离心场中模拟边坡开挖的新设备 李 明 张 嘎 李焯芬 张建民 （清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 ， 北京 ） 摘 要 ： 边坡开挖是工程中经常遇到的问题 。 在清华大学土工离心机上 ， 开发了一种离心机运转过程中的边坡开 挖模拟技术 。 进行了土坡开挖的离心模型试验 ， 测量了开挖过程中边坡的位移场变化 。 利用该设备进行 了离心模型试验 ， 试验结果是土坡在开挖初期变形较小 ， 开挖三次后发生浅层滑裂破坏 。 关键词 ： 边坡 ； 开挖 ； 离心模型试验 1 引 言 边坡开挖是工程中经常遇到的问题 。 不合理的开挖设计和施工对工程的安全会产生重要影 响 。 例如 ， 某高速公路边坡在挖到第三级边坡时上部出现了塌方现象 。 因此 ， 研究开挖条件下 土坡的变形和破坏规律 ， 对于工程的设计和施工都具有重要的指导作用 。 离心模型试验由于其具有保持模型与原型应力相同的优点 ， 在边坡的稳定性和破坏机理等方 面已经得到了广泛应用 。 目前在离心模型试验中模拟开挖主要有以下两类方法 ： 一是在制样时将 部分土体挖掉 ， 然后通过增大离心加速度来研究应力提高的情况下土体或挡土结构的反应 ； 二是在 离心模型试验中通过排放液体或用高精密机械设备模拟开挖 。 第一类方法不能真实模拟实际 边坡的应力场以及开挖导致的变化 ； 第二类方法则对试验的制样和开挖机械提出了很多的要求 ， 受 到不同程度的限制 。 本文在自行开发离心模型试验过程中开挖模拟设备的基础上 ， 进行了粘性土坡开挖的离心模 型试验 ， 测量了开挖过程中土坡的水平变形场 。 2 试验设备与测量技术 2 1 设备构造 离心模型试验采用清华大学 gt 土工离心试验机进行 。 研制的模拟土坡开挖设备见图 。 设备设计的原理是用两个电机来模拟开挖过程中的下切和回拉两个动作（见图 ） ， 在模型箱 玻璃侧壁布上二维坐标轴 ， 利用本课题组研发的离心场图像采集与位移测量系统和摄像监控系统 即可实现离心机运行过程中的即时开挖 。 试验用模型箱内壁尺寸为 cm cm cm 。 设备底层平台用铝合金板制作 ， 厚 mm ， 设 计强度按其上部负重（包括两个电机和附属部件）kg 计 ， 确保 g 试验条件下不发生过大变形 。 在该板打上螺丝孔直接取代模型箱的盖板与模型箱体连接 。 这样保证了设备与模型箱的整体性同 时具有较好的普适性 。 上部支撑板采用钢材料 ， 厚 mm ， 在受弯集中区域附有加强肋 ， 以抵御开挖时反力所产生的弯 距 。 支撑板通过两条直线导轨与底层平台板连接 ， 其中直线导轨要复核抗拉压强度和横向抗弯 刚度 。 支撑板上安装一 W 直线电机 ， 电机轴带动刀片上下运动模拟下切动作 。 底层平台板左侧 物理模型试验（含土工离心模拟试验） 1 T - 删| | 酉 覃滔娼掸 图 1 开挖模拟装置 图 2 开挖模拟装置结构示意图（单位 ： cm） 安置 W 的交流电机通过齿轮齿条机构带动支撑板在直线导轨上左右运动 。 电机的出力均通过 对 g 下 cm cm 尺寸的坡体一次开挖所需出力进行估算 ， 并且均装有刹车来稳定运行位置 。 2 2 设备工作过程 模型制作完成后安装开挖装置 ， 然后将模型箱吊入离心机吊斗 ， 将电机的电源线通过滑环与控 制室中的电机正反转控制开关相连 。 接好试验中所需的其他测试设备并进行调试 。 当开机后离心 加速度达到 g ， 稳定一段时间观察坡体变形 ， 待变形稳定后进行开挖 。 在预定开挖位置处通过直 线电机控制刀片下切直至坡底 ， 停机 ， 然后控制左边的牵引电机将刀片向右推动 。 这样即将切下来 的坡体推离土坡 ， 如此反复即可实现多次开挖 。 2 3 离心场测试技术 边坡位移场的测量采用清华大学自主开发的离心场图像采集与位移测量系统 。 该系统通过摄 像头采集数据 ， 并利用本课题组开发的 GIPS 分析软件进行数据分析 。 该系统具有以下特点 ： （） 土工测试新技术 第 届全国土工测试学术研讨会论文集 ( ( P )( c ) 能够在离心模型试验过程中高速采集高质量图像 ， 克服了高速旋转的离心场的干扰 ； （）能够对多 点同时进行测量 ， 得到土体表面任意时刻任意区域的位移场 ； （）无需布设传感器 ， 对土体无干扰 ； （）测量精度高 ， 达到亚像素量级 ； （）前期准备工作量小 ， 自动化程度高 ， 可用于不同类土的位移 测量 。 3 离心开挖试验 3 1 模型 试验所采用的土样为奥林匹克公园人工填土 ， 粉粘土 ， 液限 ， 塑限 。 模型坡高 cm ， 坡长 cm ， 坡比 畅 ， 含水量 ， 干密度 畅 ， 分 次开挖 ， 最终开挖尺寸为 cm 畅cm 。 在 模型箱侧壁贴上 层塑胶膜并在两膜之间刷上硅油来减小侧壁摩擦的影响 。 试验中首先将模型放 入离心机的吊篮中 ， 逐步加载到 g ， 然后稳定一段时间待变形不再变化后进行开挖模拟 。 在开挖 过程中 ， 采用位移非接触测量系统记录并测量边坡侧面各点的位移变化 。 需要指出 ， 本文所给出的 位移测量结果均基于模型尺寸 。 图 3 不同开挖尺寸下边坡形态照片及水平位移场变化（单位 ： mm） 3 2 试验结果 图 给出了三次开挖后的土坡形态照片和相对应的水平位移场 。 观察等值线的分布发现 ， 边 坡一次开挖后开挖产生的临空面附近区域最先发生鼓出而此时其余坡体的变形较小（见图 （a）。 第一次开挖的尺寸较小 ， 为 cm 畅cm ， 由于粘聚力的存在 ， 如此程度的开挖不足以使坡体发生 较大变形而只是在坡脚处发生微小鼓出 。 两次开挖后 ， 边坡中部出现鼓出区域 ， 临空面附近的水平 位移继续发展达到 畅mm 。 第三次开挖完成后 ， 坡体发生较大的水平变形见图 （c） ， 坡面附近位 物理模型试验（含土工离心模拟试验） 移等值线非常密集 ， 最大的水平位移发生在开挖产生的临空面与原坡面交界附近 。 下一时刻剩余 坡体发生浅层下滑破坏 ， 水平位移场的等值线密集区域即对应着最终滑裂面的位置 。 土坡在自重作用下处于稳定状态 ， 坡脚开挖掉一块坡体后该稳定状态被打破 ， 随着剩余坡体的 变形若能达到新的平衡则坡体仍是稳定的 ， 否则即为开挖破坏 。 通过试验发现该土坡在开挖尺寸 较小时整体变形很小 ， 在开挖尺寸达到一定程度时剩余坡体在开挖后会稳定一段时间 ， 然后突然发 生下滑破坏 ， 呈现出一种脆性破坏的现象 ， 可能是跟土的性质有一定关系 。 4 结 语 该设备可以方便地实现离心场中的边坡开挖 ， 能够模拟实际工程中的多次开挖情况 ， 是研究边 坡稳定性的一个有效研究工具 。 利用该设备进行的离心模型试验也取得了较好的结果 。 参考文献 濮家骝 土工离心模型试验及其应用的发展趋势 岩土工程学报 ， ， （） ： ， （） ： Kimura T ， Takemura J ， H irooka A ， et al Stability of unsupported and supported vertical cuts in soft clay A P roc th Southeast Asian Geo Conf C ，Singapore ： 畅 PowrieW ， Kantartiz C Ground response during dia ph ragm wall installation in clay J Centrifuge model tests geo technique ， ， （） ： Zhang Ga ，Hu Yun ，Zhang JianMin New imageanalysisbased displacementmeasurement system for centri fuge modeling tests Measurement 土工测试新技术 第 届全国土工测试学术研讨会论文集