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边坡施工模型试验相似材料研究

?边坡施工模型试验相似材料研究边坡施工模型试验相似材料研究苏杭1,2，周海清1，武松1，赵晓坷1(1.后勤工程学院土木工程系，重庆401311;2.68612部队，宁夏750000)[摘要]结合边坡施工的模型试验研究，对坡体的相似材料进行了试配，研究了不同配比对坡体相似材料黏聚力和内摩擦角的影响规律；最终选用采用红粘土(烘干)、重晶石粉、滑石粉、水为基本材料按配合比0.7∶0.15∶0.05∶0.1模拟滑体，采用红粘土(烘干)、重晶石粉、滑石粉、石英砂、水泥、水为基本材料为基本材料按配合比0.3∶0.38∶0.03∶0.1∶0.06∶0.13模拟滑床，构建了几何相似比1∶10的模型试验；通过试验发现模型边坡临空面附近的坡体在开挖之后3～4h内变形最明显，同时也诱发上级边坡土体产生一定松弛变形。[关键词]边坡施工；模型试验；相似材料；坡体水平位移0前言模型试验一直以来模型试验是解决工程中疑难复杂课题的重要措施，其理论基础是相似理论[1]。物理模型与原型应满足几何相似、质量相似、荷载相似、介质物理性质相似和边界条件相似，二者之间的所有同名物理量只有大小比例上的不同，其变化机理和物理过程在本质上是一致的，最后将模型试验得到的规律按照相似关系反推并应用于实际工程。而相似材料的选取和配比对试验结果的影响比较大，李术才[2]应用地质力学模型试验的流-固耦合相似理论，研制出一种由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和适量拌合水组成的新型流-固耦合相似材料；彭海明[3]选用水泥石膏作为岩石的模拟材料，研究了水泥石膏的物理力学；叶海林[4]采用标准砂、石膏粉、滑石粉、甘油、水为基本材料模拟了边坡动力破坏特征的振动台模型试验。本文通过大量的试配寻求边坡相似材料最佳配比，同时结合试验结果分析了边坡开挖与支护过程中坡体水平位移的变化情况。1模型试验相似关系试验中采用的模型箱为后勤工程学院边坡隧道耦合试验仪的一部分，见图1，模型箱的尺寸为：长5m、宽0.7m、高3m，坡脚35°。为了使模型的变形发展与实际工程相似，模型应满足相似准则，所有相关的参数可表达为以下关系：图1模型箱剖面图

Figure1Sectionalmapofthemodelbox(1)式(1)中:l为模型尺寸，γ为模型重度，g为重力加速度，c为黏聚力，φ为内摩擦角，E为模型弹性模量，δ为位移，σ为应力，ε为应变，μ为泊松比，t为时间，F为力。φ、ε、μ为无量纲量，相似比等于1，即Cφ=Cμ=Cε=1，设Cγ=1，则其他物理量的推导应满足式(2)～(4)的相似判据。Cl=lp/lm(2)式(2)中:Cl为几何相似常数，为长度量，下标表示原型(prototype)下标表示模型(model)。(3)式(3)中:Cσ为应力相似常数，Cγ为重度相似常数，CE为弹性模量相似常数，Cε为应变相似常数，Cδ为位移相似常数，CF为力相似常数。(4)式(4)中:为抗拉强度相似常数，Cc为黏聚力相似常数，为抗压强度相似常数。模型试验中取几何相似常数为10，模拟长度50m、宽7m、高30m的原型边坡，其他物理量的相似比例如表1所示。表1原型与模型的相似关系Table1Similarityrelationshipbetweenprototypeslopeandmodelslope物理量长度重度应变弹模泊松比位移应力内摩擦角粘聚力力抗弯刚度时间符号ClCγCεCECμCδCσCφCcCFCEICt相似比10111011010110103105101/22相似材料配比过程边坡在进行开挖与支护的过程中，岩土体的抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角(对坡体的变形发展发挥着至关重要的作用。通过搜集大量的文献[5-7]，选取的相似材料应满足力学性能基本稳定、性质与模拟对象相似、原料广泛、低成本等特点。因此，此次试验采用红粘土(烘干)、重晶石粉、滑石粉、石英砂、水泥、水为基本材料进行均匀设计配比试验如表2所示。其中所用红粘土是重庆本地区红表2相似材料均匀设计表Table2Theuniformdesigntableofsimilarmaterial%试验编号红粘土重金石粉滑石粉水泥石英砂水1701551024040101034530151043843431253044481463038361013粘土，当含水率为20%，密度为1.8g/cm3时，测得其粘聚力c=37.6kPa，内摩擦角=14.34°。模型边坡中对于滑床应考虑选取容重、粘聚力和内摩擦角相对较大的替代材料，滑体应考虑选取容重、粘聚力和内摩擦角相对较小的替代材料。对表2中的配比进行不