降雨條件下動(dòng)力荷載對(duì)邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定的影響研究

王曉琪

(本溪泓源供水有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117000)

1 概 述

在巖土工程領(lǐng)域中，邊坡穩(wěn)定性一直是備受關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一，邊坡工程在工程實(shí)際中也占據(jù)著非常重要的地位。隨著工程建設(shè)的迅猛發(fā)展，邊坡失穩(wěn)破壞問(wèn)題日益凸顯，因此許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)各種方法開(kāi)展了對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究工作。例如，Modesto D[1]等利用模型試驗(yàn)，分析研究不同降雨條件下邊坡坡體內(nèi)部孔隙水壓力變化規(guī)律；Montrasio L[2]等基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，總結(jié)了在降雨條件下邊坡內(nèi)部的基質(zhì)吸力分布規(guī)律；Courage[3]基于振動(dòng)理論，利用Hankel變換和Fourier反變換，研究路基路面的臨界動(dòng)荷載；Drosner S[4]把分布荷載代替車(chē)輛荷載，利用傅里葉變換，研究移動(dòng)荷載下路基的動(dòng)力響應(yīng)；Hunt H[5]通過(guò)坐標(biāo)變換，將無(wú)限長(zhǎng)梁作為研究對(duì)象，利用移動(dòng)集中荷載模擬列車(chē)運(yùn)行，研究移動(dòng)荷載下的響應(yīng)解；Jones C[6]等利用積分變換，通過(guò)數(shù)值求解方法，研究移動(dòng)荷載下彈性半空間地基的動(dòng)力響應(yīng)特征；Marcondes J[7]等基于Winkler地基模型，計(jì)算分析移動(dòng)荷載下無(wú)限大薄板的動(dòng)力響應(yīng)與恒載作用的差異；鐘陽(yáng)[8]利用拉普拉斯-漢克爾積分變換，通過(guò)矩陣?yán)碚?，研究彈性半空間路基的動(dòng)力響應(yīng)理論解；華政輝[9]利用模型試驗(yàn)，進(jìn)行循環(huán)荷載加載試驗(yàn)，研究移動(dòng)荷載作用下路基的動(dòng)力響應(yīng)特征；劉鋼[10]通過(guò)動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)，構(gòu)筑大型路基模型，研究路基不同位置的應(yīng)力分布情況；冷伍明[11]結(jié)合某項(xiàng)目工程，采用模型試驗(yàn)的方法，研究分析在動(dòng)力荷載作用下路基的動(dòng)力響應(yīng)特征。

綜上可知，目前現(xiàn)有研究多針對(duì)于僅在動(dòng)力荷載作用或降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性研究，存在一定的不足。因此，本文基于相似理論，通過(guò)模型試驗(yàn)，研究降雨條件下動(dòng)力荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，以期為現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定性研究分析提供參考。

2 動(dòng)力荷載下邊坡穩(wěn)定性模型試驗(yàn)

2.1 工程概況及相似比

本研究結(jié)合我國(guó)某地區(qū)公路工程，取一具有代表性的路堤橫斷面作為研究對(duì)象，基于相似理論，采用相似比1∶40，選取重度相似比為1∶1，其余物理量綱通過(guò)推導(dǎo)可得到，見(jiàn)表1。

表1 模型試驗(yàn)物理量綱

2.2 試驗(yàn)土體物理力學(xué)參數(shù)

從工程現(xiàn)場(chǎng)人工取土作為試驗(yàn)土樣，通過(guò)一系列土工試驗(yàn)可知，該土為粗粒土，其重度為18 kN·m-3，飽和滲透系數(shù)為1.50×10-6m·s-1，黏聚力為17 kPa，內(nèi)摩擦角為30°，其他物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)土物理力學(xué)參數(shù)

2.3 試驗(yàn)方案

為了探究降雨條件下動(dòng)力荷載對(duì)邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定的影響，本研究使用一種動(dòng)力荷載模擬裝置(圖1)，分別采用基質(zhì)吸力傳感器、體積含水率傳感器以及土壓力盒監(jiān)測(cè)邊坡內(nèi)部負(fù)孔隙水壓力、體積含水率和土壓力變化規(guī)律，其具體布置見(jiàn)圖2。

圖1 動(dòng)力荷載模擬裝置圖

圖2 路堤模型傳感器布置圖(單位：cm)

2.4 試驗(yàn)步驟

本研究通過(guò)分層填筑法進(jìn)行模型試驗(yàn)邊坡的填筑，壓實(shí)度控制在85%，降雨強(qiáng)度按照1.74×10-4mm/s模擬現(xiàn)實(shí)降雨條件，降雨時(shí)長(zhǎng)為12 h，其動(dòng)力加載條件按照表3模擬現(xiàn)實(shí)交通荷載。通過(guò)對(duì)比不同加載方式下邊坡內(nèi)部負(fù)孔隙水壓力、體積含水率和土壓力變化規(guī)律，探究降雨作用與動(dòng)力荷載耦合作用下邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究。見(jiàn)圖3。

表3 試驗(yàn)加載方案

圖3 模型試驗(yàn)過(guò)程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 路堤模型試驗(yàn)基質(zhì)吸力分布規(guī)律

土體中由于基質(zhì)吸力的存在，在一定程度上提升了土體的抗剪強(qiáng)度，使邊坡整體保持一定的穩(wěn)定性。但基質(zhì)吸力的大小與土體含水率有關(guān)，且在降雨條件和動(dòng)力荷載作用下，邊坡內(nèi)部形成雨水滲流，導(dǎo)致邊坡土體內(nèi)部的孔隙水壓力慢慢增大，而基質(zhì)吸力逐漸減小，從而導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度減弱，直接對(duì)邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定造成影響。圖4為降雨作用與動(dòng)力荷載耦合作用下，邊坡基質(zhì)吸力(負(fù)孔隙水壓力)隨降雨歷時(shí)變化的變化曲線。

圖4 路堤試驗(yàn)基質(zhì)吸力分布規(guī)律圖

由圖4路堤試驗(yàn)基質(zhì)吸力分布規(guī)律圖可知，隨著降雨歷時(shí)的增加，路堤邊坡土體的基質(zhì)吸力(負(fù)孔隙水壓力)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。其中，處于坡表的基質(zhì)吸力傳感器響應(yīng)最快，其對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力減小速率較快；而邊坡內(nèi)部的基質(zhì)吸力傳感器響應(yīng)最快，其對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力減小速率較慢。埋設(shè)于邊坡表面的基質(zhì)吸力測(cè)點(diǎn)1-測(cè)點(diǎn)5，在降雨歷時(shí)3～5 h內(nèi)，其基質(zhì)吸力逐漸減小至0 kPa，即意味著基質(zhì)吸力全部喪失，基質(zhì)吸力減小速率表現(xiàn)為：測(cè)點(diǎn)1>測(cè)點(diǎn)2>測(cè)點(diǎn)3>測(cè)點(diǎn)4>測(cè)點(diǎn)5；而埋設(shè)于邊坡內(nèi)部的基質(zhì)吸力測(cè)點(diǎn)6-測(cè)點(diǎn)9，在降雨歷時(shí)7～10 h內(nèi)，其基質(zhì)吸力逐漸減小至0 kPa，減小速率表現(xiàn)為：測(cè)點(diǎn)6>測(cè)點(diǎn)7>測(cè)點(diǎn)8>測(cè)點(diǎn)9；相較于上述測(cè)點(diǎn)，位于邊坡深處的測(cè)點(diǎn)10，在降雨歷時(shí)12 h內(nèi)，其基質(zhì)吸力由53 kPa逐漸減小至17 kPa。

分析上述變化規(guī)律認(rèn)為，在降雨條件和動(dòng)力荷載作用下，雨水經(jīng)由邊坡表面向內(nèi)部入滲，由于試驗(yàn)土體為粗顆粒土，因此隨著雨水的不斷入滲，粗粒土之間的骨架空隙逐漸被雨水填充，使土顆粒間基質(zhì)吸力開(kāi)始逐漸減小。伴隨著降雨作用的不斷持續(xù)，雨水由邊坡淺層逐步向邊坡深處遷移，邊坡內(nèi)部基質(zhì)吸力傳感器開(kāi)始得到反饋，呈現(xiàn)出基質(zhì)吸力逐漸減小的趨勢(shì)。加之模型試驗(yàn)通過(guò)動(dòng)力模擬裝置代替實(shí)際交通荷載作用，使邊坡頂部土體孔隙率受到動(dòng)力荷載的作用而變小，即坡頂土體表現(xiàn)得更為密實(shí)。因此，坡表徑流在坡頂處雨水入滲量較少，大部分沿著邊坡表面流向坡腳，使坡腳處土體入滲情況較為嚴(yán)重。通過(guò)基質(zhì)吸力傳感器響應(yīng)情況亦可看出，坡腳處的基質(zhì)吸力減小速率相比于坡頂較快。此外，降雨歷時(shí)達(dá)到12 h后，由于雨水入滲受時(shí)間與延拓深度限制，所以測(cè)點(diǎn)10的基質(zhì)吸力并未完全喪失，這也說(shuō)明土體基質(zhì)吸力的大小、減小速率與土體深度有關(guān)。

3.2 路堤模型試驗(yàn)體積含水率分布規(guī)律

本研究采用體積含水率測(cè)定邊坡土體內(nèi)部含水率的大小。已有研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)邊坡土體達(dá)到飽和體積含水率時(shí)，其邊坡內(nèi)部則會(huì)形成暫時(shí)保持穩(wěn)定狀態(tài)的飽和區(qū)，使土體自重力迅速增加，即土體下滑力增大，隨著飽和區(qū)的不斷擴(kuò)大，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞。因此，本研究在邊坡模型的表層及深層共布置10個(gè)體積含水率傳感器，以期獲得在降雨條件和動(dòng)力荷載作用下，路堤邊坡內(nèi)部體積含水率的變化規(guī)律。圖5為路堤試驗(yàn)體積含水率分布規(guī)律圖。

圖5 路堤試驗(yàn)體積含水率分布規(guī)律圖

由圖5可知，隨著降雨歷時(shí)的持續(xù)增加，邊坡內(nèi)部體積含水率呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。其中，在降雨歷時(shí)5 h后，埋設(shè)于邊坡表面的體積含水率測(cè)點(diǎn)1-測(cè)點(diǎn)5，其體積含水率值逐漸增加至23%，增加速率表現(xiàn)為：測(cè)點(diǎn)1>測(cè)點(diǎn)2>測(cè)點(diǎn)3>測(cè)點(diǎn)4>測(cè)點(diǎn)5；在降雨歷時(shí)10 h后，埋設(shè)于邊坡表面的體積含水率測(cè)點(diǎn)6-測(cè)點(diǎn)9，其體積含水率值同樣也逐漸增加至23%，增加速率表現(xiàn)為：測(cè)點(diǎn)6>測(cè)點(diǎn)7>測(cè)點(diǎn)8>測(cè)點(diǎn)9；在降雨歷時(shí)達(dá)到12 h后，測(cè)點(diǎn)10的體積含水率增加至17%。

分析上述變化規(guī)律認(rèn)為，由于受到自重和基質(zhì)吸力的作用，雨水經(jīng)由坡表入滲后，由邊坡表面逐步向邊坡內(nèi)部遷移，進(jìn)而形成穩(wěn)定滲流。在經(jīng)歷一定時(shí)長(zhǎng)的降雨后，雨水入滲經(jīng)過(guò)體積含水率測(cè)點(diǎn)，體積含水率呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，而對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力隨著體積含水率逐漸減小。隨著雨水的不斷入滲，測(cè)點(diǎn)處的體積含水率逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，形成暫時(shí)保持穩(wěn)定狀態(tài)的飽和區(qū)(即暫態(tài)飽和區(qū))。雨水入滲后，向邊坡內(nèi)部逐漸延拓，邊坡頂部的延拓速率大于坡腳處，因此坡體表面土體的體積含水率首先達(dá)到飽和。當(dāng)暫態(tài)飽和區(qū)形成后，隨著降雨歷時(shí)的增加，其飽和區(qū)面積隨之增加，由于內(nèi)部延拓深度也增加，使體積含水率測(cè)點(diǎn)6-測(cè)點(diǎn)9響應(yīng)，并逐步達(dá)到飽和。而受降雨量限制，雨水未在12 h內(nèi)延伸至體積含水率測(cè)點(diǎn)3處，因此該處體積含水率值僅達(dá)到17%，處于非飽和狀態(tài)。

3.3 路堤模型試驗(yàn)坡前應(yīng)力分布規(guī)律

由于坡表徑流的存在，加之雨水的入滲，使邊坡表層形成不同程度的滲流情況，同時(shí)增加土體自重，易導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)。在動(dòng)力荷載作用下，邊坡失穩(wěn)情況會(huì)因此加劇。見(jiàn)圖6。

圖6 路堤試驗(yàn)體積含水率分布規(guī)律圖

由圖6路堤試驗(yàn)體積含水率分布規(guī)律圖可知，在降雨條件和動(dòng)力荷載作用下，隨著降雨歷時(shí)的持續(xù)增加，路堤邊坡的坡前應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)停止降雨后，其增速呈現(xiàn)出先減慢后減小最終逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)；在降雨歷時(shí)12 h后，邊坡內(nèi)部的土壓力測(cè)點(diǎn)a-測(cè)點(diǎn)d分別增加至15、13、11和9 kPa，其增速表現(xiàn)為：測(cè)點(diǎn)a>測(cè)點(diǎn)b>測(cè)點(diǎn)c>測(cè)點(diǎn)d。其中，當(dāng)停雨后12 h(試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到24 h)，土壓力測(cè)點(diǎn)a在12 h內(nèi)由15 kPa逐漸提升至20 kPa；土壓力測(cè)點(diǎn)b在12 h內(nèi)由13 kPa逐漸提升至16 kPa；土壓力測(cè)點(diǎn)c在12 h內(nèi)由11 kPa逐漸提升至13 kPa；土壓力測(cè)點(diǎn)d在12 h內(nèi)由9 kPa逐漸提升至11 kPa，最后又減小至6 kPa。

分析上述變化規(guī)律認(rèn)為，在經(jīng)歷12 h的降雨條件下，雨水在坡面形成徑流，沿著坡面由坡表向坡內(nèi)入滲，形成一定的坡內(nèi)滲流。在降雨歷時(shí)達(dá)到9 h后，大量雨水已入滲至坡體內(nèi)地下水位處，導(dǎo)致地下水位逐漸抬升，當(dāng)降雨歷時(shí)達(dá)到24 h后，坡腳已基本被雨水滲入，在坡體內(nèi)部形成大面積暫態(tài)飽和區(qū)。這也導(dǎo)致了坡體內(nèi)部大面積土體容重增加，進(jìn)而直接影響土體抗剪強(qiáng)度大幅度減弱，并且坡頂受到動(dòng)力荷載的作用下，土壓力測(cè)點(diǎn)a和測(cè)點(diǎn)b相較于土壓力測(cè)點(diǎn)c和測(cè)點(diǎn)d較大，坡體也漸漸發(fā)生沿坡腳向外滑出的趨勢(shì)，也表征著邊坡穩(wěn)定性在一定程度上的降低。停止降雨后，隨著基質(zhì)吸力的恢復(fù)，雨水深入邊坡土體，其坡面孔隙水壓力逐漸消散，坡體內(nèi)暫態(tài)飽和區(qū)也漸漸減小。

4 結(jié) 論

本研究采用基質(zhì)吸力傳感器、體積含水率測(cè)定儀和土壓力盒作為監(jiān)測(cè)儀器，通過(guò)對(duì)降雨條件下邊坡動(dòng)力響應(yīng)的模型試驗(yàn)研究，揭示了在降雨條件和動(dòng)力荷載作用下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。通過(guò)分析，得到的主要結(jié)論如下：

1)在降雨條件和動(dòng)力荷載作用下，雨水由坡面向坡體內(nèi)部滲入，在持續(xù)的降雨條件下，坡表徑流在坡頂處雨水入滲量較少，大部分沿著邊坡表面流向坡腳，使坡腳處土體入滲情況較為嚴(yán)重。

2)由于受到自重和基質(zhì)吸力的作用，雨水經(jīng)由坡表入滲后，由邊坡表面逐步向邊坡內(nèi)部遷移，進(jìn)而形成穩(wěn)定滲流。在經(jīng)歷一定時(shí)長(zhǎng)的降雨后，雨水入滲經(jīng)過(guò)體積含水率測(cè)點(diǎn)，體積含水率呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，而對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力隨著體積含水率逐漸減小。

3)在降雨條件和動(dòng)力荷載作用下，隨著降雨歷時(shí)的持續(xù)增加，路堤邊坡的坡前應(yīng)力逐漸增大；當(dāng)停止降雨后，其增速呈現(xiàn)出先減慢后減小最終逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。

4)在停止降雨后，隨著基質(zhì)吸力的恢復(fù)，雨水深入邊坡土體，其坡面孔隙水壓力逐漸消散，坡體內(nèi)暫態(tài)飽和區(qū)也漸漸減小。