of the secondaryslopeunder different prestress in sixth condition 工況 6 一級邊坡開挖后樁頂水平位移時程曲線如圖 11 所示， 坡體水平位移時程曲線如圖 12 所示。 由于開挖體和未開挖體是支承與被支承的關(guān)系，開挖體在開挖之前對坡體起阻滑作用，開挖后阻滑作用消失，為達(dá)到新的平衡狀態(tài)坡體會發(fā)生相應(yīng)的變形，產(chǎn)生朝臨空面運(yùn)動的趨勢，從而使得樁頂發(fā)生一定程度的撓度變形見圖

19、11, 一級邊坡開挖之后3 h（反推到原型邊坡則為9.5h）內(nèi)樁頂水平位移達(dá)到2.79 mm。樁后土體朝臨空側(cè)發(fā)生變形后會對上部一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生斜向牽拉的作用，增大其向下滑移的趨勢見圖 12， 一級邊坡開挖后引發(fā)二級邊坡潛在滑體發(fā)生變形，一級邊坡開挖之后3 h（反推到原型邊坡則為9.5 h）內(nèi)二級邊坡坡腳水平位移達(dá)到2 mm,坡腰水平位移達(dá)到1.78 mm,坡腳比坡腰水平位移大，說明開挖引起的破 壞是從臨空面下部開始逐漸向上延伸。相比之下對三級邊坡影響較小，一級邊坡開挖之后 3 h（反推到原型邊坡則為9.5 h）三級邊坡坡腳水平位移僅為 0.26 mm， 說明距開挖區(qū)域越遠(yuǎn)，受開挖擾動的影

20、響越小， 與圣維南原理吻合。 從圖 11、 圖 12可以看由在一級邊坡在開挖后3 h（反推到原型邊坡則為9.5 h）內(nèi)坡體水平位移隨時間基本呈線性增長，3 h（反推到原型邊坡則為9.5 h）內(nèi)之后變化趨于平穩(wěn)。究其原因主要有兩個方面：一是巖土體從受力到破壞要經(jīng)歷彈性、塑性、破壞三個階段，土體屈服之后，其變形包括彈性變形和塑性變形，而塑性變形是不可恢復(fù)的；二是坡體開挖發(fā)生位移后，對錨索產(chǎn)生剪切與拉伸作用，從而使得坡體得以加固，因此在開挖后期階段坡體水平位移趨于穩(wěn)定。 圖 11 工況 6 下樁頂水平位移時程曲線Figure 11 The top of anti-sliding pile horiz

21、ontal displacement curveunder sixth condition 圖 12 工況 6 時坡體水平位移時程 曲線Figure 12 Thecurve of horizontal displacementunder sixthcondition 4 結(jié)論 通過均勻試驗(yàn)研究， 確定了邊坡施工模型試驗(yàn)坡體相似材料的配比，以紅粘土（烘干）、重晶石粉、滑石粉、水為基本材料按配合比0.7 ： 0.15 : 0.05模拋滑體，以紅粘土（烘干）、重晶石粉、滑石粉、石英砂、水泥、水為基本材料按配合比0.3 : 0.38 : 0.03 : 0.1 : 0.061 : 0.13擬滑床，滿足試

22、驗(yàn)要求，且材料成本低廉、來源廣泛，是一種適宜的相似材料。 在選擇相似材料及配比時，通過搜集文獻(xiàn)參考前人經(jīng)驗(yàn)縮小了試驗(yàn)調(diào)節(jié)范圍，提高了試驗(yàn)效率。同時發(fā)現(xiàn)摻加滑石粉可以降低配比材料的內(nèi)摩擦角和黏聚力， 而摻加水泥和石英砂可以提高內(nèi)摩擦角和黏聚力。 下級邊坡施工會對上部已完成施工的邊坡產(chǎn)生影響。邊坡在開挖之后34 h（反推到原型邊坡則為9.512.6 h）內(nèi)，臨空面附近的坡體變形最明顯，同時也誘發(fā)上級邊坡部分坡體松弛產(chǎn)生一定變形，距開挖區(qū)域越近，受開挖擾動的影響越大，距開挖區(qū)域越遠(yuǎn)，受開挖擾動的影響越小，與圣維南原理吻合， 在開挖后期階段坡體水平位移趨于穩(wěn)定。 參考文獻(xiàn) 1羅先啟，葛修潤.滑坡模型試

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