采用不同滑面材料的滑坡模型试验研究

采用不同滑面材料的滑坡模型试验研究 采用不同滑面材料的滑坡模型试验研究 第26卷第1期 2011年1月 灾害学 JOURNALOFCATASrROPHOLOGY V0J.26No.1 Jan.201l 采用不同滑面材料的滑坡模型试验研究 李寻昌,闫金凯,张涛 刘洪佳,门玉明, (长安大学地质与测绘学院,陕西西安710054) 摘要:为研究滑坡模型试验中不同材料模拟滑带土对模型稳定性的影响,以堆载为 以位移计为主要 试验方法, 的测试手段,进行了采用草木灰,单层塑料薄膜,双层塑料薄膜作为滑面材料的两种工况5组模型试验.通过增 加模型上的堆载,增大滑体的下滑力,使滑体最终发生滑动.根据试验的初始稳定状态,最终稳定状态及监测到 的模型位移曲线,确定滑坡的极限平衡状态;同时根据最终加载量,反算出滑带土模拟材料的相似抗剪强度;得 出不同滑面材料的稳定性及相似抗剪强度,为滑坡支挡模型试验提供试验基础. 关键词:滑带土;滑面材料;相似抗剪强度;滑坡模型试验 中图分类号:P642.22文献标识码:A文章编号:1000—811X(2011)Ol一00l0—04 0引言 当前,随着我国房建,公路,铁路,水利等 工程不断迅猛发展,滑坡出现的概率也呈扩大趋 势,并且其类型越来越多,规模越来越大,模式 也越来越复杂,由此引发的灾害和损失都难以估 量.如不采取支挡措施,将会造成巨大的人员伤 亡和经济损失. 目前,滑坡的支挡措施很多.对一些大型滑坡 或正在活动着的滑坡来说,抗滑桩,锚杆格构以及 其组合结构锚杆抗滑桩都具有立即阻滑的作用,在 实际工程中也取得了很好的效果,但其设计理论跟 不上工程应用的范畴.鉴于此,国内外许多学者开 展了一定的模型试验研究.李明华较早对滑坡模 型试验分类进行了研究,宋克强等则主要是针对 黄土滑坡的模型试验进行了研究.近年来,也出现 了不少研究成果.如曾云华等对锚杆抗滑桩的研 究,雷文杰等对沉埋桩的研究,杨雪莲等对锚 索框架梁进行了现场试验研究,Deeken,John和 AndrewZ.Boeckmann对微型桩加固边坡的模型试 验的研究.但由于岩土体参数的不确定性,试验 条件的局限性以及其他因素,使得许多试验虽然 提供了一些有用的研究成果,但与试验初衷还有 一 定的差距.在所有的因素中,滑带土的选择尤 为重要,因为它是影响滑坡稳定与否的关键因素. 此外,它对模型试验的成功与否,尤其是支挡结 构模型试验所得出的结论起着至关重要的作用. 为了系统研究滑坡与支挡结构的相互作用,本课 题组近年来在自然科学基金项目和国土资源大调 查项目的支持下,开展了一系列模型试验研 究,本文重点在于介绍不同滑面材料的滑坡 稳定性模拟试验及其研究成果. 1试验模型概况 1.1试验准备 (1)模型箱 模型试验在3nl×1.8m×2.2m(长×宽×高) 的模型箱内进行,模型箱由角钢和高密度板制作 而成.试验中滑床和滑体的材料均采用黄土进行 填筑,黄土取自西安市南郊,其设计重度为 18kN/m.滑面为预先布设圆弧型滑面,分别采 用草木灰,单层塑料薄膜和双层塑料薄膜三种材 料来模拟滑面.草木灰重度为16kN/m,含水量 为10%,厚度为5mm,塑料薄膜采用厚度为 0.12mna的聚乙烯塑料薄膜. (2)测试设备 在试验中,模型中滑体的状态及其位移变化 曲线是后期分析滑坡的稳定状态的重要依据.因 收稿日期:2010—07—08 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40272116);国土资源大调查项目 (1212010814016);国土资源大调查项目 (1212010914021);长安大学校基金项目(CHD2010JC058) 作者简介:刘洪佳(1983一),男,江西省德安人,博士研究生,主要从事岩工作.E— mail:64750711@qq.tom 1期刘洪佳,等:采用不同滑面材料的滑坡模型试验研究11 此,试验中,采用位移计对坡体的竖向及水平位 移进行监测,位移测试采用江苏东华测试技术有 限公司生产的DH3815N静态应变测试仪,在模型 的坡面上布设监测点见图1. (a)试验I 640.600 0 0 o. _ 0 0 ln ? 0 (b)试验11 图1模型尺寸及土体位移监测布置(单位:mm) (3)工况 本次试验共分五组.按滑体形状不同,分为 试验I和试验?.同时,按滑面材料不同,试验 I包含三种工况,分别采用了草木灰,单层塑料 薄膜和双层塑料薄膜做滑面材料;试验?包含两 种工况,只选用了草木灰和双层塑料薄膜.每组 的滑坡模型尺寸如图1所示.然后将这两组试验数 据进行了对比. (4)加载方式及原理 在滑坡的顶部采用50kg的 试验采用堆载法, 沙袋来模拟载荷.设计堆载增量为5kPa,根据监 测数据动态调整加载量,绘制数据曲线,待数据 稳定后再进行下一次加载,直至滑体发生滑动, 试验最大加载量为50kPa. 为避免沙袋堆载过高造成的危险,本次试验 中采用先在滑体顶部铺两层沙袋,再在这两层沙 袋上放置木板,以增加顶面积,这样可以达到在 一 定荷载量的情况下,降低沙袋堆载高度.两组 试验加载方式相同,图2为试验I的堆载示意图. 图2试验I堆载示意图 对于不同工况的滑坡模型,如其填筑后稳定, 则通过对其坡顶逐级堆载,增加滑体的下滑力, 直至滑体发生滑动;根据试验得到的位移曲线中 位移突变,判定滑体的极限平衡状态,同时根据 其坡顶的堆载量及模型的物理几何参数,来反算 滑面材料的相似抗剪强度. 1.2试验步骤 (1)安装模型箱,在模型箱内壁上铺设一层塑 料膜;在模型箱内壁塑料膜上,画出滑面和滑体 的轮廓线,以及从底部往上每隔l0cm,画上平行 线尺度标记. (2)滑床部分分层填筑黄土.每10cm填筑一 层,整平,夯实,取土样测试其重度;土体填筑 完成后,依所作滑面轮廓线制作滑面. (3)在滑面布设滑面材料.再在模型分别铺设 一 层塑料膜,减少模型箱对滑体的摩擦. (4)分层填筑滑体部分黄土.每10ClTI填筑一 层,整平,夯实,取土样测试其重度,布设传 感器. (5)土体填筑完成后,依据试验设计的坡面轮 廓线制作坡面. (6)布设位移计,并连接数据采集测试仪,测 试各测试仪器初值. (7)坡顶逐级加载,并分别定时压力传感 器及位移计数据,直至滑体失稳滑动. (8)拆除模型,进行下一个试验,或试验结束. 2试验结果及分析 2.1试验结果 通过试验,发现采用不同材料作为滑面的模 型,各个模型的最终状态,堆载量有很大的差异. 12灾害学26卷 对于试验I:采用草木灰做为滑面材料时, 至试验结束滑体没有出现滑动;采用单层塑料薄 膜时,堆载量达到一定程度时,模型发生滑动; 采用双层塑料薄膜时,当试验滑体模型填筑至 1430mm时,发生了滑动. 对于试验?:采用草木灰做为滑面材料时, 至试验结束滑体没有出现滑动;采用双层塑料薄 膜时,模型在滑体制作完成时发生滑动,竖直方 向位移约5mm后稳定,对滑坡进行堆载,在堆载 量达到2.4kPa时,滑体发生加速下滑.对试验过 程进行分析,得到每组试验滑体的初始状态,最 终状态及最终堆载量(1). 表1每个模型的最终堆载量及稳定性 2.2土体位移变化分析 试验的每一组试验的位移变化可见图3. 试验I: 由图3a可见,对于采用草木灰做为滑面材料 时,其滑体位移随着堆载量的增加,变化量较小, 而且没有明显位移突变点. 而对于图3b,采用单层塑料薄膜做为滑面材 料时,其滑体位移随着堆载量的增加,变化量较 大.当堆载量为20kPa时,滑体位移变化出现突 变,并加速增大变化,最后模型发生滑动. 当采用双层塑料薄膜做为滑面材料时,由于滑 体在填筑至1430mln高度时,还未来得及安放位移 计就突然发生滑动,因而未能测量到位移变化. 试验?: 由图3c可见,采用草木灰做为滑面材料的试 验,滑体位移变化曲线相似于同试验I的工况一. 对于图3d,采用双层塑料薄膜做为滑面,模 型在滑体制作完成时滑动了一定位移,稳定后对 滑坡进行堆载,在堆载量达到2.4kPa时,滑体发 生加速下滑. 图3a与图3c中滑体的水平向位移曲线中有一 定的突变,但是由于突变量较小仅为2mm左右, 且由于持续时间较长,图3a的突变时间约为75h, 而图3c的突变时间约为50h,并不是短时间的大 位移突变,而且在一定时间后竖向位移趋于稳定, 可认为是滑体土在堆载作用下的固结. 时间,h (a)试验I草木灰 时间,h (b)试验I单层塑料薄膜 时间/h (C)试验II草木灰 时间/h (d)试验II双层塑料薄膜 图3滑体的位移变化 2.3滑面材料的抗剪强度分析 土体的抗剪强度指标,特别是滑面的抗剪强 度指标,无论是对滑坡治理设计来说,还是对模 型试验而言,都是一个非常重要的参数.因此, 通过分析各个试验的堆载量及滑体的位移变化, 1期刘洪佳,等:采用不同滑面材料的滑坡模型试验研究13 可以确定滑坡模型的极限平衡状态,根据极限状 态时模型的堆载量,利用Bishop法进行反算,从 而确定不同滑面材料的相似抗剪强度,再来确定 初始状态时滑坡模型的稳定系数.试验初始状态 稳定系数及抗剪强度的结果见表2. 表2滑面材料的抗剪强度 采用草木灰做滑面材料时,试验结果显示,当 试验开始和结束时,模型均处于稳定状态.可见草 木灰做滑面材料时,相似抗剪强度较大.此外,当 试验的最终堆载量达到最大时,模型滑体仍然处于 稳定状态,无法确定模型的极限状态,鉴于此,也 就无法确定采用草木灰的滑面其抗剪强度. 采用单层塑料薄膜做滑面材料时,主要的阻 滑力由滑体的土体与单层薄膜之间的摩擦力提供, 试验开始时模型处于稳定状态,堆载到一定程度 时模型发生滑动,把此时的滑坡体状态认为是极 限状态,根据其坡顶的堆载量及模型的物理几何 参数,反算出其抗剪强度.此滑面材料的相似抗 减强度也较大,滑面材料提供了一定的阻滑力; 当堆载量达到20kPa时,滑体的下滑力等于阻滑 力,模型达到极限状态,发生滑动.单层薄膜的 相似抗剪强度见表2. 采用双层塑料薄膜做滑面材料时,主要的阻滑 力由塑料薄膜与塑料薄膜之间摩擦力提供.由于试 验开始处于极限平衡状态(不稳定状态),试验I中, 在填筑至1430innl时,滑体发生滑动,认为此时滑 体模型处于极限状态,根据模型的物理几何参数, 反算得到滑面材料的相似抗剪强度;根据相似抗剪 强度得到模型填筑完成后,滑坡模型的稳定系数为 0.96.试验?中,在填筑完成时发生了一定滑动后 稳定,且由于竖直方向仅5iTlln,因此认为模型初始 状态稳定,加载2.4kg时,滑体处于极限状态.同 样,根据其坡顶的堆载量及模型的物理几何参数, 反算得到滑面材料的抗剪强度,见表2. 可见,对于三种滑面材料来说,采用双层塑 料薄膜的相似抗剪强度比较小. 3结论 不同滑面材料对滑坡的稳定性及剩余下滑力的影 响,得出以下结论. (1)采用草木灰做滑面材料时,滑体处于稳定 状态;采用单层塑料薄膜做滑面材料时,滑体处 于较稳定状态;采用双层塑料薄膜做滑面材料时, 滑体处于极限平衡状态. (2)本试验通过堆载来增加滑体的下滑力,当 模型达到极限平衡状态之后,其后堆载的增量才 能使模型产生剩余下滑力.对比分析后发现,由 于试验开始时,采用双层塑料薄膜做为滑面材料 的模型处于极限状态,能最大程度地利用堆载所 产生的下滑力.因此,建议在后继的滑坡支挡模 型试验中,采用双层塑料薄膜做滑面材料. (3)对于两组实验中,采用双层塑料薄膜做滑 面材料的模型,其通过计算得到的滑面材料的相似 抗剪强度不同.虽然试验一与试验二的双层薄膜的 材料相同,但是,由于滑面的形状不同,它们的强 度参数也有一定的差别.因此当滑坡的滑面形态改 变时,应进行该滑面的模型试验,从而来确定该滑 面时的相似抗剪强度.在进行滑坡支挡结构与土的 相互作用的试验之前,应该进行滑坡模型的参数实 验,来确定试验中所用到的相似抗剪强度指标. 参考文献: [1]李明华.滑坡模型实验概况及其展望[J].地球科学进展, 1986,12(4):28—33. [2]宋克强,孙超图,袁继国,等.黄土滑坡的模型试验研究 [J].水土保持,1991,5(2):14,21. 【3]曾云华,郑明新.预应力锚索抗滑桩的受力模型试验[J]. 华东交通大学,2003,20(2):15—18. [4]雷文杰,郑颖人,王恭先,等.沉埋桩加固滑坡体模型试验的 机制分析[J].岩石力学与工程,2O07,26(7):1347—1355. [5]杨雪莲,周永江,何恩明.框架预应力锚索在滑坡加固中的 现场试验研究[J].灾害学,2009,24(2):37—40. [6]DeekenJohn.Largescalelaboratorytestingofmodelslopeswith slenderreinforcement[D].Columbia:UniversityofMissouri— Columbia,2005. 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TakingLongyanglandslideasanexample,thespecialthree—segmentstructuresoflandslide —slipzoneinhypabyssal rockoflacustrinedepositsarerevealed.Itisprovedthatthejointactionofgroundwaterandpreferredstructural planedominatestheformationoflandslidenearthereservoirdam. KeyWOrds:groundwater;preferredstructuralplane;hypabyssalrockoflacustrinedeposits;synthetical gradingapproach;mechanismoflandslide;Longyangxia ?—— 卜一—卜.—_一"—卜 (上接第l3页) StudyonSlipMaterialinLandslideModelTests LiuHongjia,MenYuming,LiXunchang,YanJinkaiandZhangTao (SchoolofGeologicalEngineeringandEngineering,Chang'anUrdvershy,Xi'an710054,China) Abstract:Inordertostudytheinfluenceonthestabilityofmodelbyslipsoilsimulatedwithdifferentmateri— alsinthelandslidemodeltest.takingloadingasexperimentalmethodandusingdisplacement meterasamainly testmeans,fivemodeltestsbetweentwoworkingconditionswithplantash,plasticfilmanddouble—plasticfilmas slipmaterialareconducted.Finally,landslideisslippedbyincreasingloadofthemodelandthedownslide strength.Limitequilibriumoflandslidecanbedeterminedaccordingtotheinitialstablestate,theultimatestabili— tystateandthemonitoringmodeldisplacementcurveinthetest.Furthermore,thestabilityandsimilarityshear strengthofdifferentslipmaterialscanbecalculatedfromthesimilarityshearstrengthofslipsoilsimulatedmateria1. Theresultsshowthatlandslideisstillstable,relativelystable,andinlimitequilibriumstatebyusingplantash plasticfilmanddouble— plasticfilmasslipmaterials,whichprovidestheexperimentalbasisforthemodeltestof landslideretaining. Keywords:slipsoil;slipmaterial;similarityshearstrength;landslidemodeltest