降雨對擋土墻黃土邊坡長期穩(wěn)定性影響的模型試驗

鄒 愈，胡兆江，牟海斌，董 琪，張宇鵬，李業(yè)彤

(1.陜西科技控股集團有限責任公司，陜西 西安 710077；2.陜西科控實業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 西安 710054；3.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054；4.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

黃土作為由風積搬運作用而形成的第四紀沉積物，具有大孔隙、濕陷性以及水敏性等特征[1-4]，極大地影響了黃土邊坡的穩(wěn)定性。為了提高邊坡穩(wěn)定性，通常采用施工工藝簡單、工程造價較低的擋土墻作為支擋結(jié)構(gòu)。隨著擋土墻服役時間的推進，擋土墻邊坡的工程質(zhì)量受到各類環(huán)境因素(降雨、溫度、風蝕、行車震動等)的影響下而不斷變化，出現(xiàn)諸如墻體傾斜、開裂、鼓脹等病害，影響著邊坡工程的長期穩(wěn)定性影響邊坡穩(wěn)定性的因素中，降雨作用對邊坡的穩(wěn)定性的影響顯著[2-3]。

國內(nèi)外專家學者通過數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測對擋土墻邊坡工程的穩(wěn)定性問題開展研究。肖雁征等從有限元數(shù)值計算角度利用特征點對加筋土擋土墻處理滑坡的穩(wěn)定性進行研究，認為加筋后邊坡穩(wěn)定性得到提高，加筋土擋土墻能有效加固邊坡的結(jié)論[5]；宋鑫華等基于擋土墻的滑移失穩(wěn)和傾覆失穩(wěn)等失效模式，運用一次二階矩法的基本原理，建立涉及到擋土墻高度、填料的內(nèi)摩擦角等擋土墻穩(wěn)定性影響因素的非線性功能函數(shù)，計算出可靠度指標[6]；鄭穎人等運用PLAXIS有限元程序?qū)焖饔孟缕麦w內(nèi)浸潤面的位置進行數(shù)值模擬，確定浸潤面位置進行穩(wěn)定性分析所存在的誤差[7]；彭賢清等利用有限元軟件ABAQUS通過強度折減法對三維加筋擋土墻進行數(shù)值模擬，提出最優(yōu)土工格室選型[8]；趙葉江等依托高填方邊坡工程對樁墻復合支擋結(jié)構(gòu)，運用Midas GTS NX有限元軟件建立相應(yīng)的數(shù)值模型[9]；蔣峰等對高陡邊坡進行有限元的二維和三維數(shù)值模擬，分析變形發(fā)展的規(guī)律[10]；嚴秋榮等在無支護和有支護(加設(shè)抗滑樁及擋土墻)的條件下開展了降雨對邊坡穩(wěn)定性影響的模型試驗研究[11]；袁杰等根據(jù)相似理論建立試驗?zāi)Ｐ?，對比階梯型直墻結(jié)構(gòu)和階梯型拱墻結(jié)構(gòu)在不同邊坡坡度下的士壓力、位移和水壓力分布特征[12]。

前人的研究集中在建設(shè)期邊坡的穩(wěn)定性分析和評價，對運營期邊坡的穩(wěn)定性研究并不多見，考慮降雨入滲條件下運營期擋土墻邊坡的研究更少。筆者選取西北地區(qū)運營期典型的擋土墻邊坡，開展縮尺模型試驗，研究擋土墻黃土邊坡的側(cè)向土壓力、位移以及水壓力隨時間的變化規(guī)律以及空間分布規(guī)律，對長期穩(wěn)定性進行預(yù)測，以期為黃土地區(qū)擋土墻邊坡質(zhì)量評價提供依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料來自陜西省延安市宜川縣五里坪黃土邊坡，為采用砌石重力擋土墻治理的黃土邊坡，試驗中采用與邊坡原型相同的花崗巖石料砌筑擋土墻，石塊的平均直徑縮小為10～15 cm，彈性模量在6.1～7.4×104MPa(表1)。

表1 基本物理力學指標Table 1 Basic physical and mechanical indexes

1.2 試驗設(shè)備

試驗?zāi)Ｐ拖?.8 m×2.5 m×1 m，由方形鋼管焊接形成箱體框架，兩側(cè)為透明有機玻璃，方便觀察雨水在坡體中的入滲現(xiàn)象和邊坡內(nèi)部的位移情況；前側(cè)底部30 cm高為一固定的木板，其上鉆有小孔以便滲入坡體中的雨水排出，上部1.5 m采用螺栓固定一可拆卸的木板，試驗過程中折除木板使坡面臨空；底部和背部為固定木板(圖1(a))。

降雨設(shè)備直徑為3 cm，一面鉆有直徑為1 mm的細孔，一端留進水口，試驗過程中進水口與貯水容器相連，通過閥門控制降雨強度大小，雨水從淋雨器上的細孔滴出作用在坡面上，試驗開始前需采用量筒校準降雨強度，與實際降雨強度相同(圖1(b))。

圖1 模型箱和淋雨器Fig.1 Model box and drencher

1.3 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

五里坪黃土邊坡原型高8.6 m，擋土墻背垂直，墻面傾角70°，墻頂寬55 cm，墻后填土面為通向坡上的道路，在垂直于擋土墻走向的剖面中墻后填土面水平，墻后填土為第三紀形成的Q3黃土。

試驗為1∶10的縮尺模型試驗，選用幾何尺寸、密度和重力加速度為其本量綱，采用π定理進行相似關(guān)系換算，得到各變量的相似關(guān)系和相似常數(shù)(表2)。

降雨時間相似常數(shù)由Terzaghi固結(jié)理論計算[26]，縮尺模型與邊坡原型的幾何尺寸不一樣，在固定時間內(nèi)的固結(jié)度需一致，因此根據(jù)Terzaghi固結(jié)理論

TVp=TVm

(1)

TVp為邊坡原型固結(jié)時間因子；TVm為邊坡模型固結(jié)時間因子，它們與固結(jié)時間的關(guān)系可表示為

(2)

(3)

Hp，Hm分別為邊坡原型和模型的幾何尺寸，CV為固結(jié)系數(shù)。可得降雨時間的相似比

(4)

表2 相似關(guān)系及相似常數(shù)Table 2 Similarity relation and similarity constant

試驗幾何相似比為Cl=10，時間相似比Ct=100，此邊坡原型已建成5 a，模型試驗可在0.05 a內(nèi)完成，即在18 d內(nèi)完成。

模型填筑采用分層夯填的方法筑成，需將現(xiàn)場采運回的黃土粉碎，然后配制成含水率為19.8%的土樣，按每層相同質(zhì)量的土樣填入模型箱并夯實至10 cm，同時采用10～15 cm直徑的花崗巖石塊砌筑擋土墻，直至夯填到特定高度。通過相似換算邊坡模型的高度和擋土墻頂寬度減小了10倍，分別為116 cm和5.5 cm(圖2)。

圖2 擋土墻治理邊坡模型Fig.2 Slope model with retaining wall

1.4 試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

沿擋土墻背豎直向下埋設(shè)土壓力傳感器P1，P2，P3，P4，P5相同，埋深分別為20，40，60，80，100 cm；埋設(shè)孔隙水壓力傳感器U1，U2，U3，U4，U5，埋深分別與P1，P2，P3，P4，P5。土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器與應(yīng)變儀相連，將壓力信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再發(fā)送給電腦進行保存。沿擋土墻面中軸線布置5個位移標點，從上向下依次為S1，S2，S3，S4，S5。S1布置在擋土墻肩，S2，S3，S4，S5與S1的豎直距離分別為20，40，60，80 cm(圖3)。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布置Fig.3 Layout of data acquisition system

開啟淋雨器進水口閥門，采用量筒在淋雨器下方承接1 min的雨量，與標準的雨量對比，若有偏差調(diào)整閥門大小以改變降雨強度大小，直到通過量筒承接的雨水量換算得到的降雨強度恰好與標準降雨強度(36.38 mm/h)相等。將淋雨器加到模型箱頂部，開始降雨試驗，同時開啟應(yīng)變儀、計算機數(shù)據(jù)采集軟件，計算機將自動記錄試驗過程中的土壓力和孔隙水壓力。試驗過程中定時采用激光測距儀測讀S1～S5標點的水平位移；并定時采用相機拍攝擋土墻的變形情況。按每次降雨持續(xù)2 h，每7.2 h降雨一次，重復3次為每年的降雨過程，試驗 86.4 h模擬實際時間1 a，降雨停止的時間為干旱期。重復以上過程5次，模擬邊坡在降雨影響下運行5 a。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙水壓力變化

降雨過程中各測點的孔隙水壓力除過U5點外均為負值，說明墻背后土體除過底部外均處于非飽和狀態(tài)?？傮w上看，各測點的孔壓在降雨過程中有一定程度的上升，而雨后其值又迅速地回落，所以表現(xiàn)出在雨季孔隙水壓力的激烈波動現(xiàn)象(圖4)。

圖4 孔隙水壓力隨時間的變化Fig.4 Variation of pore water pressure with time

U5點處于模型底部以上30 cm處，在整個試驗過程中孔隙水壓力值由略小于0 kPa上升到0 kPa附近，說明雨水下滲導致模型底部30 cm厚土層飽和，地下水位線位于U5點附近。U4點與U5點距離最近，意味著降雨過程中孔隙水壓力值最容易受地下水位影響，所以可以發(fā)現(xiàn)在整個過程中其值波動最為激烈，隨著降雨循環(huán)的進行其值總體上呈現(xiàn)出緩慢的波動性上升的規(guī)律，由第1年降雨前的-16 kPa上升到第5年末的-14 kPa左右，意味著雨水下滲使地下水位出現(xiàn)了一定程度的上升。U3點的孔隙水壓力在第1年降雨中有一定的波動性上升，從-9 kPa上升到-8 kPa左右，后續(xù)的持續(xù)時間基本保持穩(wěn)定不變，說明降雨引起地下水位上升的影響有限，其影響距離只能到U3點的位置，這個距離從地下水位到U3點約為40 cm。而U1、U2點的孔隙水壓力在整個過程中只出現(xiàn)一定程度的波動，沒有表現(xiàn)出規(guī)律性的變化，說明從邊坡上部下滲的雨水并沒有對這2個點的孔壓造成影響，降雨對邊坡表層的影響深度也很有限，影響深度不會超過4 m。

降雨影響下表層土體中的孔隙水壓力沿深度呈直線增大的規(guī)律，但影響深度只有40 cm；40 cm以下到地下水位線附近孔壓基本不受降雨的影響，沿深度呈現(xiàn)線性減小的規(guī)律，并且地下水位線附近孔隙水壓力受降雨影響最明顯；而地下水位線以下孔隙水壓力沿度又呈線性增大的規(guī)律(圖5)。

圖5 孔隙水壓力沿深度的變化Fig.5 Variation of pore water pressure along depth

2.2 墻背土壓力變化

第1年P(guān)1，P2這2點處的土壓力只有劇烈的波動，沒有表現(xiàn)出規(guī)律性的變化，表明第1年降雨對淺表層墻背土壓力產(chǎn)生的影響有限；而P3，P4這2點的土壓力表現(xiàn)出緩慢增長的現(xiàn)象，這是由于表層土體由于雨水入滲造成自重增大引起的；而P5點的土壓力在第1年降雨中出現(xiàn)了非常明顯的減小，其值由1.3 kPa減小至0 kPa，是由于雨水入滲使底部土體軟化，導致深層土體中的地應(yīng)力釋放(圖6)。

圖6 墻背土壓力隨時間的變化Fig.6 Variation of soil pressure on wall back with time

第2年至第5年只有P1點的土壓力出現(xiàn)明顯的增減現(xiàn)象，其余各點的土壓力處于穩(wěn)定不變的狀態(tài)，表明深部土體的土壓力在第2年以后不再變化，也說明降雨對邊坡深部土壓力影響在時域上的有限性。第2年中，P1點的土壓力在0 kPa附近波動，認為沒有增減；而第3年至第4年中，P1點土力突然出現(xiàn)劇烈增大，由0 kPa增大到12 kPa左右，表明邊坡頂部淺層土體在降雨入滲作用下達到了飽和，并向擋土墻背發(fā)生了流動，引起土壓力劇烈增大。而第5年里，P1點土壓力又逐漸回落，這說明擋土墻在墻背土壓力作用下向前發(fā)生了傾斜，導致頂部土體流變產(chǎn)生的土壓力得到了釋放，因此表現(xiàn)為P1點土壓力在第5年里出現(xiàn)回落。

表層向下20 cm處土壓力隨時間進行發(fā)生了劇烈增大，而下部土層中的土壓力變變不明顯，說明頂部土體發(fā)生了流變，從而出現(xiàn)了墻背土壓力在坡腳高程以上隨深度表現(xiàn)出頂部和底部大，而中間小的現(xiàn)象，這對坡腳偏上位置處(80cm深處)的墻體產(chǎn)生破壞的危脅(圖7)。

圖7 各年末墻背土壓力隨深度的變化Fig.7 Variation of earth pressure on wall back with depth at the end of each year

2.3 墻面位移變化

降雨中各測點的位移波動劇烈，雨后波動相對平穩(wěn)；在前3年中特別是第1年中，各測點的位移在降雨中均發(fā)生了明顯的增大，而第4年和第5年中，各測點位移只有微小的波動，沒有發(fā)生規(guī)律性的增減現(xiàn)象，說明邊坡在前3年中處于降雨影響敏感期，第3年后基本處于平穩(wěn)期(圖8)。

圖8 關(guān)鍵點位移隨時間的變化Fig.8 Variation of displacement of key points with time

通過對比各測點位移增長過程可發(fā)現(xiàn)，擋土墻肩處S1點位移增長最劇烈，第5年末時位移達到12 mm以上，而墻腳處S5點位移增長最微弱，只有2 mm左右，這說明擋土墻在降雨影響下向前發(fā)生了一定的傾斜。并且S3，S4點的位移值大于S2點，這說明墻體在S3，S4點還發(fā)生一定的凸起現(xiàn)象。

為了更清楚地表現(xiàn)墻體水平位移沿深度的變化，繪制了各年末墻面水平位移沿深度的變化(圖9)。墻面水平位移在上部20 cm范圍內(nèi)和下部20 cm范圍內(nèi)表現(xiàn)為線性分布，而在40～60 cm深范圍內(nèi)發(fā)生了異常增加，說明墻面在此處發(fā)生了擠出性凸起，這正好與邊坡原型現(xiàn)調(diào)查的破壞現(xiàn)象一致(圖10)。這一現(xiàn)象的發(fā)生是由于相對單薄的墻體不能抵抗墻背中下部(S3處)較大的土壓力，使墻體向前發(fā)生了擠出現(xiàn)象，表現(xiàn)為墻面向前凸起。這也給工程設(shè)計提出了一個警示，重力式擋土墻在設(shè)計中不但要考慮總體的抗滑穩(wěn)定性，還要特別注意墻體中下部的抗凸起破壞驗算。

圖9 各年末墻體位移隨距坡肩垂直距離的變化Fig.9 Variation of wall displacement with vertical distance

圖10 邊坡?lián)鯄γ嫱蛊鹌茐腇ig.10 Convex failure of slope prototype

3 結(jié) 論

1)降雨入滲對邊坡表層土的影響深度不會超過4 m；降雨入滲造成地下水位上升向上的影響距離只有40 cm左右，地下水位線附近的孔隙水壓力受降雨影響最明顯。

2)降雨影響下，邊坡深部土體中的地應(yīng)力發(fā)生釋放，造成深部土壓力出現(xiàn)減小的現(xiàn)象；而淺表層土體受降雨入滲影響向墻背發(fā)生流動，導致淺表部墻背土壓力劇烈增大；長期受降雨影響下，擋土墻背土壓力沿深度分布表現(xiàn)為頂部和底部大而中間小的規(guī)律。

3)擋土墻治理邊坡在運行期的前3年，墻面各測點位移有明顯的增大，而后續(xù)時間里基本不變，前3年擋土墻處于變形活躍期，而后進入相對穩(wěn)定期。

4)重力式擋土墻設(shè)計中不但要關(guān)注擋土墻的整體穩(wěn)定性，還要特別注意墻體中下部的抗凸起破壞驗算。