土工离心模型试验技术研究

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[摘要]大型岩土离心机试验模拟高填方边坡沉降、变形和破坏过程一直是实验中的难点。本文通过的模型采用原型材料制作，考虑了原型中的抗滑桩结构措施并在模型中安装了测试原件，观测模型在离心加速度作用下的应力和变形特征。此次模型试验反应了机场高填方边坡在降雨情况下变形破坏的演化过程，深化了机场滑坡的破坏机理。

[关键词]离心机试验 高填方边坡 破坏机理

[中图分类号] U455.4 [文献码] A [文章编号] 1000-405X（2014）-4-346-1

1引言

在许多工程学科中，常常用小比例尺物理模型重现某一事件来推断原型中可能存在和发生的现象，揭示和分析现象的本质和机理。如： 结构工程中的液压机、航天工程中的风洞、水利工程中的波浪水槽以及岩土工程中的三轴压力室等。以上各种试验都是通过模型测试得出结果，然后反推原型的状态。原型和模型的相似性通过相似律来关联。在岩土工程中，土工结构主要荷载是土的自重，岩土自重引起的应力通常占支配地位，而土的力学行为与应力水平和应力历史有关[1]。常规小比尺模型由于其自重产生的应力远低于原型，以及原型材料明显的非线性，因而不能再现原型的特性。解决这一问题的唯一途径是提高模型的自重，使之与原型等效。为提高模型的自重应力水平，增大材料自重的最简便的方法就是使用离心机。由于惯性力与重力绝对等效，且高加速度不会改变工程材料的性质，因而模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同，能再现原型特性[2-4]。土工离心模型试验的基本原理是： 将土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的离心加速度作用，来补偿因模型尺寸缩小而导致土工构筑物自重的损失，重现现场的应力水平，从而可以较好地预测岩土工程的工作状况[5]。

2模型设计

2.1模型尺寸于填料

试验采用大模型箱，模型箱尺寸为1.2m（长）×1.0m（宽）×1.2m（高），选定本试验的模型比尺 。

在本次试验中，我们采用从机场滑坡取回的重塑土作为填料，从现场取回的原型土样经破碎后过筛，再根据勘查资料配置模型试验所需的填料。基岩部分采用浇注混凝土块来模拟。对于滑动面的模拟，则根据现场勘查的土样的物理力学指标，配置与原型相同的滑带土模拟滑动面。具体的模型布置图（见图1）。

2.2量测设备和布桩设置

本次离心模拟试验采用的主要观测仪器有：差动位移传感器（LVDT）、微型土压力计、微型孔隙水压力传感器及应变片等。模型制作过程中，在相应的部位埋设土压力计和孔隙水压力计，传感器布置。

3实验破坏和分析

分析引起滑坡两大原因：

3.1暴雨

降水渗入坡体并在潜在滑带聚积，软化了滑带岩土，增高了下水位和滑带土的孔隙水压力，减小其抗剪强度和阻滑力，滑体饱水增大滑体重力和下滑力；已开裂的坡体裂缝中灌水还可产生静水压力。连续降雨使填筑体边坡地下水快速增加，同时作为滑坡体的素填土和粉质粘土，孔隙率较大，局部还有较大的空隙和空洞，吸水性强，在暴雨的作用下，滑体本身的自重会明显增加。短时间内大量地表水随着坡体裂缝入渗到坡体中，了软弱面，对滑带土进行软化，这就为坡体的变形破坏营造了有利条件。最终在静水压力、动水压力的共同作用下，诱使本来就已经进入加速蠕滑变形阶段的填筑体发生滑坡。暴雨的诱发即为该滑坡最终形成的直接因素。

3.2抗滑桩布局

机场高填方边坡基覆界面附近由于地下水长期的软化作用，使基覆界面软弱层力学性质大大降低。而填筑体厚度大，边坡高。因此，坡体重力大，加上坡体孔隙水和渗透压力的作用，填筑体沿基覆界面的蠕滑变形逐渐增大，并在已有的抗滑结构物附近形成强烈的应力集中（见图2）。

4结论

本文通过模型试验模拟了机场高填方边坡在降雨情况下变形破坏的过程，深化了该机场滑坡的破坏机理。模型的破坏特征与实际情况总体吻合，取得满意的试验成果。