降雨對炭質(zhì)泥巖?土分層路堤滲流與變形影響的模型試驗

付宏淵，陳鏡丞，曾鈴，邱祥

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降雨對炭質(zhì)泥巖?土分層路堤滲流與變形影響的模型試驗

付宏淵，陳鏡丞，曾鈴，邱祥

(長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙，410004)

為研究降雨入滲對炭質(zhì)泥巖?土分層路堤滲流特征與穩(wěn)定性的影響，基于室內(nèi)模型試驗，利用含水率、張力計、土壓力盒等測試元件，開展炭質(zhì)泥巖?土分層路堤滲流及變形特性對降雨響應的物理模型試驗。研究結(jié)果表明：在降雨條件下，邊坡內(nèi)部土體含水率(基質(zhì)吸力)的變化規(guī)律可以歸納為基本穩(wěn)定、快速增長(降低)、緩慢增加(降低)與持續(xù)降低(升高)共4個階段，分層填筑路堤中的低滲透性土層能降低雨水在高滲透性土層中的遷移速率；在降雨過程中，坡體內(nèi)部土體含水率的升高幅度與高程成反比，含水率的下降幅度與高程成正比，含水率的響應時間、升降幅度與距坡面的距離成反比，基質(zhì)吸力隨時間的變化規(guī)律與含水率隨時間的變化規(guī)律基本相反；降雨開始后，坡腳下部土體應力沿坡體內(nèi)部水平指向坡面的方向先增大后減小，坡頂水平位移沿坡體內(nèi)部水平指向坡面的方向、坡頂豎直位移沿豎直向下的方向持續(xù)增大，坡腳下部土體應力、坡頂位移的變化與邊坡穩(wěn)定性的變化具有較大的相關(guān)性。

分層路堤；模型試驗；降雨入滲；炭質(zhì)泥巖；滲流特性；變形特征

炭質(zhì)泥巖廣泛分布于我國西南部地區(qū)，由于其水理性強、易風化、強度低、變形大，在以往公路建設中常作為不良填料廢棄，但隨著我國高速公路建設的快速發(fā)展，很多地區(qū)適宜填料極為匱乏，從經(jīng)濟與環(huán)保2個方面考慮，利用炭質(zhì)泥巖進行路堤填筑勢在必 行[1?3]。目前，工程上常采用完全崩解后的炭質(zhì)泥巖與黏土分層交錯填筑路堤，其目的是利用低滲透性的優(yōu)質(zhì)填料對入滲雨水進行阻隔，以減少滲入炭質(zhì)泥巖層中的雨量，防止遇水后炭質(zhì)泥巖持續(xù)崩解，從而達到提高路堤穩(wěn)定性的目的[4?5]。雖然工程建設者在進行炭質(zhì)泥巖?土分層路堤施工時已經(jīng)較為保守、謹慎，但由于目前還沒有關(guān)于軟巖用于路堤填筑的相關(guān)規(guī)范，因此，只能按照土質(zhì)路堤填筑技術(shù)標準對炭質(zhì)泥巖層進行填筑控制。但經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，炭質(zhì)泥巖?土分層路堤在填筑后濕化變形現(xiàn)象明顯，甚至在個別路段發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象。造成炭質(zhì)泥巖?土分層路堤濕化變形的根本原因主要有以下2個方面[6?7]：1) 雨水進入崩解炭質(zhì)泥巖層后導致炭質(zhì)泥巖持續(xù)崩解，造成路堤填料強度劣化；2) 路堤內(nèi)部土體含水率升高，重度增大，導致路堤邊坡下滑力增大。由此可見，雨水是導致炭質(zhì)泥巖路堤變形的關(guān)鍵因素。如何從機理上分析炭質(zhì)泥巖?土分層路堤的失穩(wěn)，其重要前提是分析雨水在炭質(zhì)泥巖?土分層路堤內(nèi)部的滲流及變形特征，因為邊坡滲流與變形特征是反映其穩(wěn)定性的重要指標，而且分層交錯填筑形式是一種新型路堤結(jié)構(gòu)。目前，分層交錯填筑路堤在降雨條件下的滲流特征與穩(wěn)定性方面的研究成果報道很少。已有文獻在進行降雨入滲條件下邊坡變形分析時，一般采用以下幾種研究手段：

1) 在采用計算機語言對飽和?非飽和滲流數(shù)學模型進行程序化處理的基礎上，結(jié)合土體滲透系數(shù)、土水特征曲線、重度與抗剪強度等物理力學參數(shù)，分析邊坡降雨入滲過程及穩(wěn)定性的變化規(guī)律。采用此方法進行邊坡降雨入滲分析時，忽略了土體的非線性、各向異性、隨機性等特征，導致計算結(jié)果與實際情況存在較大差異[8?10]。

2) 通過位移與應力傳感器對不同降雨時刻坡體內(nèi)外變形與應力特征進行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果與工程經(jīng)驗對邊坡穩(wěn)定性進行評估。其評估結(jié)果因人而異，受人為因素的影響較大[11?14]。

3) 通過制作小比例邊坡模型，并在邊坡模型中埋設含水率及應力應變等測試元件，研究人工模擬降雨條件下邊坡內(nèi)部滲流與變形特征的時空響應規(guī)律，揭示邊坡雨水入滲及失穩(wěn)機理。

由于模型試驗方法具有模擬各種實際工況、便于觀測、節(jié)約試驗經(jīng)費等諸多優(yōu)點，因此，該方法在降雨條件下邊坡穩(wěn)定性研究方面得到了廣泛應用[15?17]。然而，目前已經(jīng)開展的邊坡降雨模型試驗中，存在邊坡模型較小、土質(zhì)單一、降雨及降雨停止后持續(xù)時間較短等特征，且坡體內(nèi)部含水特征、基質(zhì)吸力的觀測僅限于坡面附近土體[18?19]，未能全方位體現(xiàn)路堤邊坡內(nèi)部滲流及變形特性的時空演變規(guī)律。為全面認識降雨對炭質(zhì)泥巖?土分層填筑路堤滲流與變形特征的影響，分析黏土層的隔水效果，本文作者基于室內(nèi)模型試驗，利用含水率測試儀、張力計、土壓力盒、千分表等測試元件，對降雨條件下邊坡內(nèi)部含水率、基質(zhì)吸力、坡腳下部土體應力及坡頂位移的變化規(guī)律進行觀測，并在此基礎上，分析雨水的入滲過程、邊坡的失穩(wěn)機制及穩(wěn)定性的時空演化規(guī)律，以期為降雨條件下炭質(zhì)泥巖?土分層填筑路堤水分遷移及穩(wěn)定性的長期控制提供借鑒與參考。

1 炭質(zhì)泥巖?土分層路堤結(jié)構(gòu)基本情況

在建的廣西境內(nèi)六寨至河池高速公路將預崩解后的炭質(zhì)泥巖作為路堤填筑材料，如圖1所示。

炭質(zhì)泥巖與土的分層厚度按照每層40 cm進行控制。填筑前，在取料場地將較大體積的炭質(zhì)泥巖巖塊進行灑水崩解及人工干預破碎，使其填筑后滿足如表1所示路用性能的基本要求[20?21]。表1中分維數(shù)是立足于自相似性的，崩解炭質(zhì)泥巖的分維數(shù)計算式為

式中：ε為標度；N(ε)為在此標度下所得到的量度值；D為崩解炭質(zhì)泥巖的分維數(shù)。

表1 炭質(zhì)泥巖路堤填料路用指標

2 模型試驗相關(guān)參數(shù)及流程

2.1 模型試驗儀器與土體參數(shù)

降雨入滲模型試驗的路堤模型與試驗儀器如圖2所示。下面對本次試驗所用的降雨支架、降雨噴頭、增壓水泵、模型箱、含水率測試儀、陶瓷張力計、千分表、土壓力盒、土壓力盒固定架等主要試驗儀器的功能與參數(shù)進行介紹。路堤填料基本物理力學性質(zhì)見表2。

表2 路堤填料基本物理力學性質(zhì)

1) 降雨支架。由邊長為1.5 cm的方鋼焊接成長×寬×高為195 cm×100 cm×220 cm的框架結(jié)構(gòu)，其作用為固定降雨噴頭。

2) 降雨噴頭。型號為AZ?W?1/2?0.5W實習錐型噴嘴，最大流量為0.5 L/min，覆蓋半徑為30 cm，其作用為模擬降雨。

3) 增壓水泵。型號為FL?2202A噴霧隔膜泵，最大流量為3.8 L/min，其作用為給降雨噴頭增壓。

4) 模型箱。由1 cm厚鋼板焊接成長×寬×高為 175 cm×80 cm×110 cm的填土箱與長×寬×高為 10 cm×80 cm×45 cm的地下水位箱。填土箱用于填筑路堤模型，地下水位箱用于控制路堤模型初始地下水位。填土箱正面為1塊厚為2 cm的透明有機玻璃板，用于觀察模型填筑與降雨入滲情況。

1—降雨支架；2—臺式電腦；3—數(shù)據(jù)采集儀；4—蓄水箱；5—千分表支架；6—炭質(zhì)泥巖；7—粉質(zhì)黏土；8—模型箱；9—增壓水泵；10—含水率測試儀；11—陶瓷張力計；12—千分表；13—土壓力盒；14—降雨噴頭；15—土壓力盒固定架。

5) 含水率測試儀。型號為MP?406土壤水分傳感器，量程為0~50%，測試精度為±2%，用于測試路堤內(nèi)部土體含水率(注：本文中的所有含水率均為質(zhì)量分數(shù))。

6) 陶瓷張力計。型號為TEN?30土壤張力計，量程為0~100 kPa，測試精度為±1 kPa，用于測試路堤內(nèi)部土體基質(zhì)吸力。

7) 千分表。型號為三豐數(shù)顯千分表，量程為0~50.8 mm，測試精度為0.001 mm，用于測試坡頂水平位移與豎直位移。

8) 土壓力盒。型號為TYJ?20?0.1振弦式土壓力盒，量程為0~0.1 MPa，測試精度為±1.5%，用于測試坡腳下部應力。

9) 土壓力盒固定架：由1 cm厚鋼板焊接成長×寬×高為50 cm×25 cm×28 cm的倒“T”形結(jié)構(gòu)，用于固定土壓力盒。

2.2 模型試驗流程

本次模型試驗的流程可以概括為儀器調(diào)試、模型填筑、儀器布設與數(shù)據(jù)采集4個階段。

1) 儀器調(diào)試。首先，按照圖3(a)所示降雨噴頭布設平面圖在降雨支架頂部安裝降雨噴頭，調(diào)節(jié)降雨噴頭的噴射方向與噴射流量，使路堤模型的降雨強度達到12 mm/h，且降雨均勻性滿足95%的要求。然后，分別采用烘干法、真空抽氣法、液壓法對含水率測試儀、陶瓷張力計、土壓力盒進行標定，其目的是確保試驗過程中數(shù)據(jù)采集的準確性與精度。

(a) 降雨裝置；(b) 路堤裝置

2) 模型填筑。

①為防止模型填料中的砂礫損傷含水率測試儀探針與陶瓷張力計陶土頭，將粉質(zhì)黏土過1 mm圓孔篩、預崩解炭質(zhì)泥巖過5 mm圓孔篩后備用。

②按照比路堤填料最佳含水率大1%的目標含水率分別配置粉質(zhì)黏土與炭質(zhì)泥巖試樣后，燜料48 h，使路堤填料內(nèi)部水分擴散均勻。

③路堤模型與儀器布設立面圖見圖4。按照圖4所示結(jié)構(gòu)(地基部分為厚30 cm的砂土，路堤部分為厚20 cm的炭質(zhì)泥巖與粉質(zhì)黏土交錯填筑，包邊部分為厚15 cm的粉質(zhì)黏土)填筑路堤模型。為保證路堤模型的均勻性，每層填筑厚度為10 cm，靠近坡面附近土體先超填20 cm后反挖至目標位置。每填完一層路堤填料后，用環(huán)刀取該層路堤填料，通過酒精燃燒法測量其含水率與干密度，若含水率不滿足最佳含水率±1%，或干密度不滿足最大干密度±2%的要求，則挖出后重填，直到含水率與干密度滿足上述要求后，再進行下一層填筑。

單位：cm

④模型填筑完成后，通過地下水位箱調(diào)節(jié)路堤模型的地下水位至距模型底部10 cm高度處，同時，在路堤模型表面覆蓋一層薄膜，并靜置48 h，使路堤模型內(nèi)部水分重新平衡。

3) 儀器布設。

①地基部分填筑完成后，反挖土壓力盒固定架附近砂土，在確保土壓力盒受力面與固定架平行且與土體接觸的前提下，根據(jù)圖3(b)與圖4所示土壓力盒空間位置固定儀器，為了避免砂土中的粗顆粒導致土壓力盒出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，采用細砂土進行回填處理。

②第2，6，10和16號含水率測試儀在模型填筑完成后埋設，其余含水率測試儀在模型分層填筑過程中同步埋設。含水率測試儀的具體位置如圖3(b)與圖4所示。

③模型填筑完成后，按照圖3(b)與圖4所示張力計空間分布，用取土鉆在模型箱背面鉆取16個斜向下且與水平面成5°角的鉆孔，在鉆孔內(nèi)灌滿泥漿，插入張力計。

④降雨入滲開始前，用千分表支架將2個千分表固定在如圖3(b)與圖4所示位置，一支豎直向下，另一支水平指向坡面方向。

4) 數(shù)據(jù)采集。降雨入滲開始后，通過含水率測試儀、張力計、土壓力盒與千分表采集降雨條件下路堤模型內(nèi)部含水率、基質(zhì)吸力、坡腳下部應力與坡頂位移的變化規(guī)律。本次試驗共用時488 h，其中降雨持續(xù)時間為16 h，降雨停止后持續(xù)時間為472 h。在0~16 h內(nèi)，每間隔1 h采集1次各試驗儀器數(shù)據(jù)；在16~32 h內(nèi)，每間隔2 h采集1次；在32~152 h內(nèi)，每間隔8 h采集1次；在152~488 h內(nèi)，每間隔24 h采集1次。

3 模型試驗監(jiān)測結(jié)果分析

降雨期間，模型內(nèi)部各測點含水率、基質(zhì)吸力、坡腳下部應力、坡頂位移的變化速率較快，且降雨持續(xù)時間遠小于降雨停止后持續(xù)時間，為了便于分析、觀察模型試驗各測點監(jiān)測結(jié)果隨時間的變化規(guī)律，將時間坐標軸設置為對數(shù)坐標軸，時間坐標軸上1 h定義為降雨開始時間。此外，為了便于分析坡體內(nèi)部含水率、基質(zhì)吸力的響應特征，在模型內(nèi)部設置如圖4所示的4個特征截面：特征截面Ⅰ?Ⅰ(測點7，8，9和10號)位于距模型底部60 cm的水平面上；特征截面Ⅱ?Ⅱ(測點11，12，13，14，15和16號)位于距模型底部30 cm的水平面上；特征截面Ⅲ?Ⅲ(測點2，6，10和16號)位于沿坡面水平向內(nèi)7.5 cm且與之平行的平面上；特征截面Ⅳ?Ⅳ(測點1，4，9和14號)位于沿坡面水平向內(nèi)37.5 cm且與之平行的平面上。

3.1 路堤內(nèi)部含水率變化規(guī)律

在降雨條件下，特征截面Ⅰ?Ⅰ(測點7，8，9和10號)與Ⅱ?Ⅱ(測點11，12，13，14，15和16號)含水率隨時間的變化規(guī)律分別如圖5和圖6所示。分析圖5和圖6可知：

1) 降雨開始后，路堤內(nèi)部土體含水率的變化規(guī)律可以歸納為基本穩(wěn)定、快速增長、緩慢增加與持續(xù)降低4個階段。此外，由于粉質(zhì)黏土含水率增大至20.74%(0.8倍飽和含水率)、炭質(zhì)泥巖含水率增大至19.92%(0.7倍飽和含水率)所需時間較短，故本文將0.8 倍粉質(zhì)黏土飽和含水率與0.7倍炭質(zhì)泥巖飽和含水率定義為粉質(zhì)黏土與炭質(zhì)泥巖暫態(tài)飽和的界限。

1—測點7；2—測點8；3—測點9；4—測點10。

1—測點11；2—測點12；3—測點13；4—測點14；5—測點15；6—測點16。

2) 降雨期間，在同一水平面上，坡面附近土體(測點9，10，14，15和16)含水率依次升高，越靠近坡面的點，其含水率開始增大與進入暫態(tài)飽狀態(tài)的時間越早，緩慢增加階段的時間越長，增長的幅度越大，坡體內(nèi)部土體(測點7，8，14，15和16)含水率基本不變；降雨停止后，對于坡體內(nèi)部同一水平面上的土體(測點7，8，11，12和13)，距坡面越近，其含水率開始增大的時間越早，增長的幅度越大；坡面附近土體(測點9，10，14，15和16)含水率持續(xù)降低，越靠近坡面的點，其含水率下降幅度越大。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：在降雨條件下，在同一水平面上，雨水自坡面往坡體內(nèi)部逐漸滲入，雨水滲入某一位置后，該處土體中的大開口、聯(lián)通孔隙將被雨水迅速填充，之后，雨水將進一步緩慢地滲入到該處土體中的小開口、非聯(lián)通孔隙中，因此，距坡面越近，其含水率開始增加的時間越早、增長的幅度越大，當含水率升高時，存在快速增長與緩慢增加2個階段。降雨結(jié)束后，已經(jīng)滲入坡面附近土體內(nèi)的雨水在水力梯度與蒸發(fā)的雙重作用下，一方面，坡面附近土體內(nèi)的水分繼續(xù)往坡體內(nèi)部遷移，另一方面，坡面附近土體內(nèi)的雨水會產(chǎn)生相變蒸發(fā)至大氣中，故坡面附近土體含水率持續(xù)降低，坡體內(nèi)部土體含水率依次升高。

圖7和圖8所示分別為特征截面Ⅲ?Ⅲ(測點2，6，10和16號)與特征截面Ⅳ?Ⅳ(測點1，4，9和14號)含水率隨時間的變化規(guī)律。從圖7和圖8可知：

1—測點2；2—測點6；3—測點10；4—測點16。

1—測點1；2—測點4；3—測點9；4—測點14。

1) 在降雨條件下，雨水在基質(zhì)吸力梯度與重力梯度的聯(lián)合作用下，同時沿水平與豎直2個方向遷移，因此，降雨期間，距坡面等距離的土體含水率升高幅度與高程成反比，降雨停止后，距坡面等距離的土體含水率下降幅度與高程成正比。

2) 降雨開始后，雨水滲入模型內(nèi)部距坡面等距離的上層炭質(zhì)泥巖(測點4)、下層粉質(zhì)黏土(測點9)、下層炭質(zhì)泥巖(測點14)的時間基本一致，且遠早于滲入坡面等距離的上層粉質(zhì)黏土(測點1)的時間。其原因是：雨水在滲入距坡面等距離的上層粉質(zhì)黏土(測點1)時，只有沿水平方向的水分遷移，故其含水率的響應時間最晚；此外，雖然炭質(zhì)泥巖飽和滲透系數(shù)遠大于粉質(zhì)黏土飽和滲透系數(shù)(前者是后者的8.69倍)，但包邊粉質(zhì)黏土的存在使得每層土體內(nèi)滲入的雨水量基本一致，同時，炭質(zhì)泥巖與粉質(zhì)黏土之間基質(zhì)吸力梯度的存在也會改變雨水在炭質(zhì)泥巖內(nèi)部的遷移方向，降低雨水在炭質(zhì)泥巖內(nèi)部的遷移速度，因此，除上層粉質(zhì)黏土外，其余各層土體的雨水入滲速率基本一致。

3.2 路堤內(nèi)部基質(zhì)吸力變化規(guī)律

降雨開始后，特征截面Ⅰ?Ⅰ(測點7，8，9和10號)和Ⅳ?Ⅳ(測點1，4，9和14號)基質(zhì)吸力隨時間的變化規(guī)律分別如圖9和圖10所示。從圖9和圖10可以看出：

1) 降雨開始后，模型內(nèi)部土體基質(zhì)吸力的變化規(guī)律可以歸納為基本穩(wěn)定、快速降低、緩慢降低與持續(xù)升高個階段。

2) 在降雨條件下，在同一水平面上，坡體內(nèi)部土體基質(zhì)吸力的響應時間與距坡面的距離成正比，基質(zhì)吸力下降幅度、緩慢降低階段的時長、基質(zhì)吸力升高幅度均與距坡面的距離成反比；與坡面等距的同一平面上，基質(zhì)吸力下降幅度與高程成反比，基質(zhì)吸力升高幅度與高程成正比。

1—測點7；2—測點8；3—測點9；4—測點10。

1—測點1；2—測點4；3—測點9；4—測點14。

對比分析圖5與圖9、圖8與圖10可知：

1) 在降雨條件下，坡體內(nèi)部基質(zhì)吸力隨時間的變化規(guī)律與含水率隨時間的變化規(guī)律基本相反。究其原因是：土體的含水率越高，孔隙的填充度越大，土顆粒周圍的水膜越厚，水膜的表面張力越小，導致土體的基質(zhì)吸力越小。

2) 降雨期間，粉質(zhì)黏土層與炭質(zhì)泥巖層之間基質(zhì)吸力梯度的存在是導致不同土層之間雨水入滲速率基本一致的重要原因。

圖11和圖12所示分別為炭質(zhì)泥巖、粉質(zhì)黏土基質(zhì)吸力隨含水率的變化規(guī)律。從圖11和圖12可知：炭質(zhì)泥巖、粉質(zhì)黏土的基質(zhì)吸力與含水率成反比。通過對比土體測點基質(zhì)吸力與體積壓力板儀試驗結(jié)果可知：土體測點基質(zhì)吸力與體積壓力板儀試驗結(jié)果變化趨勢基本一致，兩者之間的偏差較小。這表明本次模型試驗所采用的含水率、基質(zhì)吸力測試儀器是可行的，相應的含水率、基質(zhì)吸力測試結(jié)果可靠。

圖11 炭質(zhì)泥巖基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系

圖12 粉質(zhì)黏土基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系

3.3 坡腳下部土體應力變化規(guī)律

降雨條件下坡腳下部應力的變化規(guī)律如圖13所示(以沿坡面水平指向坡體內(nèi)部為正)。由圖13可知：

1—測點17；2—測點18；3—測點19；4—測點20。

1) 在降雨條件下，距坡腳越近，坡腳下部土體應力的響應時間越早；在同一時刻，所對應的坡腳下部土體應力越大，坡腳下部土體應力的增長幅度、下降幅度均與距坡腳距離成反比。

2) 降雨開始后，坡腳下部土體應力沿坡體內(nèi)部水平指向坡面的方向先增大后減小，坡腳下部土體應力的峰值出現(xiàn)在降雨停止后一定時間內(nèi)(降雨停止后2 h)。出現(xiàn)該變化的原因是：在降雨條件下，雨水自坡面沿水平與豎直2個方向滲入坡體內(nèi)部，距坡腳越近，雨水滲入的時間越早，土體應力的響應時間越早；同時，過坡腳下部的邊坡潛在滑動面，其深度越小，土壓力(主應力和側(cè)應力)越小，穩(wěn)定性越低，受雨水滲入與蒸發(fā)的影響程度越大。降雨開始后，坡腳下部土體應力隨土體重度的增加與土體基質(zhì)吸力的喪失逐漸增大，降雨停止一段時間內(nèi)(降雨停止2 h內(nèi))，土體基質(zhì)吸力喪失引起邊坡穩(wěn)定性下降的幅度大于土體重度減小引起邊坡穩(wěn)定性增加的幅度，當降雨停止2 h后，坡腳下部土體應力隨土體重度的減小與土體基質(zhì)吸力的恢復持續(xù)減小。

3.4 坡頂位移變化規(guī)律

圖14所示為降雨開始后坡頂水平位移、豎直位移的變化規(guī)律(以豎直向上與沿坡面水平指向坡體內(nèi)部為正)。由圖14可知：

1—水平位移；2—垂直位移。

1) 在降雨條件下，坡頂水平位移沿著坡體內(nèi)部水平指向坡面的方向、坡頂豎直位移沿著豎直向下的方向持續(xù)增大。

2) 當降雨停止一段時間后(如降雨停止2 h)，坡頂水平位移與豎直位移均出現(xiàn)了拐點。其原因是：降雨開始后，隨著雨水入滲深度的不斷增大，坡面附近土體的含水率持續(xù)升高，基質(zhì)吸力逐漸喪失，導致邊坡的下滑力不斷增大，抗滑力持續(xù)減小，穩(wěn)定性逐漸降低；降雨停止后，坡面附近土體孔隙水在水力梯度的作用下繼續(xù)向坡體內(nèi)部遷移，坡體內(nèi)部土體基質(zhì)吸力持續(xù)降低，邊坡抗滑力不斷減小，同時，隨著坡面附近土體孔隙水的蒸發(fā)，坡面附近土體的含水率不斷減小，邊坡下滑力不斷減?。唤涤晖Ｖ挂欢〞r間內(nèi)(降雨停止2 h內(nèi))，邊坡抗滑力減小引起邊坡穩(wěn)定性下降的幅度大于邊坡下滑力減小起邊坡穩(wěn)定性增加的幅度；當降雨停止一定時間后(降雨停止2 h后)，雨水滲入邊坡土體引起邊坡潛在滑動面抗滑力減少導致邊坡穩(wěn)定性下降，但隨雨水的排出，土體重度減少，下滑力減少引起邊坡穩(wěn)定性提高的幅度比抗滑力減少引起穩(wěn)定性下降的幅度大。

4 討論

在降雨條件下，邊坡穩(wěn)定性最低的時間并不一定是降雨停止時間。若降雨停止時雨水的入滲深度小于邊坡潛在滑動面的深度，則降雨結(jié)束后，隨著雨水繼續(xù)下滲，邊坡潛在滑動面上基質(zhì)吸力喪失引起邊坡抗滑力下降的幅度可能大于水分蒸發(fā)引起邊坡下滑力增加的幅度，即邊坡安全系數(shù)的最低值可能在降雨停止后一定時間內(nèi)出現(xiàn)。另外，在選擇邊坡失穩(wěn)預警因子時，除降雨強度、降雨時間、位移等常規(guī)指標外，滲流特征(如含水率、基質(zhì)吸力)和應力狀態(tài)(如坡腳下部土體應力)與邊坡的穩(wěn)定性密切相關(guān)，引入滲流指標和關(guān)鍵部位力學指標作為邊坡失穩(wěn)預警因子十分必要。

5 結(jié)論

1) 在降雨入滲作用下，坡體內(nèi)部土體含水率的變化規(guī)律可以歸納為基本穩(wěn)定、快速增長、緩慢增加與持續(xù)降低4個階段，基質(zhì)吸力的變化規(guī)律可以歸納為基本穩(wěn)定、快速降低、緩慢降低與持續(xù)升高4個階段。分層填筑路堤中的低滲透性土層能降低雨水在高滲透性土層中遷移速率。

2) 在降雨期間，邊坡內(nèi)部土體高程越低、距坡面越近，土體含水率的升高幅度越大，基質(zhì)吸力的下降幅度越大，響應時間越早，形成暫態(tài)飽和區(qū)的時間也越早；降雨停止后，坡體內(nèi)部土體高程越高、距坡面越近，土體含水率的下降幅度越大，基質(zhì)吸力的升高幅度越大。

3) 降雨開始后，坡腳下部土體應力沿坡體內(nèi)部水平指向坡面的方向先增大后減小，其增長幅度、響應時間與距坡腳的距離成反比，坡頂水平位移沿坡體內(nèi)部水平指向坡面的方向、坡頂豎直位移沿豎直向下的方向持續(xù)增大。

4) 坡腳下部土體應力、坡頂位移是評價降雨入滲作用下邊坡穩(wěn)定性的重要指標，坡腳下部土體應力峰值、坡頂位移拐點的出現(xiàn)時間與邊坡潛在滑動面和降雨入滲深度具有較大的相關(guān)性。

[1] 曾鈴, 邱祥, 付宏淵, 等. 考慮損傷及非飽和效應的炭質(zhì)泥巖路堤穩(wěn)定性分析[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2016, 47(10): 3546?3554.ZENG Ling, QIU Xiang, FU Hongyuan, et al. Stability analysis of carbonaceous mudstone embankment considering damage and unsaturation effect[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2016, 47(10): 3546?3554.

[2] 曾鈴, 付宏淵, 賀煒, 等. 三軸CT條件下預崩解炭質(zhì)泥巖路堤填料的細觀試驗[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2014, 45(3): 925?931. ZENG Ling, FU Hongyuan, HE Wei, et al. Micro mechanical analysis of pre-disintegrating carbonaceous mudstone for embankment filling material based on triaxial CT test[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2014, 45(3): 925?931.

[3] ZENG Ling, BIAN Hanbing, SHI Zhenning, et al. Forming condition of transient saturated zone and its distribution in residual slope under rainfall conditions[J]. Journal of Central South University, 2017, 24(8): 1866?1880.

[4] 鄭明新, 袁釬, 涂文靖, 等. 考慮路堤分層填筑的沉降修正計算方法[J]. 土木工程學報, 2015, 48(S2): 274?278. ZHANG Mingxin, YUAN Qian, TU Wenjing, et al. A new method of settlement calculation for embankment with respect to layered construction[J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(S2): 274?278.

[5] 張銳, 鄭健龍. 公路膨脹土路堤濕度平衡規(guī)律研究[J]. 公路交通科技, 2013, 30(11): 24?32. ZHANG Rui, ZHENG Jianlong. Study on moisture equilibrium of highway expansive soil embankment[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2013, 30(11): 24?32.

[6] 杜秦文, 劉永軍, 曹周陽. 變質(zhì)軟巖路堤填料濕化變形規(guī)律研究[J]. 巖土力學, 2015, 36(1): 41?46. DU Qinwen, LIU Yongjun, CAO Zhouyang. Large-scale triaxial tests on metamorphic soft rock embankment filler for wetting deformation characteristics[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(1): 41?46.

[7] 遲世春, 周雄雄. 堆石料的濕化變形模型[J]. 巖土工程學報, 2017, 39(1): 48?55. CHI Shichun, ZHOU Xiongxiong. Slaking deformation model for rockfill materials[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(1): 48?55.

[8] 蔣中明, 曾鈴, 付宏淵, 等. 極端久雨條件下軟巖邊坡動態(tài)穩(wěn)定性分析[J]. 中國公路學報, 2014, 27(2): 28?34.JIANG Zhongming, ZENG Ling, FU Hongyuan, et al. Dynamic stability of soft rock slope due to extremely prolonged rainfall[J]. China Journal of Highway and Transport, 2014, 27(2): 28?34.

[9] 謝瑾榮, 周翠英, 程曄. 降雨條件下軟巖邊坡滲流?軟化分析方法及其災變機制[J]. 巖土力學, 2014, 35(1): 197?203.XIE Jinrong, ZHOU Cuiying, CHENG Ye. Method of Seepage-softening analysis and disaster mechanism in soft rock slope under rainfall[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(1): 197?203.

[10] SEBOONG O H, NING Lu. Slope stability analysis under unsaturated conditions: case studies of rainfall-induced failure of cut slopes[J]. Engineering Geology, 2015, 184: 96?103.

[11] 周中, 傅鶴林, 劉寶琛, 等. 堆積層邊坡人工降雨致滑的原位監(jiān)測試驗研究[J]. 中國鐵道科學, 2006, 27(4): 11?16.ZHOU Zhong, FU Helin, LIU Baochen, et al. In-situ monitoring test study on artificial rainfall infiltration of a well-instrumented accumulation slope[J]. China Railway Science, 2006, 27(4): 11?16.

[12] 李萍, 李同錄, 王阿丹, 等. 黃土中水分遷移規(guī)律現(xiàn)場試驗研究[J]. 巖土力學, 2013, 34(5): 1331?1339.LI Ping, LI Tonglu, WANG Adan, et al. In-situ test research on regularities of water migration in loess[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(5): 1331?1339.

[13] 劉海松, 倪萬魁, 楊泓全, 等. 黃土路基降雨入滲現(xiàn)場試驗[J]. 地球科學與環(huán)境學報, 2008, 30(1): 60?63.LIU Haisong, NI Wankui, YANG Hongquan, et al. Site test on infiltration of loess subgrade under rainfall circumstance[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2008, 30(1): 60?63.

[14] 孔令偉, 陳建斌, 郭愛國, 等. 大氣作用下膨脹土邊坡的現(xiàn)場響應試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2007, 29(7): 1065?1073.KONG Lingwei, CHEN Jianbin, GUO Aiguo, et al. Field response tests on expansive soil slopes under atmosphere[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(7): 1065?1073.

[15] 李龍起, 羅書學, 王運超, 等. 不同降雨條件下順層邊坡力學響應模型試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2014, 33(4): 755?762.LI Longqi, LUO Shuxue, WANG Yunchao, et al. Model tests for mechanical response of bedding rock slope under different rainfall conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(4): 755?762.

[16] 占清華, 王世梅, 談云志, 等. 降雨及庫水作用對滑坡影響規(guī)律試驗系統(tǒng)研究[J]. 長江科學院院報, 2013, 30(11): 32?38.ZHAN Qinghua, WANG Shimei, TAN Yunzhi, et al. Test system for landslide caused by rainfall and reservoir water fluctuation[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2013, 30(11): 32?38.

[17] 李龍起, 羅書學, 魏文凱, 等. 降雨入滲對含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡性狀影響的模型試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(9): 1772?1778.LI Longqi, LUO Shuxue, WEI Wenkai, et al. Model Tests of rainfall infiltration effect on bedding rock slope with weak interlayer[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(9): 1772?1778.

[18] 李煥強, 孫紅月, 孫新民, 等. 降雨入滲對邊坡性狀影響的模型實驗研究[J]. 巖土工程學報, 2009, 31(4): 589?594.LI Huanqiang, SUN Hongyue, SUN Xinmin, et al. Influence of rainfall infiltration on slopes by physical model test[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(4): 589?594.

[19] DAHAL R K, HASEGAWA S, YAMANAKA M. Comparative analysis of contributing parameters for rainfall-triggered landslides in the Lesser Himalaya of Nepal[J]. Environment Geology, 2009, 58: 567?586.

[20] 羅根傳, 付宏淵, 賀煒. 炭質(zhì)頁巖崩解特性的試驗研究[J]. 中外公路, 2012, 32(3): 309?311.LUO Genchuan, FU Hongyuan, HE Wei. Study on Disintegration characteristics of carbonaceous shale[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2012, 32(3): 309?311.

[21] 羅根傳, 付宏淵, 賀煒. 預崩解處理后炭質(zhì)泥巖路用性能試驗研究[J]. 中外公路, 2012, 32(1): 34?37.LUO Genchuan, FU Hongyuan, HE Wei. Study on pavement performance of carbon mudstone after pre-processing disintegration[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2012, 32(1): 34?37.

(編輯 陳燦華)

Model test on effect of rainfall on seepage and deformation of carbonaceous mudstone-soil stratified embankment

FU Hongyuan, CHEN Jingcheng, ZENG Ling, QIU Xiang

(School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)

In order to study the effect of rainfall infiltration on seepage characteristics and stability of carbonaceous mudstone-soil stratified embankment, physical model test of carbonaceous mudstone-soil stratified embankment under rainfall condition was carried out based on indoor model test method. In this test, water quality tester, tension meter, earth pressure box and dial gauge were used. The results show that under condition of rainfall, the variation laws of soil water content inside the slope (matrix suction) can be summarized into four stages, i.e. basic stability, rapid increase (decrease), slow increase (decrease) and continuous decrease (increase). The low-permeability soil in stratified embankment can reduce the migration rate of rainwater in high permeability soil. During the rainfall process, the increase of soil water content in the slope is inversely proportional to the elevation and the decrease of soil water content is proportional to the elevation. The response time and amplitude of soil water content are inversely proportional to the distance from slope surface. The change law of matrix suction with time is basically opposite to that of water content. When rainfall begins, the soil thrust under slope foot first increase in the direction of pointing horizontally to slope surface along the inside of slope, and then decreases. The horizontal displacement of slope top increase in the direction of pointing horizontally to slope surface and vertical displacement of slope top continuously increase along the vertical downward direction. The change of thrust under slope foot and displacement of slope top have a great correlation with the slope stability.

stratified embankment; model experiment; rainfall infiltration; carbonaceous mudstone; seepage characteristics; deformation characteristics

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.027

TU416

A

1672?7207(2018)11?2852?09

2017?12?11；

2018?03?02

國家自然科學基金資助項目(51578079，51678074，51838001，51878070) (Projects(51578079, 51678074, 51838001, 51878070) supported by the National Natural Science Foundation of China)

曾鈴，博士，副教授，從事巖土工程、道路工程研究；E-mail: zlbingqing3@126.com