CN109001021B - 采用离心模型试验评价岩土边坡安全储备的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用离心模型试验评价岩土边坡安全储备的方法，其包括根据研究岩土边坡的原型，按设定比例缩小后制作岩土边坡离心模型；将岩土边坡离心模型放置于离心装置中，按设定倍加速度对岩土边坡离心模型进行边坡破坏试验；当岩土边坡离心模型在设定倍加速度作用下未发生破坏，将岩土边坡离心模型抬升一角度，之后继续离心边坡破坏试验；当岩土边坡离心模型刚好发生破坏时，根据破坏面上安全系数小于等于1的临界条件反分析岩土边坡土料的黏聚强度；根据黏聚强度计算同种土料岩土边坡最危险滑移面的安全系数，通过比较该安全系数与同种土料岩土边坡刚好发生破坏时破坏面的安全系数的差异，得到所研究岩土边坡的安全储备。
Description
技术领域
本发明涉及地质灾害研究领域，具备涉及一种采用离心模型试验评价岩土边坡安全储备的方法。
背景技术
滑坡是一种十分重要的地质灾害，滑坡的发生会给人民生命财产安全带来巨大威胁，影响正常生活生产秩序。面对边坡带来的威胁，对边坡的稳定性进行正确的评估是保证人民生命安全，减少人民财产损失的重要途径。
目前极限平衡法是边坡稳定分析的传统方法，也是边坡设计计算中最主要的方法，一般利用边坡安全系数F值作为表征边坡稳定性的指标，边坡沿某个滑裂面滑动的安全系数F的定义为：将土的抗剪强度指标降低为
和则土体沿着该滑裂面处处达到极限平衡，即滑裂面上每一点的剪应力都达到了土的抗剪强度。
常用的极限平衡法有瑞典圆弧法、简化毕肖普法、传递系数法、美国陆军师团法、罗厄法、简化简布法和摩根斯坦—普莱斯法(M－P法)，不同极限平衡法计算的安全系数略有差异。
当前边坡安全系数计算的问题在于计算得到的结果与实际有偏差，有的边坡经计算后被认为较为安全不会发生破坏，实际却发生了滑坡；有的边坡计算结果表明会发生滑坡，现实情况下边坡却很稳定。这说明现有的边坡安全系数计算方法实际上存在一些问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的采用离心模型试验评价岩土边坡安全储备的方法通过离心模型试验能够计算出真实有效的岩土边坡安全储备。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种采用离心模型试验评价岩土边坡安全储备的方法，其包括以下步骤：
根据研究岩土边坡的原型，按设定比例缩小后制作岩土边坡离心模型；
将岩土边坡离心模型放置于离心装置中，按设定倍加速度对岩土边坡离心模型进行边坡破坏试验；
当岩土边坡离心模型在设定倍加速度作用下未发生破坏，则将岩土边坡离心模型抬升一角度，之后继续在离心力作用下进行边坡破坏试验；
当岩土边坡离心模型刚好发生破坏时，根据临界破坏面上安全系数等于1计算岩土边坡土料的黏聚强度；
根据得到的黏聚强度计算同种土料岩土边坡最危险滑移面的安全系数；
对比该种土料岩土边坡刚好发生破坏时破坏面上的安全系数，得到研究岩土边坡的安全储备。
进一步地，当滑移面均为平面滑移面时，所述岩土边坡最危险滑移面的安全系数计算模型为：
其中，f1为岩土边坡最危险滑移面的安全系数，当边坡刚好发生破坏时，该滑移面的安全系数为1；h为岩土边坡高度；c为土料黏聚强度；α为坡角；β为滑移面角度参数；φ为土料摩擦强度；γ为土料重度。
进一步地，抬升后的岩土边坡离心模型最危险滑移面的安全系数f2′计算模型为：
其中f2′为抬升后岩土边坡最危险滑移面的安全系数；n为设定加速度的倍数；Δα为边坡的抬升角度。
进一步地，当岩土边坡离心模型刚好发生破坏时，破坏面上的的安全系数为1，所述土料黏聚强度的计算公式为：
进一步地，所述岩土边坡安全储备的计算公式为：
Sr＝(f1-f2)×100％
其中，Sr为安全储备，f为该种土料岩土边坡刚好发生破坏时破坏面上的安全系数。
本发明的有益效果为：本方案首先根据研究岩土边坡的原型得到岩土边坡离心模型，之后根据刚好发生破坏(滑坡)时破坏面上的安全系数可以计算得到现有技术难以准确测量得到的土料黏聚强度，再之后通过土料黏聚强度和安全系数计算模型去研究岩土边坡的安全储备，由于这种方式得到的安全储备更加有效合理，符合实际，为之后的岩土边坡稳定安全分析提供了有力的数据支持。
附图说明
图1为采用离心模型试验评价岩土边坡安全储备的方法的流程图。
图2为岩土边坡离心模型的简化模型。
图3为图2中的简化模型抬升某个角度后的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了采用离心模型试验评价岩土边坡安全储备的方法的流程图，如图1所示，该方法100包括步骤101至步骤107。
在步骤101中，根据研究岩土边坡的原型，按设定比例缩小后制作岩土边坡离心模型；如图2所示，该岩土边坡离心模型的高度为h，坡角α，上下底边都足够长，当其最危险滑移面为AC表示的平面时，其滑移面角度参数为β。若土料的特性参数为：摩擦强度φ，粘聚强度c，重度γ，且无渗流，不考虑含水率的影响。
将滑块ABC视作整体进行受力分析，共受到重力W，AC平面支持力N以及摩擦力F(抗滑力)三者作用，定义其安全系数f1是抗滑力与重力沿AC平面的滑动力之间的比值，可通过理论计算得该滑移面的安全系数，也即土料岩土边坡最危险滑移面的安全系数计算模型，其具体计算公式为：
其中，f1为岩土边坡最危险滑移面的安全系数，当边坡刚好发生破坏时，该滑移面的安全系数为1；h为岩土边坡高度；c为土料黏聚强度；α为坡角；β为滑移面角度参数；φ为土料摩擦强度；γ为土料重度。
在步骤102中，将岩土边坡离心模型放置于离心装置(离心机)中，按设定倍加速度对岩土边坡离心模型进行边坡破坏试验，也即岩土边坡离心模型在离心机ng加速度下运行，即模拟现场原型尺寸为离心机模型n倍的情况。
在步骤103中，判断岩土边坡离心模型在设定倍加速度作用下是否发生破坏，若未破坏则进入步骤104，否则进入步骤105。
在步骤104中，将岩土边坡离心模型抬升一角度，之后继续在离心力作用下进行设定倍加速度的边坡破坏试验，抬升某一角度后岩土边坡离心模型的示意图可以参考图3。
在步骤105中，根据临界破坏面上安全系数等于1计算岩土边坡土料的黏聚强度；即若此时边坡刚好沿AC平面发生破坏，则可认为此时AC滑移面上的安全系数为f＝1。
当岩土边坡离心模型刚好发生破坏时，根据岩土边坡最危险滑移面安全系数f2的计算模型可以得到此时AC滑移面的安全系数计算公式为：
考虑到离心机中ng加速度的影响，对AC滑移面的安全系数的计算公式进行修正得到抬升后的岩土边坡离心模型最危险滑移面的安全系数f2′计算模型：
由于此时边坡刚好沿着滑移面AC滑动，所以此时滑移面AC上的安全系数为f2′＝1，即：
在其他参数已知的情况下，可得土料的黏聚强度c为：
在步骤106中，根据得到的黏聚强度计算同种土料岩土边坡最危险滑移面的安全系数f1。
在步骤107中，对比岩土边坡最危险滑移面的安全系数与同种土料岩土边坡刚好发生破坏时破坏面上的安全系数，得到研究岩土边坡的安全储备，所述安全储备的计算公式为：
Sr＝(f1-f2)×100％
其中，Sr为安全储备，f2为该种土料岩土边坡刚好发生破坏时破坏面上的安全系数。
下面结合岩土边坡实例对本方案的研究过程进行说明：
设定土料参数为γ＝18.4kN/m3，c＝15kPa，φ＝22°，岩土边坡为梯形，底边长60m，上边长30m，高25m，其中的黏聚强度c通过三轴试验获得。假定试验中抬升角度为10°时，边坡刚好发生破坏，采用现有的软件GEO-SLOPE结合上面的参数，计算得到边坡最危险滑移面的安全系数为1.025，而边坡刚好破坏时的安全系数是小于等于1，但软件GEO-SLOPE计算出的边坡是未发生破坏的，也即从计算出的安全系数看，没办法评估岩土边坡的安全储备，说明传统方法获取的土料黏聚强度存在问题。
采用本方案土料黏聚强度c的计算公式结合上面的数据，计算到的土料黏聚强度c值为13.7kPa，将其带入本方案的抬升后的岩土边坡离心模型得到边坡最危险滑移面的安全系数为0.998，其小于1，则认为13.7kPa是该土料的真实黏聚强度，0.998是该土料岩土边坡刚好发生破坏时破坏面上的安全系数。将黏聚强度c＝13.7kPa代入同种土料岩土边坡最危险滑移面的安全系数计算模型，可以得到其最危险滑移面的安全系数为1.446，通过安全系数0.998和1.446可以得到该岩土边坡的安全储备为：
(1.446-0.998)×100％＝44.8％。
综上所述，本方案通过离心模型试验及构建的黏聚强度计算公式可以准确地得到岩土边坡的土料强度参数，进而计算得到更加真实有效的岩土边坡安全储备。
Claims (2)
1.采用离心模型试验评价岩土边坡安全储备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101、根据研究岩土边坡的原型，按设定比例缩小后制作岩土边坡离心模型，其中土料岩土边坡最危险滑移面的安全系数计算模型，其具体计算公式为：
其中，f1为岩土边坡最危险滑移面的安全系数，当边坡刚好发生破坏时，该滑移面的安全系数为1；h为岩土边坡高度；c为土料黏聚强度；α为坡角；β为滑移面角度参数；φ为土料摩擦强度；γ为土料重度；
步骤102、将岩土边坡离心模型放置于离心装置中，按设定倍加速度对岩土边坡离心模型进行边坡破坏试验；
步骤103、判断岩土边坡离心模型在设定倍加速度作用下是否发生破坏，若未破坏则进入步骤104，否则进入步骤105；
步骤104、将岩土边坡离心模型抬升一角度，之后继续在离心力作用下进行设定倍加速度的边坡破坏试验；
步骤105、根据临界破坏面上安全系数等于1计算岩土边坡土料的黏聚强度：
根据岩土边坡最危险滑移面安全系数f2的计算模型可以得到此时AC滑移面的安全系数计算公式为：
考虑到离心机中ng加速度的影响，对AC滑移面的安全系数的计算公式进行修正得到抬升后的岩土边坡离心模型最危险滑移面的安全系数f2′计算模型：
由于此时边坡刚好沿着滑移面AC滑动，所以此时滑移面AC上的安全系数为f2′＝1，即：
在其他参数已知的情况下，可得土料的黏聚强度c为：
其中，Δα为边坡的抬升角度；
步骤106、根据得到的黏聚强度计算同种土料岩土边坡最危险滑移面的安全系数f1；
步骤107、对比岩土边坡最危险滑移面的安全系数与同种土料岩土边坡刚好发生破坏时破坏面上的安全系数，得到研究岩土边坡的安全储备。
2.根据权利要求1所述的采用离心模型试验评价岩土边坡安全储备的方法，其特征在于，所述岩土边坡安全储备的计算公式为：
Sr＝(f1-f2)×100％
其中，Sr为安全储备，f1为岩土边坡最危险滑移面的安全系数，f2为该种土料岩土边坡刚好发生破坏时破坏面上的安全系数。
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