降雨條件下強風(fēng)化碎石土高填路基穩(wěn)定性縮尺模型試驗

摘要 魯中地區(qū)地形以山嶺重丘為主，廣泛分布強風(fēng)化巖。在進(jìn)行高速公路建設(shè)時，需改造自然山坡，以形成高填路基或半填半挖路基，然而受地形條件、施工場地限制等多重因素影響，陡斜坡上的高填方路基邊坡極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，加之魯中地區(qū)降雨集中，強風(fēng)化巖遇水易崩解，增加坡體失衡風(fēng)險，進(jìn)而可能誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。文章依托“強風(fēng)化陡斜坡高填路基處治措施與施工質(zhì)量控制技術(shù)研究”項目，通過室內(nèi)試驗探究降雨條件下強風(fēng)化碎石土高填路基邊坡的入滲響應(yīng)分析及破壞形式，以期為后續(xù)研究提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞 魯中地區(qū)；高陡斜坡；強風(fēng)化巖

中圖分類號 U416.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0034-04

0 引言

魯中地區(qū)山嶺重丘遍布、降雨集中，廣泛分布的風(fēng)化巖體在降雨的影響下穩(wěn)定性顯著下降，這對極端天氣條件下山區(qū)道路的高填陡坡路基和半填半挖路基的安全性與穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重影響，給此區(qū)域的高速公路建設(shè)帶來重大挑戰(zhàn)?！丁笆奈濉苯煌I(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》[1]中指出“開展復(fù)雜環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施安全性能劣化機理、重大交通基礎(chǔ)設(shè)施災(zāi)變理論、復(fù)合鏈?zhǔn)綖?zāi)害機理等研究。提升重大基礎(chǔ)設(shè)施安全風(fēng)險評估能力，突破地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、山地災(zāi)害影響等技術(shù)”。隨著山東省經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，加強魯中地區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，已成為推動半島城市群協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵。因此，該文基于縮尺模型試驗，探究降雨條件下強風(fēng)化碎石土高填路基邊坡的入滲響應(yīng)分析及破壞形式，以期為后續(xù)研究提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

1 模型試驗平臺及模型設(shè)計

根據(jù)模型架構(gòu)尺寸和相似定理，確定此次模型試驗相似比為1：20。試驗依托校內(nèi)氣象模擬實驗室進(jìn)行，實驗室配置如圖1所示：

2 模型箱設(shè)計

試驗共設(shè)置三個模型箱，如圖2所示分別模擬小雨、中雨、大雨三種不同的降雨工況，材質(zhì)均為鋼板，模型箱高1.5 m、寬1 m、長3 m。

上述對填料的相似參數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)，但在實際試驗中難以制造出指定參數(shù)的相似材料，因此該模型試驗相應(yīng)降低了相似材料的標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。以現(xiàn)場原邊坡土樣為下部基體，上部填料為現(xiàn)場填筑土料。在填筑時，調(diào)整土體至原邊坡的含水率，按每層一定質(zhì)量裝入模型箱，并壓實厚度至10 cm，以控制邊坡模型密度。在構(gòu)建過程中，將濕度傳感器、土壓力計埋設(shè)在指定位置。

3 試驗方案及過程

根據(jù)上述確定的相似比，將模型試驗的模擬時間設(shè)置為1 287 min。為簡化模型的試驗方案，使其更具備可操作性，將小雨、中雨工況的降雨時間設(shè)置與大雨工況相同。根據(jù)博山區(qū)降雨量統(tǒng)計，最終確定模型試驗的降雨實施方案如表1所示：

試驗采用的傳感器設(shè)備為土壓力計、含水率傳感器，其中土壓力計設(shè)置在邊坡坡腳、坡中和坡頂處，埋設(shè)深度為0.4 m；含水率采用濕度傳感器測量，分別布設(shè)于模型邊坡坡腳、坡中和坡頂處，位置與土壓力計相同。具體的設(shè)備布設(shè)方案如圖3所示：

4 降雨入滲響應(yīng)分析

4.1 土壓力演變過程

由圖4小雨條件下的土壓力演變過程可知，在0～500 min內(nèi)坡腳土壓力持續(xù)上升。600 min時出現(xiàn)拐點，之后增長緩慢并趨于穩(wěn)定，最大值約4 kPa。坡腳與坡中的土壓力波動增加，最終分別穩(wěn)定在2 kPa和0.7 kPa左右。

圖5為中雨條件下的土壓力演變曲線，與小雨工況趨勢相似，但其幅度更大。在0～300 min內(nèi)坡腳土壓力快速上升，300 min后增速放緩，最終穩(wěn)定在5 kPa左右。坡中和坡頂土壓力變化一致，分別穩(wěn)定在3 kPa和1.8 kPa左右。

圖6為大雨條件下的土壓力演變趨勢。在前300 min內(nèi)，坡頂、坡中與坡腳的土壓力急速上升，而坡頂處因大雨侵蝕導(dǎo)致土壓力突變而發(fā)生破壞，隨后因降雨不斷入滲導(dǎo)致土體容重增加使得土應(yīng)力略增。坡中土壓力先升后降，最后趨于穩(wěn)定，這是由于坡頂破壞后的土體被沖至坡腳。最終坡頂、坡中、坡腳土壓力趨于穩(wěn)定，表明土體達(dá)到飽和狀態(tài)。

通過對比不同降雨強度下的土壓力變化，可以發(fā)現(xiàn)降雨強度越大，土壓力達(dá)到相對穩(wěn)定階段所需的時間越短，這是因為強降雨會導(dǎo)致孔隙水壓力迅速上升，從而減少土壤顆粒間的有效應(yīng)力，使土體更容易發(fā)生變形和流動。

4.2 體積含水率演變過程

圖7為不同降雨條件下模型邊坡體積變化率的演化曲線。整體而言，降雨初期的入滲深度未達(dá)到傳感器位置，各測點體積含水率保持不變；隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，入滲深度逐漸達(dá)到傳感器位置，體積含水量迅速增加至最大值后略有下降并逐漸穩(wěn)定。隨著降雨時間的增加，雨水入滲量和深度相應(yīng)增加。在大雨條件下，體積含水率的響應(yīng)早于中雨條件，而中雨條件下的體積含水率響應(yīng)又早于小雨條件。

此外，從圖7中明顯可以看出，在不同降雨強度條件下，監(jiān)測點含水率的增長速率不一致，且坡腳體積含水率的上升速率遠(yuǎn)高于坡中與坡頂位置。

綜上所述，在不同降雨強度條件下，邊坡的坡頂、坡中和坡腳的體積含水率變化情況存在差異。隨著降雨強度的增加，邊坡土體的體積含水率也相應(yīng)增加，但增加的程度和速率受多種因素的影響。

4.3 破壞形式分析

圖8為不同降雨強度條件下模型邊坡的最終破壞圖。由圖8可見不同降雨工況對模型邊坡穩(wěn)定性的影響情況，在小雨和中雨工況下，邊坡原本的結(jié)構(gòu)能夠有效抵抗雨水的侵蝕和沖刷作用，保持其原有的穩(wěn)定性和完整性；然而，當(dāng)降雨強度增加至大雨工況時，由于大雨導(dǎo)致邊坡表面的土壤飽和，土壤顆粒間的摩擦力減小，使得邊坡無法承受原有的重力荷載和雨水沖刷力，導(dǎo)致坡頂區(qū)域遭受嚴(yán)重破壞，從而發(fā)生了失穩(wěn)破壞。

通過分析土壓力和體積含水率的演化曲線，可以得出以下結(jié)論：隨著降雨強度的增加，邊坡土體的含水量逐漸增大，使土體重量增加，水分子在土顆粒間的潤滑作用使得土體顆粒間的摩擦力降低，土體的抗剪強度減小，導(dǎo)致基質(zhì)吸力逐漸消散，從而加大了邊坡的下滑趨勢。

在對比三種降雨強度下的土應(yīng)力演化時，可見坡腳處的土體應(yīng)力顯著較大，這是由雨水在邊坡表面形成的水流對坡腳處的沖刷作用，以及水分在土體中的滲透作用共同導(dǎo)致。坡腳應(yīng)力的增加使得下滑趨勢加劇，進(jìn)而導(dǎo)致坡頂處開始出現(xiàn)拉應(yīng)力。伴隨應(yīng)力分布的變化，邊坡開始產(chǎn)生小位移，其中主要位移區(qū)集中在邊坡頂部，這是因為頂部土體受到的拉應(yīng)力最大，最容易發(fā)生破壞。隨著位移的不斷累積，最終導(dǎo)致坡頂開始出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象。

5 結(jié)論

該文通過縮尺模型試驗，探討了不同降雨強度條件下強風(fēng)化碎石土高填路基邊坡模型土壓力、體積含水率的演化規(guī)律，分析總結(jié)了模型邊坡的最終破壞形式，得出以下結(jié)論：

（1）在不同降雨強度條件下，邊坡應(yīng)力的演變過程整體趨勢呈現(xiàn)出一致性。隨著降雨時間的增長，應(yīng)力變化呈現(xiàn)出先增大后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢；在降雨強度較小的條件下，邊坡坡頂和坡中的應(yīng)力整體增幅較小，而坡腳的增幅較大；隨著降雨強度的增加，坡頂積水導(dǎo)致坡頂應(yīng)力增速加快。

（2）隨著降雨強度的增大，邊坡土體的體積含水率增加的速度和幅度也會逐漸增大。受重力影響，雨水在滲透時趨向坡腳處聚集。因此，在位置較高的區(qū)域，如坡頂和坡中，雨水的滲透作用相對較弱，導(dǎo)致這些區(qū)域的體積含水率較低；而坡腳處由于雨水的積聚，體積含水率相對較高。

（3）在降雨強度較低時，邊坡能夠有效抵抗雨水侵蝕，維持其穩(wěn)定性和完整性；隨著降雨強度的增大，邊坡土體含水率上升，導(dǎo)致抗剪強度降低和重量增加，加劇了下滑趨勢；當(dāng)降雨強度達(dá)到一定程度時，坡腳處受雨水沖刷和滲透影響，應(yīng)力顯著增大，同時剪應(yīng)力區(qū)向坡頂擴(kuò)展，加劇了整個邊坡的不穩(wěn)定性，最終坡頂因受到最大的拉應(yīng)力而發(fā)生明顯破壞。

參考文獻(xiàn)

[1]交通運輸部，科學(xué)技術(shù)部.“十四五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃[J].中國科技獎勵， 2022（4）：27-34.

[2]楊兵.土木工程相似理論與模型試驗[M].北京：科學(xué)出版社， 2021.

[3]李天斌，田曉麗，韓文喜，等.預(yù)加固高填方邊坡滑動破壞的離心模型試驗研究[J].巖土力學(xué)， 2013（11）：3061-3070.