黏性土邊坡臨界滑動面確定的新方法

張愛卿, 李金云, 單 煒, 郭 穎

(1. 北華航天工業學院 建筑工程學院, 河北 廊坊 065000; 2. 東北林業大學 寒區科學與工程研究院, 黑龍江 哈爾濱 150040)

邊坡臨界滑動面的確定是研究邊坡穩定性的關鍵問題之一[1-4].國內外學者對于邊坡臨界滑動面的確定做了大量卓有成效的研究.Cheng等[5]和Sultan等[6]分別從理論上研的確定方法.李寧等[7]提出利用摩擦-接觸型界面單元模擬滑動面.介玉新等[8]提出了采用最大加速度評價邊坡安全性的方法.楊建成[9]提出一種新的局部強度折減法,其分析結果與工程實際情況吻合較好.張玉成等[10]利用有限元法對邊坡的變形場和應力場進行分析,并以此確定滑動面.蔣澤鋒[11]充分利用大數據處理技術建立了邊坡臨界滑動場計算系統.綜上所述,國內外學者多是在有限元理論的框架下,以安全系數為評價指標來確定邊坡臨界滑動面,其并不適合公路檢測人員現場操作應用.

近年來簡易貫入法在工程檢測中得到了大量的應用.潘芷加等[12]利用簡易貫入法分析了災害場地土層土壤的軟弱特性.郭穎[13]利用簡易貫入法探測出凍土地區土體融化深度.李金云等[14]將簡易貫入法作為確定低液限黏土路基壓實度的新方法.因此,引入簡易貫入法作為確定黏性土邊坡臨界滑動面的新方法,構建簡易貫入次數與承載力的關系式,選取某公路黏性土路塹邊坡,實測簡易貫入次數,計算得出邊坡承載力值,并繪制邊坡承載力突變點曲線圖,依此確定邊坡臨界滑動面,并與有限元法和理論方法進行比對,為快速準確地確定黏性土邊坡臨界滑動面提供了新的方法.

1 簡易貫入次數與承載力的關系

1.1 簡易貫入試驗

簡易貫入試驗屬于動力觸探的一種,由于該試驗設備簡單、操作方便和土層的適用范圍廣,被廣泛應用于判斷土體的物理力學性質[15-16],其組成如圖1所示.簡易貫入試驗是將穿心錘放置一定高度后自由落下,使勢能轉化為貫入土體的動能.

圖1 簡易貫入試驗儀組成Fig.1 Composition of simple penetration tester

研究表明[14-15]:當觸探桿貫入土層深度為10 cm時,記錄此時的錘擊數,以此判定土的力學特性.

式中:Δh為觸探桿貫入土層的深度,m;hn為第n次錘擊時卷尺的讀數,cm;hn-1為第n-1次錘擊時卷尺的讀數,cm;N為錘擊次數,次;Nd為所求的實測擊數,次.

1.2 簡易貫入次數與承載力的關系式

對于地基承載力可以通過標準貫入次數確定,當土體為黏性土或粉土時,按照《建筑地基基礎設計規范》[3]要求,選取黏性土承載力標準值與標準貫入擊數的關系作為標準貫入次數與地基承載力的關系,關系式如下:

fk=19N-74

(3)

式中:N為標準貫入次數,次;fk為地基承載力,kPa.

已知簡易貫入試驗與標準貫入試驗的貫入次數存在著2倍的關系[16-17].借鑒標準貫入次數與地基承載力的研究結果,在公式(3)的基礎上建立簡易貫入次數與承載力的關系式.

fkj=9.5Nj-74

(4)

式中:Nj為簡易貫入次數,次;fkj為承載力,kPa.

2 簡易貫入法確定黏性土邊坡臨界滑動面

以邊坡失穩現象多發、具有代表性的黑龍江省同三高速公路K560+580路段的左側黏性土邊坡為研究對象,淺層土體(3 m以內)為黃色粉質黏土,土層及其物理力學參數見表1所列[13].先確定檢測點,后利用簡易貫入法開展現場試驗,分析檢測數據,確定黏性土邊坡臨界滑動面.

表1 邊坡黏性土物理力學參數

2.1 簡易貫入法測點布設及現場試驗

K560+580路段左側黏性土邊坡高度為6 m,坡腳為31°.現場布設檢測點示意圖如圖2所示.由圖2可知,①號和②號、⑧號與⑨號兩組檢測點間距為1 m,其余檢測點間距相同,均為2 m.試驗步驟嚴格按照文獻[14]的要求進行,同一檢測點位置做三次簡易貫入試驗,三次試驗結果相差在5%以內的可以取平均值,并記為簡易貫入試驗的貫入次數.

圖2 黏性土邊坡檢測點示意圖(mm)

2.2 試驗結果及分析

將試驗數據代入公式(4)中計算邊坡承載力值,并繪制邊坡承載力與深度的關系曲線,如圖3所示.

由圖3可知,邊坡承載力隨著貫入深度增加呈鋸齒狀不斷變化,其中在檢測點1號至6號的曲線中,均存在一個折點處的邊坡承載力值近似等于0,將邊坡承載力近似等于0的點定義為邊坡承載力突變點.檢測點7號至9號未出現這樣的突變點,表明邊坡臨界滑動面應通過檢測點1號至6號位置的邊坡斷面,而未通過檢測點7號至9號位置的邊坡斷面.

圖3 9個檢測點的簡易貫入試驗結果

同時注意到檢測點7號和8號相對于其他7個檢測點的邊坡承載力值偏低,表明這兩個檢測斷面處的邊坡土體穩定性差,有可能在滑坡條件成熟情況下伴隨著邊坡滑動體產生向下的滑動.

從圖3曲線中搜索①號至⑥號中邊坡承載力突變點所對應深度,在圖2上進行標記,并連線,如圖4中1號折線所示.

圖4 邊坡承載力突變點弧形曲線圖(mm)Fig.4 Curve curve of abrupt transition point of slope bearing capacity (mm)

觀察圖4可知,邊坡承載力突變點的連線線近似為弧型曲線,且該弧型曲線穿過檢測點1號至6號,利用CAD軟件將弧型曲線的兩端與邊坡邊界相連,得到一條完整的弧形曲線,將最終得到的弧形曲線作為邊坡臨界滑動面,如圖4中2號曲線所示.

綜上可得,簡易貫入試驗在搜尋邊坡臨界滑動面過程中,若邊坡承載力為0的點出現,意味著邊坡存在滑坡的可能性,應采取措施對邊坡進行加固處治.

下面將利用有限元法和理論方法驗證試驗方法的可行性和合理性.

3 簡易貫入法與有限元法和理論方法的對比

3.1 簡易貫入法與有限元法的對比

采用與工程實際相吻合的局部強度折減法來對工程實例進行數值計算[9-10].表達式如下:

(5)

式中:c′為折減后的黏聚力值,kPa;φ′為折減后的內摩擦角,(°);F為折減系數.

根據文獻[9]中給出的計算步驟,按照圖5所示的邊坡幾何示意圖,利用ABAQUS有限元數值模擬軟件進行計算,暫不考慮黏性土邊坡在不同深度處土體物理力學性質的差異,其重度為17 kN/m3,彈性模量為28 MPa,泊松比為0.38,黏聚力為92.3 kPa,內摩擦角為26.92°.

圖5 邊坡幾何示意圖Fig.5 Geometrical diagram of slope

經過數值計算得出該黏性土路塹邊坡安全系數(折減系數)為1.25,邊坡潛在滑動面的范圍為圖6中采用有限元法圈定的范圍.

圖6 試驗方法與有限元法、理論方法計算結果對比Fig.6 Comparison of calculation results between the method presented in this paper and the finite element method and theoretical method

由圖6可知,試驗方法得出的邊坡臨界滑動面在采用局部強度折減法計算出的邊坡潛在滑動面范圍之內.簡易貫入試驗中7號和8號檢測點低于其他檢測點的邊坡承載力值,原因是這兩個檢測點均處于邊坡潛在滑動面范圍之內所導致.研究表明試驗方法得出的結果與有限元法得出的結果一致性好,驗證了簡易貫入法在確定黏性土邊坡臨界滑動面的可行性.

3.2 簡易貫入法與理論方法的對比

臨界滑動面被用來表征邊坡失穩時最可能出現的滑動位置.采用滑動圓弧法對該模型進行理論計算,首先通過4.5H法確定滑動圓弧的圓心位置,再對其滑動圓弧進行分條,計算滑動面的總滑動力矩和滑動面的總抗滑力矩,最后計算出每一個滑動面的安全系數,其中安全系數為1.05的滑動面即為最危險滑動面,其計算結果見圖6所示.

由圖6可知,試驗方法確定的邊坡臨界滑動面與理論計算出的邊坡最危險滑動面基本一致,表明簡易貫入法得出的結果可以應用于工程實際,驗證了簡易貫入法在確定黏性土邊坡臨界滑動面的合理性.

綜上所述,簡易貫入法相比有限元法,其結果更具真實性和代表性;相比標準貫入試驗為代表的傳統邊坡臨界滑動面確定方法,不僅檢測點多,而且快捷準確.

工程實際中一般以坡高6 m作為黏性土邊坡是否設置平臺的依據,對于單級黏性土邊坡(坡高小于等于6 m)可直接利用簡易貫入法來確定邊坡臨界滑動面;對于多級黏性土邊坡(或單級坡高超過6 m),可參考《標準貫入試驗規程(YS/T 5213—2018)》中要求對桿長進行修正,因此,對于多級黏性土邊坡建議采用簡易貫入法和有限元強度折減法共同分析、綜合確定邊坡臨界滑動面.

4 結論

1)在研究簡易貫入試驗原理的基礎上,借鑒標準貫入次數與地基承載力研究成果,建立了簡易貫入次數和邊坡承載力之間的關系式.

2) 簡易貫入試驗表明,邊坡承載力隨著深度增加呈鋸齒狀不斷變化,在貫入深度范圍內發現了邊坡承載力近似等于0的突變點,將突變點標記到邊坡橫剖面上并連線得到邊坡臨界滑動面.

3) 簡易貫入試驗方法與有限元法相比一致性好,與理論計算結果相比符合工程應用要求.驗證了簡易貫入法在確定黏性土邊坡臨界滑動面的可行性和合理性.

致謝:本文得到北華航天工業學院科研基金項目(BKY-2020-24)的資助,在此表示感謝.