干濕循環(huán)對(duì)可變飽和殘余土邊坡穩(wěn)定性影響研究

吐爾遜那依·托乎提

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 概述

由山洪暴發(fā)等原因?qū)е碌臏\層滑坡會(huì)對(duì)橋梁、道路、排水系統(tǒng)、農(nóng)田等基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞，甚至導(dǎo)致人員死亡和失蹤[1]。淺層滑坡的此類問題已受到國內(nèi)外研究界的廣泛關(guān)注[2]。淺層失穩(wěn)的邊坡一般處于包氣帶內(nèi)，一年中的大部分時(shí)間表現(xiàn)為土吸力或負(fù)孔隙水壓力。長時(shí)間的降雨和隨后的入滲使邊坡臨界深度處的土壤吸力降低到接近于0，往往成為淺層邊坡破壞的觸發(fā)機(jī)制[3]。此外，許多快速移動(dòng)的淺層滑坡和泥石流最終是由正孔隙水壓力上升或靜態(tài)液化引起的[4]。在邊坡穩(wěn)定性和入滲分析中加入非飽和土的性質(zhì)，可以更好地反映土質(zhì)邊坡的實(shí)際行為[5]。當(dāng)孔隙水壓力接近于0且臨界深度為正時(shí)，坡度相對(duì)陡峭(如>45°)的邊坡可能會(huì)失效。

因此，本研究的主要目的是研究滑坡區(qū)殘余土在飽和和非飽和條件下的剪切和持水特性。為了更好地了解現(xiàn)場孔隙水壓力的變化，還對(duì)該區(qū)域內(nèi)的一個(gè)典型邊坡進(jìn)行了測量。此外，研究了干濕循環(huán)對(duì)土壤剪切特性的影響，以及它們對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 坡度測量

2.1 站點(diǎn)描述

研究地點(diǎn)位于農(nóng)業(yè)區(qū)的山麓附近，有多種果樹種植園，平均坡度約為26°。在5個(gè)高程分別安裝了5個(gè)張力計(jì)測站和測斜儀。張力計(jì)安裝在0.5m和1m深度處，可測孔隙水壓力范圍為-80～600kPa。在坡腳處還安裝了1個(gè)自動(dòng)翻斗雨量計(jì)。安裝的測斜儀是基于附著在PVC管上的MEMs加速度計(jì)，該P(yáng)VC管埋在相對(duì)適宜的基巖深度約1m處。傳感器的讀數(shù)被記錄在一個(gè)可以將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)绞謾C(jī)的記錄系統(tǒng)中。此外，開挖了一個(gè)深度約為1m的試坑，用于肉眼觀察薄壁管取樣和雙環(huán)入滲試驗(yàn)(如圖1所示)。在內(nèi)襯鉆孔內(nèi)進(jìn)行了變水頭試驗(yàn)，以確定約2m和3m深度處的飽和滲透率。滲透性數(shù)據(jù)的分散性很大，特別是在深度小于1m的地面，這可能是由于殘余土的非均勻性。滲透率變異性的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致孔隙水壓力的強(qiáng)烈不均勻分布，有時(shí)由于滲流的阻礙會(huì)導(dǎo)致孔隙水高度正分布。研究區(qū)土壤性質(zhì)見表1，土層越深，土體越粗、越密，比重越大，全風(fēng)化巖石越深，膠結(jié)特征越明顯。將可能參與邊坡破壞的上部材料歸為低塑性粉土。

表1 基本土壤性質(zhì)和分類

圖1 研究區(qū)典型土壤剖面圖

2.2 監(jiān)控結(jié)果

圖2為孔隙水壓力和日降雨量隨時(shí)間的變化規(guī)律。在0.5m和1m深度處，孔隙水壓力在一年中的大部分時(shí)間都保持為負(fù)值。盡管2008年11月3日當(dāng)天降雨量約為68mm，但孔隙水壓力僅維持在0kPa左右，并沒有遠(yuǎn)大于此?？菟诳紫端畨毫档偷乃俾?自2008年11月8日起)隨著孔隙水壓力的降低而變大。在測量過程中，測斜儀的讀數(shù)未顯示任何明顯的坡度移動(dòng)。這一觀測結(jié)果與引起邊坡穩(wěn)定性的土體孔隙水負(fù)壓力是一致的。

圖2 孔隙水壓力與日降雨量的變化

3 剪切行為和持水特性

3.1 飽和剪切特性

對(duì)直徑約63mm的飽和和非飽和原狀試樣進(jìn)行了一系列多級(jí)和單級(jí)直剪試驗(yàn)，研究其剪切特性。采用常規(guī)直剪箱確定了在16、32、64kPa三種正應(yīng)力條件下進(jìn)行的慢固結(jié)排水多級(jí)剪切試驗(yàn)的有效強(qiáng)度參數(shù)(有效黏聚力截距和有效抗剪角)。測試的樣本取自地表及0.3、0.7、0.8、1m深度的農(nóng)業(yè)區(qū)域。由于膠結(jié)作用，1m深度的土壤具有最高的有效黏聚力截距，這是結(jié)構(gòu)性土壤或完全風(fēng)化巖石的預(yù)期特征。

3.2 非飽和剪切特性

非飽和試樣的吸力監(jiān)測直剪試驗(yàn)在恒定法向應(yīng)力16kPa下進(jìn)行。該法向應(yīng)力值對(duì)應(yīng)的土層厚度為0.8～1m，即為預(yù)期破壞面。使用的儀器是傳統(tǒng)的直剪箱，為了使張力計(jì)可以通過頂帽插入并監(jiān)測剪切過程中的土壤吸力而進(jìn)行了改造，如圖3所示。所有剪切試驗(yàn)均在恒定含水率條件下進(jìn)行，剪切速率為0.05mm/min，測試結(jié)果如圖4所示。

圖3 吸力監(jiān)測的直剪箱

圖4 0.7m深度試樣在不同吸力條件下的剪切特性

根據(jù)圖4可知，吸力越大，試樣的強(qiáng)度越高，膨脹越劇烈。剪切初期，土體體積和吸力略有減小。當(dāng)試樣開始膨脹并達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，吸力也隨之增大。零吸試樣的測試采用了多級(jí)方式，因此對(duì)于水平位移較大的試樣，沒有得到任何結(jié)果。圖5為0.7m深度處試樣的抗剪強(qiáng)度和吸力變化情況。非飽和抗剪強(qiáng)度擬合公式為：

圖5 試樣在0.7m深度處的剪切強(qiáng)度與吸力的變化

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中，c′—有效黏聚力截距；σ—法向總應(yīng)力；ua—孔隙氣壓力，對(duì)于大氣壓下進(jìn)行的直剪試驗(yàn)，ua=0；uw—孔隙水壓力；φ′—有效抗剪角；φb—相對(duì)于吸力的抗剪角。表2總結(jié)了所有的抗剪強(qiáng)度參數(shù)?？辜魪?qiáng)度與吸力之間的變化似乎是非線性的。

表2 剪切強(qiáng)度參數(shù)

3.3 土水特征曲線

使用微型張力計(jì)和相對(duì)濕度傳感器進(jìn)行了吸力測試。測試過程包括逐漸濕潤和干燥樣品，同時(shí)測量每個(gè)階段的吸力、重量和尺寸。在潤濕過程中，當(dāng)土吸力低于1kPa時(shí)，將試樣浸入標(biāo)稱豎向覆蓋層應(yīng)力1kPa的水中浸泡至少5d。圖6所示的吸力為0.1kPa時(shí)的含水率值，實(shí)際上是任意選取的，用來表示在對(duì)數(shù)吸力圖中浸泡樣品的含水率。利用Jotisankasa和Mairaing的簡化方法確定土水特征曲線(式(2))，該土壤水分保持曲線也被用于預(yù)測破壞包絡(luò)線：

(2)

圖6 土水特征曲線

式中，s—飽和體積含水率；θ33—33kPa吸力或名義田間持水量下的體積含水率。結(jié)合上文中圖5可知，當(dāng)吸力小于30kPa時(shí)，Jotisankasa和Mairaing的簡化方法能夠較好地預(yù)測抗剪強(qiáng)度下界。然而，這種方法適用于預(yù)測只有土壤田間持水量而不是完整的土水特征曲線的非常大的地區(qū)的近似非飽和抗剪強(qiáng)度。

3.4 干濕循環(huán)的影響

為了明確材料的預(yù)期可降解性能，對(duì)1m深處的試樣進(jìn)行了一系列不同干濕循環(huán)次數(shù)的剪切試驗(yàn)。對(duì)于每個(gè)循環(huán)，樣品先在水中浸泡幾天，然后在105℃下烘干1d。這代表土壤在田間可以經(jīng)歷的溫度和水分含量變化的極端情況。值得注意的是，零干濕交替下場地1m深度處的土體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)性土，表現(xiàn)出一定的有效黏聚力。經(jīng)過5次干濕循環(huán)后試樣的有效黏聚力經(jīng)結(jié)構(gòu)破壞降低至近0(圖7)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，失效包絡(luò)線仍保持相對(duì)不變。試樣在不超過5次循環(huán)后，已經(jīng)劣化到幾乎所有的膠結(jié)結(jié)構(gòu)都已經(jīng)被破壞的程度。

圖7 干燥/濕潤循環(huán)對(duì)失效包絡(luò)的影響

4 對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為了將所有這些觀察到的行為放在邊坡穩(wěn)定的背景下，進(jìn)行了一些簡單的考慮飽和/非飽和抗剪強(qiáng)度的無限邊坡分析。采用式(3)計(jì)算飽和和非飽和情況下的安全系數(shù)F：

(3)

式中，當(dāng)uw>0時(shí)，φ″=φ′；當(dāng)uw=0時(shí)，φ″=φb。對(duì)破壞深度z=0.5和1m，邊坡坡度β=25、45和60°的假想邊坡進(jìn)行分析。這些斜坡代表了地區(qū)遭受滑坡影響的典型地形范圍。對(duì)于吸力在0～20kPa范圍內(nèi)的所有材料，假定φb=27.7度的定值。然后繪制安全系數(shù)與孔隙水壓力之間的變化曲線，以找出不同情況下的觸發(fā)孔隙水壓力。對(duì)于干濕循環(huán)次數(shù)的影響(圖8)，對(duì)于吸力幾乎為0的陡坡(β=60°)，只有5次或更少的極端干濕循環(huán)可能會(huì)引起邊坡的一些失穩(wěn)。因此，土體吸力對(duì)坡度大于60°左右的劣化邊坡(結(jié)構(gòu)破壞/膠結(jié)破壞)具有重要的穩(wěn)定作用。

圖8 不同干濕循環(huán)下邊坡安全系數(shù)與孔隙水壓力的變化規(guī)律

5 結(jié)語

土體的抗剪強(qiáng)度隨著深度的增加而增加，其中1m深度處的土體由于其膠結(jié)作用而具有最高的有效黏聚力截距。然而，這種黏聚力可以通過幾次極端的干濕循環(huán)而被破壞?？辜魪?qiáng)度與吸力之間的變化似乎是非線性的。簡單無限邊坡分析結(jié)果表明，材料劣化和孔隙水壓力增大會(huì)導(dǎo)致土體邊坡失穩(wěn)，土體吸力對(duì)坡度大于60°的劣化邊坡具有重要的穩(wěn)定作用。研究結(jié)果可為多雨區(qū)工程開發(fā)設(shè)計(jì)提供理論參考價(jià)值，本研究只考慮了土體干濕循環(huán)對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，在實(shí)際工程案例中，邊坡的失穩(wěn)往往是多種因素共同作用的結(jié)果，后續(xù)的研究可根據(jù)工程實(shí)際案例考慮多因素共同作用來分析邊坡穩(wěn)定性。