降雨條件下加筋對(duì)土質(zhì)邊坡破壞模式影響試驗(yàn)研究

王丙龍 潘昌樹

(1.重慶川東南地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶 400038; 2.重慶市高新工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 401121)

邊坡是自然或人工形成的斜坡，是人類工程活動(dòng)中最基本的地質(zhì)環(huán)境之一，也是工程建設(shè)中最常見的一種工程形式。邊坡的存在常伴有一定的安全隱患，在外界作用下會(huì)發(fā)生滑坡事故，若不及時(shí)處理會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。眾多誘因中降雨作用占據(jù)主導(dǎo)地位，同時(shí)土質(zhì)邊坡受雨水作用非常明顯。為此諸多學(xué)者對(duì)降雨工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。如Jing[1]、左自波[2]、林鴻州[3]等人通過室內(nèi)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)濕潤(rùn)鋒形成后，土體的體積含水率和孔隙水壓力均表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)而基質(zhì)吸力呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；且不同級(jí)配邊坡的破壞模式不同，含石量越小，土體顆粒流失量越大，滑裂面也越為明顯。Jing[4]、王亮[5]、沈水進(jìn)[6]、徐憲立[7]等人通過沖刷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)速會(huì)嚴(yán)重影響雨水在坡面的侵蝕程度，坡面徑流與雨水入滲共同造成了邊坡的破壞。金怡軒[8]、何忠明[9]、曾鈴[10]等人通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)隨著非飽和帶深度的增加，土壤的孔隙水壓力逐漸增大；且孔壓在降雨入滲階段逐漸增大，在停止降雨后逐漸恢復(fù)。

由于邊坡易在外界作用下發(fā)生破壞，可在坡體內(nèi)加入加筋材料或修建擋土墻[11,12]，以提高邊坡的穩(wěn)定。因此王志斌[13]、李永華[14]等人采用土工格柵對(duì)邊坡進(jìn)行加固，發(fā)現(xiàn)土體經(jīng)加固后其承載力顯著增大，且邊坡坡度越小、筋帶密度越大，則邊坡的變形越小。以上研究相對(duì)比較單一，并未將降雨工況與加筋加固相結(jié)合。

基于此，本文采用自行研制的模型試驗(yàn)裝置，通過改變雨強(qiáng)大小及筋帶密度對(duì)加筋邊坡進(jìn)行研究，為加筋邊坡的防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為自行研制的模型試驗(yàn)裝置，包括降雨裝置、模型槽以及高分辨率攝像機(jī)，為便于觀察邊坡的變化情況，整個(gè)模型槽由透明亞克力板制成。模型試驗(yàn)裝置的示意圖如圖1所示，該裝置既可觀察邊坡坡面的宏觀侵蝕情況，也可觀測(cè)側(cè)面濕潤(rùn)鋒的變化情況。

1.2 試驗(yàn)材料

采用重慶科技學(xué)院附近某邊坡的現(xiàn)狀土作為模型試驗(yàn)的試驗(yàn)土。通過室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得試驗(yàn)用土的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。經(jīng)敬小非[15]、趙一姝[16]等人研究，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維窗紗具有良好的加筋效果，故本研究采用玻璃纖維作為加筋材料對(duì)土質(zhì)邊坡進(jìn)行加固。

表1 試驗(yàn)土的主要物理性質(zhì)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)方案

邊坡的模型尺寸為45 cm×35 cm×20 cm，坡度為45°，分別在三種降雨強(qiáng)度、三種加筋密度條件下開展9組模型試驗(yàn)。根據(jù)重慶地區(qū)10年一遇、50年一遇、100年一遇的降雨情況，將雨強(qiáng)定為50 mm/d,115 mm/d,262 mm/d三種，筋帶密度分別為1層、2層、3層，具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 濕潤(rùn)鋒變化情況

由于邊坡土壤成非飽和狀態(tài)，因此在降雨過程中雨水會(huì)逐漸滲入土體，并逐漸使土體飽和化。雨水入滲過程中會(huì)出現(xiàn)一條干濕分明的分界線，稱為濕潤(rùn)鋒。濕潤(rùn)鋒的變化情況能很好的反映雨水的入滲過程，因此有必要對(duì)濕潤(rùn)鋒進(jìn)行分析。

圖2為加筋邊坡在不同降雨強(qiáng)度作用下的濕潤(rùn)鋒變化情況。濕潤(rùn)鋒深度為濕潤(rùn)部分垂直于坡面中部的濕潤(rùn)長(zhǎng)度。如圖2所示，在相同加筋條件下，濕潤(rùn)鋒入滲深度隨雨強(qiáng)的增大而增加；相同雨強(qiáng)條件下，濕潤(rùn)鋒的入滲深度隨筋帶密度的增加而減小；說明雨強(qiáng)越大邊坡更容易發(fā)生破壞，筋帶的增設(shè)使顆粒與顆粒間的咬合力增強(qiáng)，從而使其抵抗雨水軟化作用的能力增大，雨水在筋帶處的下滲受到筋帶的限制，故濕潤(rùn)鋒下滲深度隨筋帶密度的增大而減小。

從圖2中還可以看出，在相同的降雨強(qiáng)度下，邊坡的筋帶越多，雨水的入滲速率越慢。降雨初期，雨水入滲速度最快，隨著降雨持續(xù)，雨水入滲速度越來越慢，而且入滲速度減慢的速率隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減小。這是因?yàn)榻涤瓿跗?，土壤處于非飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力較大，而隨著雨水的持續(xù)入滲，土壤逐漸由非飽和土轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡屯?，基質(zhì)吸力逐漸降低，故吸收雨水的能力逐漸減弱。而且從圖中還發(fā)現(xiàn)降雨結(jié)束時(shí)，盡管降雨強(qiáng)度不同，但是雨水的入滲速度幾乎都為零。這是因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)束時(shí)，滲流水已浸入坡體大半以上，此時(shí)雨水更多的以徑流的形式存在于坡面，而下滲的量相對(duì)較少。

2.2 坡面侵蝕情況

當(dāng)雨量小于土壤的滲透系數(shù)時(shí)，雨水會(huì)全部滲入土體；而當(dāng)雨量大于土壤的滲透系數(shù)時(shí)，雨水部分以滲流水的形式滲入土體，部分以徑流的形式存在于坡面，且雨量越大，徑流量越大、滲流量越小。而坡面徑流會(huì)對(duì)坡面進(jìn)行沖刷侵蝕，造成坡面破壞，它是邊坡土壤流失的主要施力者。

圖3是加筋邊坡(N=1)在115 mm/d的雨強(qiáng)作用下，其坡面破壞程度隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出降雨對(duì)邊坡的破壞首先是從坡腳開始的，在持續(xù)降雨下，坡腳很容易被沖刷，坡腳的粘土被雨水沖走，造成水土流失。這是因?yàn)槠旅娴膹搅魉罱K都會(huì)流向坡腳，此處土壤遭受水的軟化作用最為明顯，在水的作用下，土壤間的分子作用力逐漸喪失，從而破壞土骨架，當(dāng)土骨架遭受破壞后，土體便會(huì)發(fā)生垮塌。當(dāng)坡腳土體垮塌后便會(huì)形成空腔，上部土體在重力作用、徑流沖刷作用下依次發(fā)生垮塌，從而形成如圖所示的牽引式破壞現(xiàn)象。

圖4為115 mm/d雨強(qiáng)作用下，不同加筋密度邊坡在50 min時(shí)的坡面破壞程度。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在降雨強(qiáng)度及歷時(shí)相同的條件下，坡面的破壞程度隨筋帶數(shù)量的增加而減小。說明筋帶的布設(shè)很好地改善了邊坡的穩(wěn)定性。通過記錄加筋邊坡出現(xiàn)裂縫時(shí)的時(shí)間發(fā)現(xiàn)，一層、兩層、三層筋帶加筋邊坡的裂縫出現(xiàn)時(shí)刻分別為6 min,7 min,9 min。說明加筋邊坡在降雨作用下產(chǎn)生裂縫的時(shí)候隨筋帶密度的增加而增大。

3 結(jié)語

1)降雨強(qiáng)度越大，徑流量越大，坡面遭受的沖刷作用越為明顯，其破壞程度越大；筋帶密度越大，邊坡的穩(wěn)定性越強(qiáng)，抵抗雨水作用的能力越大。2)無論雨強(qiáng)多大、筋帶密度多大，邊坡的破壞總是從坡腳開始，逐漸往上部發(fā)展，呈現(xiàn)出“牽引式”破壞現(xiàn)象。3)雨強(qiáng)越大，筋帶密度越小，濕潤(rùn)鋒的下滲速率越大；整個(gè)降雨過程中濕潤(rùn)鋒的變化由快到慢。