降雨入滲對紅粘土邊坡穩(wěn)定性影響參數(shù)取值研究

鄭 英

0 引言

紅粘土系碳酸鹽類巖石經(jīng)過紅土化作用形成的高塑性粘土，在我國南方分布極為廣泛［1，2］，其工程特性具有明顯地域性。紅粘土由于其高液限、一定的崩解性和弱膨脹性，工程中通常將其歸類為不良土。就邊坡工程而言，紅粘土不良性質(zhì)包括兩個(gè)面:一是紅粘土通常呈現(xiàn)出上硬下軟的空間分布，對邊坡穩(wěn)定性不利;二是紅粘土不均勻收縮變形及收縮開裂特性，會(huì)誘發(fā)邊坡淺層溜坍破壞。而在降雨作用下，上述不良工程性質(zhì)將顯得尤為突出。

降雨產(chǎn)生的坡面沖刷以及入滲引發(fā)的土體力學(xué)性質(zhì)變化對邊坡的穩(wěn)定性影響非常顯著。對此，眾多學(xué)者對降雨入滲情況下邊坡穩(wěn)定性分析開展了大量研究工作。根據(jù)目前國內(nèi)外文獻(xiàn)來看，上述研究工作主要集中在兩方面:一是利用統(tǒng)計(jì)方法建立降雨與滑坡的相互關(guān)系，并據(jù)此預(yù)測某種降雨條件下邊坡是否會(huì)發(fā)生滑坡［3，4］;二是研究雨水入滲引發(fā)滑坡的物理過程，建立相應(yīng)的分析模型，然后利用數(shù)值方法、極限平衡方法等分析雨水入滲后邊坡的穩(wěn)定性，并對各影響因素進(jìn)行分析［5－7］。由于統(tǒng)計(jì)方面的工作未能揭示降雨導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的本質(zhì)，故近年來更多的學(xué)者致力于后者理論研究。理論研究能綜合考慮邊坡幾何屬性、材料屬性、降雨屬性及邊坡的水文地質(zhì)植被等情況，其分析模型正逐步完善，但上述分析模型中的參數(shù)取值相對缺乏深入研究［8］。

針對上述情況，本文在湖南某高速公路選取一典型紅粘土邊坡，開展不同強(qiáng)度的人工降雨試驗(yàn)，并通過室內(nèi)的物理力學(xué)試驗(yàn)，分析降雨入滲對紅粘土主要力學(xué)參數(shù)，即粘聚力及內(nèi)摩擦角的影響，從而為降雨條件下紅粘土邊坡穩(wěn)定性分析的參數(shù)取值提供參考。

1 現(xiàn)場邊坡沖刷試驗(yàn)及取樣

試驗(yàn)邊坡坡度1∶1，坡高15 m，試驗(yàn)坡面面積為100 m2(10 m×10 m)，如圖1、圖2所示。試驗(yàn)周邊采用防水隔板與其余邊坡土體隔開，已形成試驗(yàn)邊界，其中各防水板插入土中0.8 m確保降雨不直接流失。此外在坡腳設(shè)置集水溝，采用磚砌，深度300 mm，寬度300 mm，混凝土防水砂漿抹面，并設(shè)置坡度2%，以利于排水。端部設(shè)置水箱用來收集坡面徑流量，尺寸 2 m×2 m，深度0.8 m，磚砌，防水砂漿抹面外側(cè)底部設(shè)置排水口，排水口安裝流量表以測定地表徑流水量。

圖1 紅粘土邊坡降雨試驗(yàn)?zāi)M圖

圖2 雨水沖刷試驗(yàn)場地

人工模擬降雨裝置由供水系統(tǒng)、水管、噴頭以組成，其坡面俯視圖如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)由腳手支架支撐于坡面之上，噴頭間距1 m，9排9列共81個(gè)，每個(gè)噴頭都有單獨(dú)閥門控制，通過調(diào)節(jié)開啟噴頭閥門的數(shù)量來調(diào)節(jié)雨量。每路管線末端都裝有球閥，供試驗(yàn)前排空氣體。

圖3 降雨模擬裝置示意圖

降雨強(qiáng)度由通道的流量表讀數(shù)作為總降雨量，降雨總量除以試驗(yàn)區(qū)面積即為降雨強(qiáng)度。雨量大小通過調(diào)節(jié)開啟噴頭的數(shù)目來實(shí)現(xiàn)，分別模擬中雨、大雨、暴雨三種不同的降雨形式。

一次降雨時(shí)間為48 h·d，控制日平均降雨量，在停雨間歇期進(jìn)行土體取樣，取樣深度為邊坡表層以下50 cm。

2 直剪試驗(yàn)

同一降雨量下的土樣制備為3個(gè)，首先對三種不同降雨量情況下的土樣含水量進(jìn)行測定，結(jié)果對應(yīng)于中雨、大雨、暴雨，含水量分別為20%、25%和30%(均為平均含水量)。其次，開展不同擊實(shí)(即不同密度)下的直剪試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出了不同含水量、不同密度情況下紅粘土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)。其中，含水量對不同密度紅粘土粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響分別見圖4和圖5。

圖4 含水量對粘聚力影響曲線

圖5 含水量對摩擦角影響曲線

由圖4可知，隨著含水量的增大，紅粘土粘聚力總體上呈減小趨勢。尤其是當(dāng)土樣較為密實(shí)時(shí)(15擊)，這一趨勢更為明顯。而由圖5可知，隨著含水量的增大，紅粘土內(nèi)摩擦角變化規(guī)律不明顯。內(nèi)摩擦角主要在19°到27°之間。

圖6為密實(shí)度對紅粘土力學(xué)參數(shù)的影響，由圖可知，密實(shí)度對紅粘土抗剪強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在粘聚力上，隨著密度的增大，紅粘土粘聚力顯著增大，表明適當(dāng)壓實(shí)可提高邊坡穩(wěn)定性。

圖6 密度對粘聚力的影響

3 三軸試驗(yàn)

為進(jìn)一步分析不同降雨量下紅粘土強(qiáng)度的變化規(guī)律，分別對9個(gè)試驗(yàn)開展了三軸試驗(yàn)。圖7、圖8為三軸試驗(yàn)結(jié)果，由圖可明顯看出，降雨入滲對紅粘土的整體強(qiáng)度有著明顯的弱化效應(yīng)，隨著含水量的增加，其強(qiáng)度明顯降低，中雨與暴雨情況下土體抗剪強(qiáng)度降低了31.6%(平均值)。

圖7 擊數(shù)15試樣三軸試驗(yàn)測試曲線

圖8 擊數(shù)2試樣三軸試驗(yàn)測試曲線

圖9 含水量對粘聚力影響曲線

圖10 含水量對摩擦角影響曲線

圖9、圖10分別為三軸試驗(yàn)下含水量對基本參數(shù)的影響。當(dāng)紅粘土試樣密度較小(2擊)時(shí)，粘聚力均較小，在10 kPa左右，含水量對粘聚力的影響不明顯;而當(dāng)紅粘土試樣密度較大(15擊)時(shí)，粘聚力隨含水量變化而變化趨勢明顯，其趨勢為粘聚力隨含水量的增加顯著減小。由不同密度的試驗(yàn)結(jié)果可得，隨著含水量的增大，紅粘土粘聚力總體上呈減小趨勢，尤其是當(dāng)土樣密實(shí)時(shí)，這一趨勢明顯。

4 結(jié)論

為探究雨水入滲后邊坡紅粘土抗剪強(qiáng)度的變化，依據(jù)現(xiàn)場沖刷試驗(yàn)取樣，設(shè)計(jì)了不同密度、不同含水量的紅粘土的直剪試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)。兩種試驗(yàn)的結(jié)果相互印證，并獲得如下幾點(diǎn)認(rèn)識:

1)雨水入滲造成紅粘土整體強(qiáng)度降低，降雨量對紅粘土強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為紅粘土粘聚力的減小。

2)紅粘土的密實(shí)程度對其抗剪強(qiáng)度的減弱存在影響，即紅粘土較松散時(shí)，降雨量的變化對粘聚力的改變不大;而紅粘土密實(shí)時(shí)，隨著降雨量的增大粘聚力顯著減小。表明對邊坡進(jìn)行適當(dāng)壓實(shí)，可提高紅粘土邊坡穩(wěn)定性。

3)同樣降雨條件下，紅粘土內(nèi)摩擦角隨密度的變化不大;而相同密實(shí)度情況下，紅粘土內(nèi)摩擦角隨含水量的增加略有減小。

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