降雨入滲條件下“下蜀土”抗剪強(qiáng)度演化規(guī)律試驗(yàn)研究

蔡宇宸 劉順青 鄭力銘 周 萍 梅鵬飛 何思節(jié)

（1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212100；2.江蘇省地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害防治及修復(fù)工程研究中心，江蘇鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

下蜀土又稱(chēng)下蜀組粉質(zhì)黏土，形成于中、晚更新世，在長(zhǎng)江中下游區(qū)域分布較廣，寧鎮(zhèn)山脈一帶的崗地低山、河流階地以及長(zhǎng)江三角洲平原、東海大陸架等均有分布，其中江蘇南京、鎮(zhèn)江一帶最為發(fā)育[1]。下蜀土在天然狀態(tài)下多呈現(xiàn)黃褐色，強(qiáng)度較高[2]，其所含黏土礦物通常以伊利石為主[3-4]，具有遇水膨脹、失水收縮等特性[5-6]，一般為弱膨脹性土[7]。

每年雨季鎮(zhèn)江及南京地區(qū)是江蘇省內(nèi)滑坡發(fā)生最頻繁的地區(qū)，嚴(yán)重威脅了滑坡周邊居民、工廠職工及游客的生命與財(cái)產(chǎn)安全，這與鎮(zhèn)江及南京地區(qū)廣泛分布的下蜀土邊坡密切相關(guān)[8]，可見(jiàn)下蜀土具有顯著的水敏感性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者開(kāi)展了下蜀土特性方面的相關(guān)研究，如王永璐等[9]通過(guò)非飽和直剪試驗(yàn)研究了含水率及吸力對(duì)下蜀土強(qiáng)度的影響；劉順青等[7]研究了干濕循環(huán)條件下下蜀土的抗剪強(qiáng)度特性；劉 鵬等[10]分析研究了含水率、密度等因素對(duì)南京下蜀土導(dǎo)熱系數(shù)的影響；顧 凱等[11]通過(guò)一系列無(wú)荷膨脹試驗(yàn)研究了下蜀土-膨潤(rùn)土的膨脹機(jī)理；Lu等[12]測(cè)試了干濕循環(huán)條件下作為填埋場(chǎng)覆蓋層下蜀土的滲透特性。

從上述的分析可知，目前為止針對(duì)下蜀土的研究主要集中在物理力學(xué)特性方面，而對(duì)下蜀土在實(shí)際降雨入滲條件下的抗剪強(qiáng)度規(guī)律還缺少系統(tǒng)研究。本文以鎮(zhèn)江兩處典型邊坡中的下蜀土為研究對(duì)象，根據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)獲得的降雨入滲下的含水率變化數(shù)據(jù)，開(kāi)展了降雨入滲條件下下蜀土抗剪強(qiáng)度演化規(guī)律的試驗(yàn)研究，獲得了下蜀土在實(shí)際降雨入滲下的強(qiáng)度特性規(guī)律。研究結(jié)果對(duì)降雨入滲條件下下蜀土邊坡的長(zhǎng)期變形穩(wěn)定評(píng)價(jià)具有較大的參考意義，相關(guān)分析方法也可以為類(lèi)似研究提供參考。

1 降雨入滲條件下下蜀土含水率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 鎮(zhèn)江寶蓋山邊坡下蜀土含水率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

降雨入滲后會(huì)導(dǎo)致下蜀土邊坡坡體表面一定深度處的含水率增加，通過(guò)埋設(shè)土壤濕度一體化傳感器（見(jiàn)圖1），可監(jiān)測(cè)實(shí)際降雨入滲條件下寶蓋山邊坡下蜀土的含水率變化范圍，圖2為土壤濕度一體化傳感器現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)照片。分別在寶蓋山邊坡的坡頂、坡中及坡腳一定深度處埋設(shè)土壤濕度一體化傳感器，寶蓋山邊坡剖面中的含水率傳感器的埋設(shè)情況如圖3所示。圖3中，含水率傳感器1-1-1-5的埋深分別為0.1 m、0.5 m、1.0 m、2.0 m及3.0 m；含水率傳感器2-1-2-5的埋深分別為1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m及5.0 m；含水率傳感器3-1-3-5的埋深分別為0.1 m、0.5m、1.0 m、2.0 m及3.0 m。

圖1 土壤濕度一體化傳感器

圖2 土壤濕度一體化傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

圖3 寶蓋山邊坡剖面中土壤濕度傳感器的埋設(shè)位置

將各個(gè)土壤濕度一體化傳感器接入到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，得到了寶蓋山邊坡剖面中各土壤濕度傳感器中的數(shù)據(jù)圖（見(jiàn)圖4）。前期探槽法埋設(shè)好土壤濕度傳感器后需回填下蜀土，回填時(shí)表層一定深度處有虛土，導(dǎo)致開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)表層1 m深度范圍內(nèi)的含水率測(cè)試數(shù)據(jù)偏大。去除這一影響后，通過(guò)分析圖4中不同位置處的含水率數(shù)據(jù)可知，寶蓋山邊坡不同深度處的下蜀土含水率在14%～30%區(qū)間變化。

圖4 寶蓋山邊坡剖面中不同位置處的含水率變化曲線(xiàn)

1.2 鎮(zhèn)江獾山邊坡下蜀土含水率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

獾山邊坡埋設(shè)的土壤濕度一體化傳感器同寶蓋山邊坡。分別在獾山邊坡的坡頂、坡中及坡腳一定深度處埋設(shè)土壤濕度一體化傳感器，獾山邊坡剖面中的含水率傳感器的埋設(shè)情況如圖5所示。圖5中，含水率傳感器1-1-1-5的埋深分別為0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m及4.0 m；含水率傳感器2-1-2-5的埋深分別為0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m及4.0 m；含水率傳感器3-1-3-5的埋深分別為0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m及4.0 m。

圖5 獾山邊坡剖面中土壤濕度傳感器的埋設(shè)位置

將各個(gè)土壤濕度一體化傳感器接入到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，得到了獾山邊坡剖面中各土壤濕度傳感器中的數(shù)據(jù)圖（見(jiàn)圖6）。去除表層回填虛土這一影響后，通過(guò)分析圖6中不同位置處的含水率數(shù)據(jù)可知，獾山邊坡不同深度處的下蜀土含水率在18%～30%區(qū)間變化。

圖6 獾山邊坡剖面中不同位置處的含水率變化曲線(xiàn)

2 試驗(yàn)土料及測(cè)試方法

2.1 試驗(yàn)土料的基本特征

試驗(yàn)所用土樣分別取自鎮(zhèn)江寶蓋山邊坡和獾山邊坡2.0～3.0 m深度處。將所取土樣進(jìn)行風(fēng)干處理，待土樣含水率穩(wěn)定后測(cè)定其風(fēng)干含水率，之后碾碎過(guò)2 mm篩封存?zhèn)溆?。取部分土樣進(jìn)行基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別如表1、表2所示。

由表1可知，寶蓋山及獾山土樣的塑性指數(shù)分別為16.6及16.7，結(jié)合表1、表2及《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112-2013)[13]，判斷本次試驗(yàn)所用下蜀土都為弱膨脹性粉質(zhì)黏土。

表1 下蜀土的基本物理參數(shù)

表2 下蜀土的顆粒組成

2.2 試樣制備及剪切試驗(yàn)

寶蓋山邊坡的下蜀土制樣干密度按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況取1.65 g/cm3，制樣含水率變化范圍取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所得的14%～30%，試驗(yàn)時(shí)分別取含水率為14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%、28%、30%，每組制備4個(gè)樣，共制備試樣9組。

獾山邊坡的下蜀土制樣干密度按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況取1.63 g/cm3，制樣含水率變化范圍取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所得的18%～30%，試驗(yàn)時(shí)分別取含水率為18%、20%、21%、22%、24%、25%、26%、28%、30%，每組制備4個(gè)樣，共制備試樣9組。

將制備好的下蜀土試樣裝入剪切盒，采用0.6 mm/min的剪切速度進(jìn)行剪切，施加的豎向壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。整個(gè)試驗(yàn)嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]的要求進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗剪強(qiáng)度特性分析

圖7、圖8分別為不同含水率下寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)。從圖中可以看出，寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的抗剪強(qiáng)度均具有顯著的水敏感性，含水率越大則相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度越小。同時(shí)也可看出隨著含水率的增加，寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土抗剪強(qiáng)度的減小具有顯著的階段性，兩者都是先大幅減小再小幅減小，出現(xiàn)抗剪強(qiáng)度變化趨勢(shì)不一致的拐點(diǎn)含水率都為22%。

圖7 不同含水率下寶蓋山邊坡下蜀土的抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)

圖8 不同含水率下獾山邊坡下蜀土的抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)

3.2 含水率對(duì)下蜀土黏聚力的影響

圖9為寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的黏聚力與含水率的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖9可以看出，當(dāng)寶蓋山邊坡的下蜀土含水率在14%～30%變化時(shí)，其黏聚力在61.0～13.6 kPa變化；當(dāng)獾山邊坡的下蜀土在18%～30%變化時(shí)，其黏聚力在58.5～13.7 kPa變化。寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土黏聚力隨著含水率的增加減小趨勢(shì)一致，都為先小幅減小，而后急劇減小，最后再小幅減小并最終保持穩(wěn)定。

圖9 下蜀土的黏聚力與含水率的關(guān)系曲線(xiàn)

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因如下：土粒間的相互吸引、水膜聯(lián)結(jié)與顆粒間的膠結(jié)作用為土體黏聚力的三個(gè)主要來(lái)源[15-16]。當(dāng)下蜀土的含水率達(dá)到其塑限前，因土顆粒間存在基質(zhì)吸力，所以此時(shí)黏聚力隨著含水率的增加小幅減小。隨著含水率的進(jìn)一步增大，土顆粒之間的弱結(jié)合水膜增厚，粒間距離變大，進(jìn)而導(dǎo)致聯(lián)結(jié)力減弱，到土體飽和時(shí)則聯(lián)結(jié)作用完全消失。顆粒間的膠結(jié)物只有當(dāng)下蜀土中的自由水增加到某個(gè)數(shù)值后才開(kāi)始被溶蝕，此時(shí)的膠結(jié)作用才逐漸喪失。所以當(dāng)下蜀土的含水率達(dá)到某一值時(shí)，其黏聚力會(huì)明顯下降；當(dāng)土體飽和后，黏聚力則已相對(duì)穩(wěn)定。

3.3 含水率對(duì)下蜀土內(nèi)摩擦角的影響

圖10為寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖10可以看出，當(dāng)寶蓋山邊坡的下蜀土含水率在14%～30%變化時(shí)，其內(nèi)摩擦角在26.5°～5.4°變化；當(dāng)獾山邊坡的下蜀土在18%～30%變化時(shí)，其內(nèi)摩擦角在23.3°～5.9°變化。寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加減小趨勢(shì)一致，都為先急劇減小，再小幅減小并最終保持穩(wěn)定。

圖10 下蜀土的內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線(xiàn)

土體的內(nèi)摩擦角與其顆粒結(jié)構(gòu)、大小形狀及密實(shí)度緊密相關(guān)[17]。寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土具有失水收縮及吸水后的弱膨脹特性，隨著含水率的增大，下蜀土內(nèi)部的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)會(huì)在水的潤(rùn)滑作用下孔隙結(jié)構(gòu)逐漸增大，顆粒之間的咬合度逐漸降低，從而表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的減小。另一方面，從非飽和的角度考慮，隨著含水率的增大，土顆粒間的表面張力逐漸消失，導(dǎo)致土顆粒間的擠壓作用也逐漸消失，相應(yīng)的土顆粒間摩擦作用也就逐漸減小，直至消失[18]。綜合上述原因，寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的內(nèi)摩擦角都呈現(xiàn)為先急劇減小，再小幅減小并最終保持穩(wěn)定的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)土壤濕度傳感器的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，測(cè)得寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的含水率變化范圍分別為14%～30%和18%～30%。

（2）隨著含水率的增加，寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土抗剪強(qiáng)度的減小都具有顯著的階段性，都為先大幅減小再小幅減小。

（3）隨著含水率的增加，寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的黏聚力都為先小幅減小，而后急劇減小，最后再小幅減小并最終保持穩(wěn)定；下蜀土的內(nèi)摩擦角則為先急劇減小，再小幅減小并最終保持穩(wěn)定。