降雨作用下基覆型邊坡失穩(wěn)特征及承載力試驗研究

楊 兵 ，周子鴻 ，陶 龍 ，伏冠西 ，卓林波

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.四川路橋華東建設(shè)有限責(zé)任公司，四川 成都 610299）

降雨是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素之一[1-3]，在我國，每年幾乎均有降雨誘導(dǎo)的滑坡.因此，降雨作用下邊坡穩(wěn)定性問題受到科研人員的廣泛關(guān)注.雨水誘導(dǎo)邊坡失穩(wěn)特征及過程對人們理解邊坡破壞特征、提出合理的穩(wěn)定性分析方法具有重要作用.一些學(xué)者通過室內(nèi)試驗研究了邊坡失穩(wěn)的多種破壞特征[4-8]，結(jié)果表明，初始滑坡的時間主要取決于坡趾附近土體的飽和程度, 若坡趾附近土體接近飽和，不論其他部位飽和與否，土坡總會發(fā)生局部失穩(wěn)破壞.為了研究降雨誘導(dǎo)邊坡失穩(wěn)機(jī)制，人們從多角度解釋相關(guān)物理現(xiàn)象.已有研究表明，邊坡失穩(wěn)過程中產(chǎn)生了高孔隙水壓力[4-5,9-10]，而有的研究也發(fā)現(xiàn)當(dāng)高孔隙水壓力出現(xiàn)時邊坡并不一定會發(fā)生失穩(wěn)破壞[11].含水率對非飽和土的抗剪強(qiáng)度有明顯影響[12-13].研究表明，非飽和土強(qiáng)度隨含水率增加呈現(xiàn)出非線性變化特性[12,14-15].綜合分析表明含水率和孔隙水壓力在邊坡內(nèi)的分布特征對邊坡失穩(wěn)機(jī)制的解釋有重要作用.通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對于降雨停止后邊坡內(nèi)孔隙水壓力、含水率的空間變化尚需深入研究，雨停后邊坡的失穩(wěn)特征及承載力變化尚涉及較少，而這方面的內(nèi)容對于邊坡穩(wěn)定性設(shè)計有重要作用.另外，基覆型邊坡是一種下部為基巖、上部為松散堆積體的二元結(jié)構(gòu)體，很多情況下基覆界面對邊坡的失穩(wěn)模式有重要影響，目前對此研究較少.

基于以上分析，本文以基覆型邊坡為對象，但不以某具體工程邊坡為對象，而是通過概化模型進(jìn)行研究.探討降雨作用下邊坡失穩(wěn)特征及對應(yīng)的機(jī)制，分析雨停后不同階段邊坡的承載力變化規(guī)律，為基覆型邊坡工程設(shè)計提供理論支持.實際工程的基覆型邊坡的基覆界面形狀各不一樣，本文對基覆界面進(jìn)行抽象概化處理，采用兩段直線組合模擬典型工況.

1 相似分析

基于量綱分析法，基覆型堆積體邊坡在降雨作用下穩(wěn)定性及承載力的主要相似準(zhǔn)則可表述為，邊坡模型示意如圖1所示.其中：z/H為邊坡某位置高程z與邊坡高度H之比，即相對高程，表達(dá)了該點在邊坡上所處的位置信息； β 為基覆型堆積體邊坡坡角； α 為邊坡頂面與水平面的夾角， θ1為基覆界面上部傾角； θ2為基覆界面下部傾角；c/(γH) 為邊坡土體的黏聚力c與邊坡土體所受自重應(yīng)力之比，該參數(shù)最早由Tailor于1937提出[16]，稱為穩(wěn)定數(shù)(stability number)，該無量綱量與邊坡失穩(wěn)條件密切相關(guān)，γ為土體重度； ? 為土體內(nèi)摩擦角，表達(dá)了土顆粒間相對運(yùn)動的難易程度； ν 為泊松比；可理解為無量綱滲透系數(shù)，k為土體的滲透系數(shù)；Ir/k為降雨強(qiáng)度Ir與滲透系數(shù)之比，表示降雨量與入滲量之間的相對大?。籋/(tIr) 為無量綱降雨持續(xù)時間（t為降雨持續(xù)時間）；q/(γH) 為邊坡頂部承載力q與自重應(yīng)力之比.

圖1 基覆型堆積體邊坡模型示意Fig.1 Schematic diagram of slope model with bedrock

各物理量的相似關(guān)系如表1所示.

表1 各物理量的相似關(guān)系Tab.1 Similarity law of each physical quantity

在試驗過程中，γ與g保持不變，則有Cγ=1，Cg=1.由表1可知：與原型保持一致的物理量有γ、β、 α 、θ1、θ2、?、 ν ；q、H、z和c，模型比尺均為CH.模型縮尺為的物理量為強(qiáng)雨強(qiáng)度、滲透系數(shù)和降雨時間，即上述物理量相對于原型邊坡應(yīng)縮小.

由上可見：物理量的模型比尺主要受邊坡的幾何比尺所控制，所以在一定條件下，該模型可以模擬多個原型邊坡.原型邊坡的高度、土性等具有不確定性，因此，一個模型邊坡模擬多個原型邊坡是可能的.綜上所述，本文并不是模擬某一具體的邊坡，而是一類邊坡的概化模型.

2 試驗方案

試驗裝置由研究團(tuán)隊自制而成（見圖2），主要由不銹鋼框架與有機(jī)玻璃板構(gòu)成，側(cè)面為透明有機(jī)玻璃板，制作邊坡的底板由不銹鋼板構(gòu)成，其上可鋪設(shè)不同粗糙度的泡沫板以模擬基覆界面的粗糙程度.本文主要采用較粗糙的泡沫板來模擬基覆界面的粗糙度.模型箱幾何尺寸為： 1.8 m（長） × 0.3 m（寬） × 1.2 m（高）.試驗采用噴頭式降雨器進(jìn)行人工模擬降雨.降雨強(qiáng)度由水泵和出水閥門控制，并用雨量計測量降雨強(qiáng)度，其值Ir=21.96 mm/h，根據(jù)降雨等級的劃分，此降雨強(qiáng)度為暴雨級別.

圖2 試驗裝置Fig.2 Testing apparatus

試驗采用川西某地區(qū)砂土，在試驗之前對該砂土進(jìn)行干燥并配置成不同的質(zhì)量含水率，對不同質(zhì)量含水率的砂土進(jìn)行非飽和強(qiáng)度試驗，獲得土體在不同質(zhì)量含水率下的強(qiáng)度指標(biāo)，如表2、圖3、4所示.

表2 不同質(zhì)量含水率條件下的強(qiáng)度指標(biāo)Tab.2 Strength index under different water moistures

由圖3、4可知：試驗所用砂土表觀黏聚力（此處黏聚力主要來自毛細(xì)水壓力作用）隨飽和度的增加先增大后減小；砂土的?則隨飽和度的增大而減小.由于含水量的增加，砂土顆粒之間受到潤滑作用摩擦力減小，因此內(nèi)摩擦角呈減小趨勢.

圖3 砂土表觀黏聚力和內(nèi)摩擦角隨飽和度變化曲線Fig.3 Variation of sand cohesion and sand internal with saturation

試驗測得砂土飽和滲透系數(shù)為0.000 31 m/s，質(zhì)量含水率5%的砂土密度約為1.590 g/cm3，對應(yīng)的干密度為1.514 g/cm3，此含水率下砂土的最大干密度為1.851 g/cm3, 最小干密度為1.463 g/cm3.試驗用砂的粒徑級配曲線如圖4所示.由圖可知：d50=0.578 mm，為粗砂，有效粒徑d10=0.178 mm，控制粒徑d60=0.765 mm，d30=0.37 mm.由上可知：不均勻系數(shù)Cu=4.3，該土為較均勻土；曲率系數(shù)為1.002（大于1.000），該土級配連續(xù).

圖4 土的粒徑級配曲線Fig.4 Gradation cumulative of soil particle size

本試驗主要使用的儀器有含水率傳感器和孔隙水壓力傳感器，其中，含水率傳感器為美國Decagon公司EC-5土壤水分傳感器，該傳感器綜合精度為1.0%；孔隙水壓力傳感器是成都泰斯特公司生產(chǎn)的電荷型傳感器，傳感器量程為10 kPa, 綜合精度為0.1%，也即測量誤差在10 Pa左右.在箱體側(cè)面設(shè)置條帶狀白砂和箱體側(cè)壁的初始標(biāo)識線，邊坡變形后，條帶白砂明顯偏離初始標(biāo)識線，采用攝像機(jī)拍攝圖像，后期進(jìn)行圖像處理即可得到邊坡的變形.測量儀器布置如圖5所示.圖中：P1～P6為孔隙水壓力傳感器，W1～W6為含水率傳感器，對應(yīng)的為測點1～5.

圖5 測量儀器布置示意（單位：cm）Fig.5 Schematic diagram of sensor arrangement (unit：cm)

試驗采用質(zhì)量含水率為5%的砂土.分層填筑邊坡模型，每層的填筑厚度不超過5 cm，并進(jìn)行逐層夯實.夯實完成后，利用環(huán)刀測量土體密度以及含水率，從而得到干密度，然后將邊坡夯實至預(yù)設(shè)的體積.邊坡填筑完畢后間隔24 h后開始降雨試驗，降雨停止后開始邊坡頂部加載試驗.最終填筑完成后的邊坡相對密度為0.161，土體處于疏松狀態(tài).

本試驗的主要目的是進(jìn)行降雨條件下基覆型邊坡失穩(wěn)特征及極限承載力研究，分析邊坡內(nèi)孔隙水壓力和含水率對其穩(wěn)定性的影響.試驗工況共6組（見表3）.基覆界面下部傾角為 14°, 上部傾角為 52°.

表3 邊坡降雨試驗設(shè)計Tab.3 Design of slope rain test

表3中：工況6 在降雨中僅打開兩個噴頭，關(guān)閉坡腳上方降雨區(qū)3的噴頭，目的是觀察其降雨與否對坡腳破壞的影響.

針對表2中不同質(zhì)量含水率的邊坡土體可計算出對應(yīng)的試驗邊坡模型的安全系數(shù)理論值，如表4所示.由表可見，隨著邊坡土體質(zhì)量含水率的增大，邊坡安全系數(shù)也經(jīng)歷了先增大后減小的變化規(guī)律.

表4 不同含水率下邊坡安全系數(shù)理論值Tab.4 Safety factor of slope under different water moistures

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 邊坡破壞典型特征

以工況1為例分析邊坡破壞特征.圖6給出了降雨過程中邊坡失穩(wěn)的發(fā)展過程.

由圖6可知：由于土體初始含水率較低，砂土的滲透速率大于降雨強(qiáng)度，所以邊坡在降雨初期未出現(xiàn)坡面徑流現(xiàn)象；隨著降雨的發(fā)展，在t=36 min時，在坡腳處開始出現(xiàn)土體流動現(xiàn)象（圖6（b）②），而出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因為在降雨過程中，邊坡上部土體內(nèi)孔隙水逐漸匯集至坡腳，導(dǎo)致坡腳處土體最先達(dá)到飽和而軟化，同時也存在表面雨滴的沖刷作用使土體更易失穩(wěn)；由于坡腳土體逐漸被雨水軟化而發(fā)生破壞，邊坡坡腳處出現(xiàn)局部脫落 （見圖6（a）③和圖6（b）③）；隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，土體脫落的范圍逐漸增大，進(jìn)而導(dǎo)致上方土體臨空面加大，土體破壞后隨即被雨水飽和軟化而向下滑動，后方土體進(jìn)一步被侵蝕，最終造成了一定深度和寬度的邊坡破壞現(xiàn)象（圖6（a）④、圖6（b）④）.

圖6 邊坡破壞發(fā)展過程Fig.6 Slope failure development process

在前5個工況中，邊坡坡腳均在30 min左右呈現(xiàn)流動破壞，而工況6在降雨t= 56 min時才出現(xiàn)邊坡坡腳流動破壞（見圖7）.如前所述，邊坡坡腳土體的破壞主要是土體飽和軟化導(dǎo)致的.工況6少了土體表面的雨水沖刷作用，且土體內(nèi)部雨水入滲作用削弱，進(jìn)而出現(xiàn)了工況6坡腳土體流動破壞晚于其他工況的現(xiàn)象.此外，在工況6中，土體局部脫落體積明顯小于其他工況.由此可知：在坡腳處降雨會加速坡腳土壤的破壞.因此，在實際的邊坡治理過程中，在坡腳處應(yīng)當(dāng)做好排水和加固措施.

圖7 工況6對應(yīng)的邊坡破壞發(fā)展過程Fig.7 Slope failure development process for condition 6

3.2 降雨前后土體體積含水率與孔隙水壓力變化規(guī)律

邊坡土體含水率和孔隙水壓力的變化對分析邊坡失穩(wěn)機(jī)制有重要作用.圖8和圖9給出了降雨過程中邊坡土體體積含水率和孔隙水壓力隨時間的變化.圖8表明：降雨初期，各傳感器含水率均較穩(wěn)定；隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，坡體下部體積含水率首先增長，這說明雨水會首先在坡腳附近積累，隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，邊坡中部和上部體積含水率依次增長（圖9）.

圖8 孔隙水壓力與體積含水率隨時間變化曲線Fig.8 Variations of pore water pressure and water content with time

由體積含水率變化曲線可知：測點3、4、5號的體積含水率均小于飽和狀態(tài)下的體積含水率，即未達(dá)到飽和狀態(tài)；測點1、2、6號處均達(dá)到飽和，所以可以判定在降雨過程中，邊坡內(nèi)部水位線始終處于邊坡中下部，表明降雨過程中隨著雨水的不斷入滲，雨水逐漸從各處匯至坡腳，邊坡內(nèi)部水位線逐漸由坡腳上升至邊坡中部（圖9）.由此可見邊坡坡腳處土體最先飽和，因此坡腳最先發(fā)生破壞（圖6（b）②）.

圖9 邊坡內(nèi)體積含水率不同時間的空間分布Fig.9 Spatial distribution of moisture content in slope at different time

降雨過程中，邊坡表面體積含水率首先開始上升，隨著降雨的進(jìn)行而趨于穩(wěn)定，隨后土體內(nèi)部體積含水率由外到里依次增加.在雨水入滲至邊坡坡腳處基覆界面之后，該區(qū)域土體的體積含水率開始增大，并達(dá)到飽和狀態(tài).當(dāng)坡腳基覆界面附近土體含水量達(dá)到飽和后，邊坡中的水位開始逐漸上升，在降雨作用下由下至上各測點土體依次達(dá)到飽和.由此也進(jìn)一步解釋了隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，邊坡坡腳土體局部脫落范圍不斷增大的原因.

由圖9（a）可知：雨停后土體含水率隨即開始下降；邊坡上部（W5、W4傳感器處）所在土體體積含水率最先開始下降，最后穩(wěn)定在17%左右；邊坡下部表層土體（W6號傳感器處）也很快開始下降，直至穩(wěn)定在33%左右；與邊坡上部及表層土體（W4、W5、W6號傳感器位置）不同，邊坡坡角及基覆界面處土體含水率下降緩慢.由上可知：降雨停止過后，邊坡土體內(nèi)部水位線不斷下降.雨停后較長時間內(nèi)，在基覆界面和坡腳處均存在殘留水，所以測點1、2、3處土體體積含水率始終保持在飽和含水率附近，其體積含水率時程曲線變化較小，數(shù)值較為平穩(wěn).

圖10為降雨過程中孔隙水壓力隨時間的變化.由圖8和圖10表明：各測點孔隙水壓力值在降雨初期基本沒有變化；隨著降雨的持續(xù)，邊坡內(nèi)各測點孔隙水壓力值從外到里依次增加，并且邊坡中下部孔隙水壓力最先趨于穩(wěn)定，并達(dá)到正峰值，表明降雨過程中邊坡土體水位線由坡腳逐漸上升至邊坡中部，這與前述結(jié)論一致，而邊坡中上部孔隙水壓力穩(wěn)定峰值均為負(fù)值，表明降雨過程中邊坡中上部土體在降雨過程中均始終處于水位線以上.由此可見：邊坡坡腳處孔隙水壓力最先達(dá)到正值，從而使該處土體有效應(yīng)力最先減小，也促使其最先破壞.

圖10 邊坡內(nèi)孔隙水壓力不同時刻的空間分布Fig.10 Spatial distribution of pore water pressure in slope at different times

由圖9（b）可以看出：各測點孔隙水壓力數(shù)值都有所變化.邊坡上部土體（測點4、5號處）孔隙水壓力迅速下降；邊坡中下部土體孔隙水壓力也呈現(xiàn)下降趨勢，但與上部相比下降速率較為緩慢；而坡腳處孔隙水壓力下降速率則非常緩慢.

從以上分析可見：降雨過程中邊坡土體含水率與坡內(nèi)孔隙水壓力呈同方向變化，含水率增加，孔隙水壓力增大，含水率穩(wěn)定時孔隙水壓力也穩(wěn)定，含水率下降，孔隙水壓力也相應(yīng)下降，土體含水率與孔隙水壓力幾乎同步變化.

3.3 邊坡失穩(wěn)機(jī)制分析

通過對邊坡含水率、孔隙水壓力分布和邊坡失穩(wěn)特征的分析，發(fā)現(xiàn)在降雨作用下邊坡坡腳附近土體含水率和孔隙水壓力增長最快，此處土體最先達(dá)到飽和，且孔隙水壓力最高，飽和后隨著降雨的進(jìn)行，土體從塑態(tài)過渡到流態(tài)，土體幾乎失去了強(qiáng)度，從而坡腳土體發(fā)生了破壞.隨著降雨持續(xù)進(jìn)行，從坡腳至坡體中下部含水率和孔隙水壓力逐漸升高，部分區(qū)域土體也達(dá)到飽和狀態(tài)而發(fā)生失穩(wěn)，因此出現(xiàn)了邊坡失穩(wěn)逐漸從坡腳向坡中發(fā)展的現(xiàn)象.在降雨持續(xù)一定時間后，邊坡內(nèi)土體含水量將達(dá)到較高值，此時土體強(qiáng)度將較大幅度減小，整個邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，隨著邊坡坡腳土體的變形而失去承載力，最終整個邊坡將發(fā)生整體失穩(wěn).

3.4 雨停后各工況邊坡極限承載力及破壞模式

試驗表明：經(jīng)過4.5 h降雨后，邊坡僅在坡腳處發(fā)生了局部破壞，并未發(fā)生整體破壞，邊坡尚有較高地承載力，在其頂部能夠承受一定大小的靜荷載.當(dāng)降雨結(jié)束后的不同時間內(nèi)，邊坡所能承受的極限靜荷載是否會發(fā)生變化，如有變化，其變化規(guī)律是怎樣的，這對于實際工程有一定的指導(dǎo)意義.基于此，本文探討了降雨停止后邊坡極限承載力的變化規(guī)律及其對應(yīng)的破壞模式.加載方式通過短時間內(nèi)在邊坡頂面分級施加靜荷載來探討邊坡承載力的大小.每級荷載大小控制在5 kg以內(nèi)，前期用大值，臨近破壞時用小值.這樣保證了每個工況加荷等級在10級以上，且能較好地控制誤差.由各工況試驗現(xiàn)象可以看出，邊坡在頂部靜荷載作用下破壞模式可概括為整體滑移模式和局部滑移模式，如圖11～13所示.對工況1而言，在雨水浸泡及滲流作用下，降雨剛停止時邊坡土體含水率高，孔隙水壓力高，基質(zhì)吸力小，邊坡穩(wěn)定性較弱，當(dāng)坡頂?shù)撵o荷載較小時，邊坡滑移面出現(xiàn)在基覆界面附近（圖13）.從工況2～5可以發(fā)現(xiàn)，降雨停止后，邊坡內(nèi)部水體逐漸從坡腳流出，邊坡土體含水率逐漸下降，孔隙水壓力逐漸減小，基質(zhì)吸力逐漸增大，從而土體抗剪強(qiáng)度有所提高，最終使得邊坡破壞模式為局部滑移，即在中上部位置破壞面沿基覆界面滑動，在中下部位置破壞面沿坡體內(nèi)部發(fā)展，最后在坡腳上部某一位置剪出.

圖11 整體破壞模式典型實驗圖Fig.11 Typical experiment diagram of the overall failure mode

圖13 破壞圖Fig.13 Failure diagram

圖12 局部破壞模式典型實驗圖Fig.12 Typical experiment diagram of the local failure mode

圖14給出了邊坡極限荷載與雨停后時間的變化曲線.從圖可看出：降雨停止后，邊坡所能承受的極限荷載先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定，表明邊坡穩(wěn)定性在降雨停止時刻最小，隨時間增加，穩(wěn)定性逐漸增大，在某一時刻達(dá)到最大，隨時間進(jìn)一步增大，邊坡穩(wěn)定性略有減小直至穩(wěn)定不變.該現(xiàn)象可根據(jù)前述砂土的強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的變化規(guī)律進(jìn)行解釋.從圖3可知：隨著砂土含水率從飽和開始降低，其黏聚力經(jīng)歷了逐漸增大然后減小的規(guī)律，而內(nèi)摩擦角呈緩慢減小趨勢.從邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的理論分析結(jié)果（見表4）可知：其穩(wěn)定性在邊坡飽和時很低.結(jié)合已有研究結(jié)果[17]，在含水率從飽和開始下降，砂土強(qiáng)度也經(jīng)歷了一個先增大后減小的過程.因此當(dāng)降雨停止一段時間后，砂土強(qiáng)度增大到最大值，邊坡極限承載力最高.其后含水率穩(wěn)定，邊坡極限承載力也穩(wěn)定在一定值.

圖14 邊坡頂部極限載荷隨雨停后時間的變化Fig.14 Variation of ultimate load with time after rain stop

4 結(jié) 論

本文對降雨作用下基覆型邊坡失穩(wěn)特征及承載力進(jìn)行了試驗研究，得出了以下結(jié)論：

1） 降雨作用下邊坡坡腳附近土體含水率增長最快，孔隙水壓力最先達(dá)到正值，土體最先發(fā)生破壞.隨降雨的進(jìn)行，邊坡內(nèi)水位逐步上升，邊坡破壞位置逐步從坡腳向上發(fā)展.

2） 降雨停止后，邊坡內(nèi)土體含水率和孔隙水壓力隨即開始下降，而坡腳處含水率和孔隙水壓力下降速率非常緩慢，雨停后相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍保持較高數(shù)值.邊坡內(nèi)土體含水率與孔隙水壓力幾乎保持同步變化.

3） 雨停后隨著時間的推移，邊坡所能承受的極限荷載呈增大—減小—穩(wěn)定不變的變化趨勢，即邊坡穩(wěn)定性在降雨停止時刻最小，隨時間增加，穩(wěn)定性逐漸增大，在某一時刻達(dá)到最大，隨時間進(jìn)一步增大，邊坡穩(wěn)定性略有減小直至穩(wěn)定不變.

4） 雨停后基覆型邊坡在頂部靜荷載作用下破壞模式主要呈現(xiàn)兩種模式，即整體滑移模式和局部滑移模式.