張雪東,李曉霞,沈宇鵬,張 哲

(1.中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100088；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

肯尼亞蒙內(nèi)鐵路是東非鐵路網(wǎng)的重要組成部分，采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)修建,且穿越了大片的膨脹土區(qū)域。膨脹土具有遇水膨脹、失水收縮的特性，使得遇水失穩(wěn)的膨脹土路塹邊坡具有淺層性、漸進(jìn)性和潛伏性[1]，將影響鐵路路基工程建設(shè)質(zhì)量和后期運(yùn)營(yíng)安全。由于當(dāng)?shù)鬲?dú)特的氣候和自然條件，膨脹土邊坡在降雨條件下的失穩(wěn)機(jī)理與普通邊坡也有所不同。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)膨脹土邊坡的失穩(wěn)機(jī)理作了大量的研究，認(rèn)為降雨是膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要誘因[2-5]。在降雨條件下邊坡土體的含水率升高，基質(zhì)吸力降低，從而導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度降低[6]。在降雨入滲條件下水對(duì)土體的含水率、孔隙水壓力、應(yīng)力狀態(tài)、變形和物理狀態(tài)影響顯著[7]。在水分入滲過(guò)程中膨脹土中裂縫的變大，也加劇了邊坡的失穩(wěn)[8]。隨著邊坡膨脹土干濕循環(huán)次數(shù)的增加，邊坡的安全系數(shù)會(huì)非線性減小，土體發(fā)生破壞的可能性也隨之增大[9]。目前，多采用室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)膨脹土進(jìn)行研究，但是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果存在差異，而且國(guó)內(nèi)關(guān)于蒙巴薩地區(qū)膨脹土邊坡在降雨條件下失穩(wěn)機(jī)理的研究幾乎沒(méi)有。除此之外，隨著我國(guó)在非洲地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，也急需對(duì)該地區(qū)膨脹土在降雨條件下的失穩(wěn)機(jī)理有所探究。

本文以蒙巴薩西站的天然膨脹土邊坡為研究對(duì)象，開(kāi)展人工降雨試驗(yàn)，研究土體溫度、含水率、基質(zhì)吸力及邊坡法向變形的變化規(guī)律，并分析漿砌片石對(duì)降雨入滲的抑制效果，驗(yàn)證漿砌片石護(hù)坡的有效性。

1 工程條件

蒙內(nèi)鐵路連接肯尼亞首都內(nèi)羅畢和東非第一大港—蒙巴薩港，是東非鐵路網(wǎng)的起始段，全長(zhǎng)472 km，設(shè)計(jì)輸送能力 2 500萬(wàn)t，采用中國(guó)I級(jí)鐵路標(biāo)準(zhǔn)。膨脹土地段主要位于DK1+600—DK20+700，為近海丘陵地貌，地形起伏較大；降雨集中在7—9月，具有持續(xù)時(shí)間短、雨量大等特點(diǎn)。

該段地層為第四系全新統(tǒng)海相沉積的淤泥、細(xì)砂，沖洪積粉質(zhì)黏土，下伏侏羅系上統(tǒng)頁(yè)巖，產(chǎn)狀300°∠27°。根據(jù)該段線路黏性土、頁(yè)巖的自由膨脹率試驗(yàn)以及沿線調(diào)查情況，該段黏土具有中等膨脹性；全風(fēng)化頁(yè)巖多具有弱膨脹性，部分路段具有中等膨脹性。該路段的膨脹土主要呈褐黃色，膨脹巖主要呈紫灰、褐紅色，具分層結(jié)構(gòu)。在自然狀態(tài)下膨脹土(巖)呈堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)，裂隙發(fā)育。膨脹土的黏土礦物成分以伊利石、蒙脫石等親水性礦物為主。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 邊坡條件

邊坡土體為強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，呈土夾碎石狀，局部夾中砂，呈褐黃色，中等膨脹性。坡角為60°，坡體表面有長(zhǎng)約3～5 cm，深度約1～2 cm的裂縫，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)邊坡裂縫情況

2.2 監(jiān)測(cè)方法

對(duì)人工降雨的瞬時(shí)強(qiáng)度、累計(jì)降雨量，以及降雨過(guò)程及降雨結(jié)束后不同深度處的土體含水率、基質(zhì)吸力，邊坡法向的脹縮變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。選取2個(gè)邊坡，分別為天然裸露邊坡和采用漿砌片石防護(hù)的邊坡，二者直線距離約 1 000 m。因考慮砂漿初凝時(shí)間，在漿砌片石防護(hù)完成后的第3 d開(kāi)始監(jiān)測(cè)。由于天氣原因，這2個(gè)邊坡的試驗(yàn)時(shí)間前后間隔7 d。

采用MPS-6型土壤水勢(shì)傳感器、5-TM型水分傳感器分別對(duì)土體基質(zhì)吸力、含水率變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這2種傳感器分別布設(shè)在坡面中部沿法線方向10，20，30 cm 深度處。位移監(jiān)測(cè)儀布設(shè)在坡體表面中部?jī)蓚?cè)，監(jiān)測(cè)儀的磁力吸盤固定在邊坡外側(cè)金屬平臺(tái)上，按0.5次/s的頻率記錄邊坡上的百分表指針隨坡面法向變形而產(chǎn)生的伸縮量，實(shí)現(xiàn)對(duì)坡面法向變形的監(jiān)測(cè)。ECRN-100型雨量筒布設(shè)在邊坡表面中部中間位置，該雨量筒具有自動(dòng)集水、排水功能，按0.5次/s的頻率采集排水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)降雨強(qiáng)度和累計(jì)降雨量的監(jiān)測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 降雨量

對(duì)無(wú)防護(hù)、有防護(hù)邊坡的瞬時(shí)降雨強(qiáng)度和降雨量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。可知，這2個(gè)邊坡的降雨時(shí)間一樣長(zhǎng)，均為150 min；累計(jì)降雨總量基本相同，約為120 mm；瞬時(shí)降雨強(qiáng)度均不超過(guò)2 mm/min，但在進(jìn)行有防護(hù)邊坡降雨試驗(yàn)時(shí)，瞬時(shí)降雨強(qiáng)度起伏較大，原因是試驗(yàn)當(dāng)天風(fēng)大，對(duì)雨量筒的監(jiān)測(cè)干擾較大?？傮w上講，人工降雨條件符合當(dāng)?shù)亟涤陼r(shí)間短、雨量大等特點(diǎn)；2個(gè)邊坡的累計(jì)降雨量基本相同，從而保證2個(gè)邊坡具有相同的試驗(yàn)條件。

圖2 邊坡瞬時(shí)降雨強(qiáng)度和降雨量監(jiān)測(cè)曲線

圖3 邊坡含水率變化曲線

3.2 含水率

無(wú)防護(hù)、有防護(hù)邊坡在試驗(yàn)過(guò)程中的含水率變化曲線見(jiàn)圖3。由圖3(a)可知，10 cm深度處的初始含水率高于20 cm深度處，這是由于在試驗(yàn)開(kāi)始前，有短時(shí)降雨且強(qiáng)度小，降雨入滲范圍有限，使得淺層土體含水率較高；人工降雨初期，土體含水率穩(wěn)定；隨著降雨持續(xù)，土體中含水率開(kāi)始增加，無(wú)防護(hù)邊坡10 cm深度處含水率增加量大于20 cm深度處增加量。其原因是：①監(jiān) 測(cè)邊坡主要以黏土為主，滲透系數(shù)低；入滲過(guò)程使得土體滲透系數(shù)逐漸增加，即水的入滲需要一定時(shí)間；②由于試驗(yàn)前，有短時(shí)降雨，土體初始含水率較大，人工降雨的入滲量極為有限，土體淺層含水率變化較大。由圖3(b)可知，有防護(hù)邊坡10 cm深度處的初始含水率低于20 cm深度處的初始含水率，這是由于淺層土體中水分蒸發(fā)作用強(qiáng)烈；隨著降雨持續(xù)，土中含水率上升幅度較小。可見(jiàn)漿砌護(hù)坡對(duì)降雨入滲具有抑制效果。

3.3 基質(zhì)吸力

無(wú)防護(hù)、有防護(hù)邊坡在試驗(yàn)過(guò)程中的基質(zhì)吸力變化曲線見(jiàn)圖4?？芍?，無(wú)防護(hù)邊坡10，20 cm深度處基質(zhì)吸力均有大幅度降低，而30 cm深度處則保持穩(wěn)定；有防護(hù)邊坡10 cm深度處基質(zhì)吸力有小幅度下降，而20，30 cm深度處則保持穩(wěn)定。有防護(hù)邊坡在降雨過(guò)程中只有淺層處的基質(zhì)吸力有小幅下降，其原因是：有防護(hù)的邊坡在降雨條件下，含水率較穩(wěn)定，基質(zhì)吸力變化不大。降雨對(duì)邊坡土體具有一定的影響深度范圍，在此深度范圍內(nèi)邊坡含水率和基質(zhì)吸力分別會(huì)有顯著的上升和下降。經(jīng)試驗(yàn)得出，在降雨總量為120 mm時(shí)，降雨對(duì)無(wú)防護(hù)邊坡的影響深度約為25 cm，對(duì)漿砌片石防護(hù)后的邊坡影響深度約為15 cm。

圖4 邊坡基質(zhì)吸力變化曲線

綜合分析圖3、圖4可知，2個(gè)監(jiān)測(cè)邊坡相同深度處初始含水率相差2倍以上，而基質(zhì)吸力卻較為接近。其原因是2個(gè)邊坡距離較遠(yuǎn)，土體性質(zhì)差異顯著；未防護(hù)邊坡黏土成分含量較高，土顆粒間的孔隙小，儲(chǔ)水能力強(qiáng)；有防護(hù)邊坡砂土成分含量較高，土顆粒間的孔隙大，儲(chǔ)水能力弱，即在2個(gè)邊坡土體基質(zhì)吸力較為接近的情況下，黏土含量高的邊坡含水率要顯著高于砂土含量高的邊坡。綜上可知，蒙巴薩地區(qū)鐵路沿線邊坡土體成分不同，性質(zhì)差異顯著。

3.4 法向變形

圖5 邊坡表面法向變形監(jiān)測(cè)曲線

無(wú)防護(hù)、有防護(hù)邊坡在試驗(yàn)過(guò)程中的邊坡法向變形監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖5?？芍孩?gòu)慕涤觊_(kāi)始至100 min，4個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)均出現(xiàn)負(fù)值變形。降雨初期，水分入滲，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，邊坡塌陷；無(wú)防護(hù)邊坡土體結(jié)構(gòu)的塌陷量大于有防護(hù)邊坡。其原因是：無(wú)防護(hù)邊坡的水分入滲量要大于有防護(hù)邊坡，同時(shí)漿砌片石對(duì)邊坡具有防護(hù)作用，對(duì)降雨入滲的抑制效果顯著。②在 100 min時(shí)，無(wú)防護(hù)邊坡開(kāi)始出現(xiàn)較大的膨脹變形；有防護(hù)邊坡的變形量則維持在0附近。其原因是：坡中土體含水率升高，土體被充分濕潤(rùn)而產(chǎn)生的膨脹變形。

由圖3(a)、圖4(a)、圖5(a)可知，無(wú)防護(hù)邊坡各深度處的基質(zhì)吸力與含水率變化呈負(fù)相關(guān)，且二者變化速率最快的階段重合。該現(xiàn)象與非飽和土典型土水特征曲線[7]規(guī)律相一致。由圖3(b)、圖4(b)、圖5(b)可知，有防護(hù)邊坡20 cm深度處的含水率和基質(zhì)吸力維持穩(wěn)定，10 cm深度處則分別有小幅度的增加和降低?？梢哉J(rèn)為只有少量的水分通過(guò)漿砌片石護(hù)坡的縫隙進(jìn)入土體。

對(duì)比圖3、圖4、圖5可知，在降雨入滲條件下基質(zhì)吸力、含水率均經(jīng)歷3個(gè)階段，即穩(wěn)定-變化-再穩(wěn)定。第1階段：降雨初期，土體各深度處的含水率和基質(zhì)吸力變化不大，這是由于膨脹土本身滲透性較小的緣故，土體結(jié)構(gòu)在水分的潤(rùn)滑作用下，有微小塌陷。第2階段：隨著降雨持續(xù)，無(wú)防護(hù)邊坡表面裂縫擴(kuò)大，含水率上升，基質(zhì)吸力下降；當(dāng)含水率上升到變形的臨界值時(shí)，土體體積膨脹。第3階段：降雨停止，含水率和基質(zhì)吸力不再變化，膨脹變形基本停止。

文獻(xiàn)[10]表明：降雨入滲使土體飽和度和含水率增加，土體中基質(zhì)吸力降低，負(fù)孔隙水壓增加，土體的抗剪強(qiáng)度大幅度降低。在降雨入滲的第2階段，無(wú)防護(hù)邊坡各深度處含水率變化曲線的斜率比有防護(hù)邊坡各深度處的斜率大；且無(wú)防護(hù)邊坡的最大膨脹變形量為5 mm，有防護(hù)邊坡幾乎無(wú)膨脹變形。可見(jiàn)，漿砌片石護(hù)坡可以有效提高土體內(nèi)部土水狀態(tài)的穩(wěn)定性，防護(hù)效果顯著。

4 結(jié)論

1)蒙巴薩地區(qū)鐵路沿線不同地段邊坡土體成分不同，土體性質(zhì)差異較大。

2)從降雨開(kāi)始，到土體中含水率和基質(zhì)吸力出現(xiàn)明顯變化，水分入滲需要一定的時(shí)間，該時(shí)間的長(zhǎng)短與原邊坡?tīng)顟B(tài)有關(guān)。

3)降雨的影響具有一定深度。當(dāng)降雨總量為120 mm 時(shí)，無(wú)防護(hù)、有防護(hù)邊坡的影響深度范圍分別約為25,15 cm。在降雨影響深度范圍內(nèi)，邊坡含水率和基質(zhì)吸力分別會(huì)有顯著的上升和下降。

4)在降雨初期，膨脹土邊坡會(huì)有微小塌陷；隨著降雨持續(xù)，土中含水率升高，土體體積發(fā)生膨脹。

5)對(duì)邊坡而言，漿砌片石護(hù)坡可以減弱降雨對(duì)邊坡土水狀態(tài)的影響，減小土體體積的膨脹。漿砌片石防護(hù)對(duì)于降雨入滲的抑制效果顯著，可應(yīng)用于非洲地區(qū)的膨脹土邊坡防護(hù)工程。

[1]劉特洪.工程建設(shè)中的膨脹土問(wèn)題[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[2]陳建斌，孔令偉，郭愛(ài)國(guó)，等.降雨蒸發(fā)條件下膨脹土邊坡的變形特征研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40(11)：70-77.

[3]鄭建龍.公路膨脹土工程理論與技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2013.

[4]肖杰，楊和平，李昭峰，等.膨脹土邊坡淺層破壞穩(wěn)定性分析[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2014，14(2)：22-17.

[5]黃磊，羅書(shū)學(xué)，李龍起，等.高土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性主控因素研究[J].鐵道建筑，2017，57(7):99-102.

[6]李兆平，張彌.考慮降雨入滲影響的非飽和土邊坡瞬態(tài)安全系數(shù)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2001，34(5)：57-61.

[7]包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩(wěn)定問(wèn)題[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26(1)：1-15.

[8]袁俊平，殷宗澤.考慮裂隙非飽和膨脹土邊坡入滲模型與數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2004，25(4):1581-1586.

[9]左人宇，鄧剛，陳銳，等.膨脹土邊坡在干濕循環(huán)作用下的穩(wěn)定性分析[J].路基工程，2016，34(4):166-170.

[10]戚國(guó)慶.降雨誘發(fā)滑坡機(jī)理及其評(píng)價(jià)方法研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2004.