付宏淵，陳鏡丞，曾鈴，邱祥

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降雨對(duì)炭質(zhì)泥巖?土分層路堤滲流與變形影響的模型試驗(yàn)

付宏淵，陳鏡丞，曾鈴，邱祥

(長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410004)

為研究降雨入滲對(duì)炭質(zhì)泥巖?土分層路堤滲流特征與穩(wěn)定性的影響，基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，利用含水率、張力計(jì)、土壓力盒等測試元件，開展炭質(zhì)泥巖?土分層路堤滲流及變形特性對(duì)降雨響應(yīng)的物理模型試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：在降雨條件下，邊坡內(nèi)部土體含水率(基質(zhì)吸力)的變化規(guī)律可以歸納為基本穩(wěn)定、快速增長(降低)、緩慢增加(降低)與持續(xù)降低(升高)共4個(gè)階段，分層填筑路堤中的低滲透性土層能降低雨水在高滲透性土層中的遷移速率；在降雨過程中，坡體內(nèi)部土體含水率的升高幅度與高程成反比，含水率的下降幅度與高程成正比，含水率的響應(yīng)時(shí)間、升降幅度與距坡面的距離成反比，基質(zhì)吸力隨時(shí)間的變化規(guī)律與含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律基本相反；降雨開始后，坡腳下部土體應(yīng)力沿坡體內(nèi)部水平指向坡面的方向先增大后減小，坡頂水平位移沿坡體內(nèi)部水平指向坡面的方向、坡頂豎直位移沿豎直向下的方向持續(xù)增大，坡腳下部土體應(yīng)力、坡頂位移的變化與邊坡穩(wěn)定性的變化具有較大的相關(guān)性。

分層路堤；模型試驗(yàn)；降雨入滲；炭質(zhì)泥巖；滲流特性；變形特征

炭質(zhì)泥巖廣泛分布于我國西南部地區(qū)，由于其水理性強(qiáng)、易風(fēng)化、強(qiáng)度低、變形大，在以往公路建設(shè)中常作為不良填料廢棄，但隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，很多地區(qū)適宜填料極為匱乏，從經(jīng)濟(jì)與環(huán)保2個(gè)方面考慮，利用炭質(zhì)泥巖進(jìn)行路堤填筑勢在必 行[1?3]。目前，工程上常采用完全崩解后的炭質(zhì)泥巖與黏土分層交錯(cuò)填筑路堤，其目的是利用低滲透性的優(yōu)質(zhì)填料對(duì)入滲雨水進(jìn)行阻隔，以減少滲入炭質(zhì)泥巖層中的雨量，防止遇水后炭質(zhì)泥巖持續(xù)崩解，從而達(dá)到提高路堤穩(wěn)定性的目的[4?5]。雖然工程建設(shè)者在進(jìn)行炭質(zhì)泥巖?土分層路堤施工時(shí)已經(jīng)較為保守、謹(jǐn)慎，但由于目前還沒有關(guān)于軟巖用于路堤填筑的相關(guān)規(guī)范，因此，只能按照土質(zhì)路堤填筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)炭質(zhì)泥巖層進(jìn)行填筑控制。但經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，炭質(zhì)泥巖?土分層路堤在填筑后濕化變形現(xiàn)象明顯，甚至在個(gè)別路段發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象。造成炭質(zhì)泥巖?土分層路堤濕化變形的根本原因主要有以下2個(gè)方面[6?7]：1) 雨水進(jìn)入崩解炭質(zhì)泥巖層后導(dǎo)致炭質(zhì)泥巖持續(xù)崩解，造成路堤填料強(qiáng)度劣化；2) 路堤內(nèi)部土體含水率升高，重度增大，導(dǎo)致路堤邊坡下滑力增大。由此可見，雨水是導(dǎo)致炭質(zhì)泥巖路堤變形的關(guān)鍵因素。如何從機(jī)理上分析炭質(zhì)泥巖?土分層路堤的失穩(wěn)，其重要前提是分析雨水在炭質(zhì)泥巖?土分層路堤內(nèi)部的滲流及變形特征，因?yàn)檫吰聺B流與變形特征是反映其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，而且分層交錯(cuò)填筑形式是一種新型路堤結(jié)構(gòu)。目前，分層交錯(cuò)填筑路堤在降雨條件下的滲流特征與穩(wěn)定性方面的研究成果報(bào)道很少。已有文獻(xiàn)在進(jìn)行降雨入滲條件下邊坡變形分析時(shí)，一般采用以下幾種研究手段：

1) 在采用計(jì)算機(jī)語言對(duì)飽和?非飽和滲流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行程序化處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合土體滲透系數(shù)、土水特征曲線、重度與抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)，分析邊坡降雨入滲過程及穩(wěn)定性的變化規(guī)律。采用此方法進(jìn)行邊坡降雨入滲分析時(shí)，忽略了土體的非線性、各向異性、隨機(jī)性等特征，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大差異[8?10]。

2) 通過位移與應(yīng)力傳感器對(duì)不同降雨時(shí)刻坡體內(nèi)外變形與應(yīng)力特征進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果與工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。其評(píng)估結(jié)果因人而異，受人為因素的影響較大[11?14]。

3) 通過制作小比例邊坡模型，并在邊坡模型中埋設(shè)含水率及應(yīng)力應(yīng)變等測試元件，研究人工模擬降雨條件下邊坡內(nèi)部滲流與變形特征的時(shí)空響應(yīng)規(guī)律，揭示邊坡雨水入滲及失穩(wěn)機(jī)理。

由于模型試驗(yàn)方法具有模擬各種實(shí)際工況、便于觀測、節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，該方法在降雨條件下邊坡穩(wěn)定性研究方面得到了廣泛應(yīng)用[15?17]。然而，目前已經(jīng)開展的邊坡降雨模型試驗(yàn)中，存在邊坡模型較小、土質(zhì)單一、降雨及降雨停止后持續(xù)時(shí)間較短等特征，且坡體內(nèi)部含水特征、基質(zhì)吸力的觀測僅限于坡面附近土體[18?19]，未能全方位體現(xiàn)路堤邊坡內(nèi)部滲流及變形特性的時(shí)空演變規(guī)律。為全面認(rèn)識(shí)降雨對(duì)炭質(zhì)泥巖?土分層填筑路堤滲流與變形特征的影響，分析黏土層的隔水效果，本文作者基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，利用含水率測試儀、張力計(jì)、土壓力盒、千分表等測試元件，對(duì)降雨條件下邊坡內(nèi)部含水率、基質(zhì)吸力、坡腳下部土體應(yīng)力及坡頂位移的變化規(guī)律進(jìn)行觀測，并在此基礎(chǔ)上，分析雨水的入滲過程、邊坡的失穩(wěn)機(jī)制及穩(wěn)定性的時(shí)空演化規(guī)律，以期為降雨條件下炭質(zhì)泥巖?土分層填筑路堤水分遷移及穩(wěn)定性的長期控制提供借鑒與參考。

1 炭質(zhì)泥巖?土分層路堤結(jié)構(gòu)基本情況

在建的廣西境內(nèi)六寨至河池高速公路將預(yù)崩解后的炭質(zhì)泥巖作為路堤填筑材料，如圖1所示。

炭質(zhì)泥巖與土的分層厚度按照每層40 cm進(jìn)行控制。填筑前，在取料場地將較大體積的炭質(zhì)泥巖巖塊進(jìn)行灑水崩解及人工干預(yù)破碎，使其填筑后滿足如表1所示路用性能的基本要求[20?21]。表1中分維數(shù)是立足于自相似性的，崩解炭質(zhì)泥巖的分維數(shù)計(jì)算式為

式中：ε為標(biāo)度；N(ε)為在此標(biāo)度下所得到的量度值；D為崩解炭質(zhì)泥巖的分維數(shù)。

表1 炭質(zhì)泥巖路堤填料路用指標(biāo)

2 模型試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)及流程

2.1 模型試驗(yàn)儀器與土體參數(shù)

降雨入滲模型試驗(yàn)的路堤模型與試驗(yàn)儀器如圖2所示。下面對(duì)本次試驗(yàn)所用的降雨支架、降雨噴頭、增壓水泵、模型箱、含水率測試儀、陶瓷張力計(jì)、千分表、土壓力盒、土壓力盒固定架等主要試驗(yàn)儀器的功能與參數(shù)進(jìn)行介紹。路堤填料基本物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 路堤填料基本物理力學(xué)性質(zhì)

1) 降雨支架。由邊長為1.5 cm的方鋼焊接成長×寬×高為195 cm×100 cm×220 cm的框架結(jié)構(gòu)，其作用為固定降雨噴頭。

2) 降雨噴頭。型號(hào)為AZ?W?1/2?0.5W實(shí)習(xí)錐型噴嘴，最大流量為0.5 L/min，覆蓋半徑為30 cm，其作用為模擬降雨。

3) 增壓水泵。型號(hào)為FL?2202A噴霧隔膜泵，最大流量為3.8 L/min，其作用為給降雨噴頭增壓。

4) 模型箱。由1 cm厚鋼板焊接成長×寬×高為 175 cm×80 cm×110 cm的填土箱與長×寬×高為 10 cm×80 cm×45 cm的地下水位箱。填土箱用于填筑路堤模型，地下水位箱用于控制路堤模型初始地下水位。填土箱正面為1塊厚為2 cm的透明有機(jī)玻璃板，用于觀察模型填筑與降雨入滲情況。

1—降雨支架；2—臺(tái)式電腦；3—數(shù)據(jù)采集儀；4—蓄水箱；5—千分表支架；6—炭質(zhì)泥巖；7—粉質(zhì)黏土；8—模型箱；9—增壓水泵；10—含水率測試儀；11—陶瓷張力計(jì)；12—千分表；13—土壓力盒；14—降雨噴頭；15—土壓力盒固定架。

5) 含水率測試儀。型號(hào)為MP?406土壤水分傳感器，量程為0~50%，測試精度為±2%，用于測試路堤內(nèi)部土體含水率(注：本文中的所有含水率均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

6) 陶瓷張力計(jì)。型號(hào)為TEN?30土壤張力計(jì)，量程為0~100 kPa，測試精度為±1 kPa，用于測試路堤內(nèi)部土體基質(zhì)吸力。

7) 千分表。型號(hào)為三豐數(shù)顯千分表，量程為0~50.8 mm，測試精度為0.001 mm，用于測試坡頂水平位移與豎直位移。

8) 土壓力盒。型號(hào)為TYJ?20?0.1振弦式土壓力盒，量程為0~0.1 MPa，測試精度為±1.5%，用于測試坡腳下部應(yīng)力。

9) 土壓力盒固定架：由1 cm厚鋼板焊接成長×寬×高為50 cm×25 cm×28 cm的倒“T”形結(jié)構(gòu)，用于固定土壓力盒。

2.2 模型試驗(yàn)流程

本次模型試驗(yàn)的流程可以概括為儀器調(diào)試、模型填筑、儀器布設(shè)與數(shù)據(jù)采集4個(gè)階段。

1) 儀器調(diào)試。首先，按照圖3(a)所示降雨噴頭布設(shè)平面圖在降雨支架頂部安裝降雨噴頭，調(diào)節(jié)降雨噴頭的噴射方向與噴射流量，使路堤模型的降雨強(qiáng)度達(dá)到12 mm/h，且降雨均勻性滿足95%的要求。然后，分別采用烘干法、真空抽氣法、液壓法對(duì)含水率測試儀、陶瓷張力計(jì)、土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定，其目的是確保試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與精度。

(a) 降雨裝置；(b) 路堤裝置

2) 模型填筑。

①為防止模型填料中的砂礫損傷含水率測試儀探針與陶瓷張力計(jì)陶土頭，將粉質(zhì)黏土過1 mm圓孔篩、預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖過5 mm圓孔篩后備用。

②按照比路堤填料最佳含水率大1%的目標(biāo)含水率分別配置粉質(zhì)黏土與炭質(zhì)泥巖試樣后，燜料48 h，使路堤填料內(nèi)部水分?jǐn)U散均勻。

③路堤模型與儀器布設(shè)立面圖見圖4。按照圖4所示結(jié)構(gòu)(地基部分為厚30 cm的砂土，路堤部分為厚20 cm的炭質(zhì)泥巖與粉質(zhì)黏土交錯(cuò)填筑，包邊部分為厚15 cm的粉質(zhì)黏土)填筑路堤模型。為保證路堤模型的均勻性，每層填筑厚度為10 cm，靠近坡面附近土體先超填20 cm后反挖至目標(biāo)位置。每填完一層路堤填料后，用環(huán)刀取該層路堤填料，通過酒精燃燒法測量其含水率與干密度，若含水率不滿足最佳含水率±1%，或干密度不滿足最大干密度±2%的要求，則挖出后重填，直到含水率與干密度滿足上述要求后，再進(jìn)行下一層填筑。

單位：cm

④模型填筑完成后，通過地下水位箱調(diào)節(jié)路堤模型的地下水位至距模型底部10 cm高度處，同時(shí)，在路堤模型表面覆蓋一層薄膜，并靜置48 h，使路堤模型內(nèi)部水分重新平衡。

3) 儀器布設(shè)。

①地基部分填筑完成后，反挖土壓力盒固定架附近砂土，在確保土壓力盒受力面與固定架平行且與土體接觸的前提下，根據(jù)圖3(b)與圖4所示土壓力盒空間位置固定儀器，為了避免砂土中的粗顆粒導(dǎo)致土壓力盒出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用細(xì)砂土進(jìn)行回填處理。

②第2，6，10和16號(hào)含水率測試儀在模型填筑完成后埋設(shè)，其余含水率測試儀在模型分層填筑過程中同步埋設(shè)。含水率測試儀的具體位置如圖3(b)與圖4所示。

③模型填筑完成后，按照圖3(b)與圖4所示張力計(jì)空間分布，用取土鉆在模型箱背面鉆取16個(gè)斜向下且與水平面成5°角的鉆孔，在鉆孔內(nèi)灌滿泥漿，插入張力計(jì)。

④降雨入滲開始前，用千分表支架將2個(gè)千分表固定在如圖3(b)與圖4所示位置，一支豎直向下，另一支水平指向坡面方向。

4) 數(shù)據(jù)采集。降雨入滲開始后，通過含水率測試儀、張力計(jì)、土壓力盒與千分表采集降雨條件下路堤模型內(nèi)部含水率、基質(zhì)吸力、坡腳下部應(yīng)力與坡頂位移的變化規(guī)律。本次試驗(yàn)共用時(shí)488 h，其中降雨持續(xù)時(shí)間為16 h，降雨停止后持續(xù)時(shí)間為472 h。在0~16 h內(nèi)，每間隔1 h采集1次各試驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)；在16~32 h內(nèi)，每間隔2 h采集1次；在32~152 h內(nèi)，每間隔8 h采集1次；在152~488 h內(nèi)，每間隔24 h采集1次。

3 模型試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果分析

降雨期間，模型內(nèi)部各測點(diǎn)含水率、基質(zhì)吸力、坡腳下部應(yīng)力、坡頂位移的變化速率較快，且降雨持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于降雨停止后持續(xù)時(shí)間，為了便于分析、觀察模型試驗(yàn)各測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果隨時(shí)間的變化規(guī)律，將時(shí)間坐標(biāo)軸設(shè)置為對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸，時(shí)間坐標(biāo)軸上1 h定義為降雨開始時(shí)間。此外，為了便于分析坡體內(nèi)部含水率、基質(zhì)吸力的響應(yīng)特征，在模型內(nèi)部設(shè)置如圖4所示的4個(gè)特征截面：特征截面Ⅰ?Ⅰ(測點(diǎn)7，8，9和10號(hào))位于距模型底部60 cm的水平面上；特征截面Ⅱ?Ⅱ(測點(diǎn)11，12，13，14，15和16號(hào))位于距模型底部30 cm的水平面上；特征截面Ⅲ?Ⅲ(測點(diǎn)2，6，10和16號(hào))位于沿坡面水平向內(nèi)7.5 cm且與之平行的平面上；特征截面Ⅳ?Ⅳ(測點(diǎn)1，4，9和14號(hào))位于沿坡面水平向內(nèi)37.5 cm且與之平行的平面上。

3.1 路堤內(nèi)部含水率變化規(guī)律

在降雨條件下，特征截面Ⅰ?Ⅰ(測點(diǎn)7，8，9和10號(hào))與Ⅱ?Ⅱ(測點(diǎn)11，12，13，14，15和16號(hào))含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律分別如圖5和圖6所示。分析圖5和圖6可知：

1) 降雨開始后，路堤內(nèi)部土體含水率的變化規(guī)律可以歸納為基本穩(wěn)定、快速增長、緩慢增加與持續(xù)降低4個(gè)階段。此外，由于粉質(zhì)黏土含水率增大至20.74%(0.8倍飽和含水率)、炭質(zhì)泥巖含水率增大至19.92%(0.7倍飽和含水率)所需時(shí)間較短，故本文將0.8 倍粉質(zhì)黏土飽和含水率與0.7倍炭質(zhì)泥巖飽和含水率定義為粉質(zhì)黏土與炭質(zhì)泥巖暫態(tài)飽和的界限。

1—測點(diǎn)7；2—測點(diǎn)8；3—測點(diǎn)9；4—測點(diǎn)10。

1—測點(diǎn)11；2—測點(diǎn)12；3—測點(diǎn)13；4—測點(diǎn)14；5—測點(diǎn)15；6—測點(diǎn)16。

2) 降雨期間，在同一水平面上，坡面附近土體(測點(diǎn)9，10，14，15和16)含水率依次升高，越靠近坡面的點(diǎn)，其含水率開始增大與進(jìn)入暫態(tài)飽狀態(tài)的時(shí)間越早，緩慢增加階段的時(shí)間越長，增長的幅度越大，坡體內(nèi)部土體(測點(diǎn)7，8，14，15和16)含水率基本不變；降雨停止后，對(duì)于坡體內(nèi)部同一水平面上的土體(測點(diǎn)7，8，11，12和13)，距坡面越近，其含水率開始增大的時(shí)間越早，增長的幅度越大；坡面附近土體(測點(diǎn)9，10，14，15和16)含水率持續(xù)降低，越靠近坡面的點(diǎn)，其含水率下降幅度越大。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：在降雨條件下，在同一水平面上，雨水自坡面往坡體內(nèi)部逐漸滲入，雨水滲入某一位置后，該處土體中的大開口、聯(lián)通孔隙將被雨水迅速填充，之后，雨水將進(jìn)一步緩慢地滲入到該處土體中的小開口、非聯(lián)通孔隙中，因此，距坡面越近，其含水率開始增加的時(shí)間越早、增長的幅度越大，當(dāng)含水率升高時(shí)，存在快速增長與緩慢增加2個(gè)階段。降雨結(jié)束后，已經(jīng)滲入坡面附近土體內(nèi)的雨水在水力梯度與蒸發(fā)的雙重作用下，一方面，坡面附近土體內(nèi)的水分繼續(xù)往坡體內(nèi)部遷移，另一方面，坡面附近土體內(nèi)的雨水會(huì)產(chǎn)生相變蒸發(fā)至大氣中，故坡面附近土體含水率持續(xù)降低，坡體內(nèi)部土體含水率依次升高。

圖7和圖8所示分別為特征截面Ⅲ?Ⅲ(測點(diǎn)2，6，10和16號(hào))與特征截面Ⅳ?Ⅳ(測點(diǎn)1，4，9和14號(hào))含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖7和圖8可知：

1—測點(diǎn)2；2—測點(diǎn)6；3—測點(diǎn)10；4—測點(diǎn)16。

1—測點(diǎn)1；2—測點(diǎn)4；3—測點(diǎn)9；4—測點(diǎn)14。

1) 在降雨條件下，雨水在基質(zhì)吸力梯度與重力梯度的聯(lián)合作用下，同時(shí)沿水平與豎直2個(gè)方向遷移，因此，降雨期間，距坡面等距離的土體含水率升高幅度與高程成反比，降雨停止后，距坡面等距離的土體含水率下降幅度與高程成正比。

2) 降雨開始后，雨水滲入模型內(nèi)部距坡面等距離的上層炭質(zhì)泥巖(測點(diǎn)4)、下層粉質(zhì)黏土(測點(diǎn)9)、下層炭質(zhì)泥巖(測點(diǎn)14)的時(shí)間基本一致，且遠(yuǎn)早于滲入坡面等距離的上層粉質(zhì)黏土(測點(diǎn)1)的時(shí)間。其原因是：雨水在滲入距坡面等距離的上層粉質(zhì)黏土(測點(diǎn)1)時(shí)，只有沿水平方向的水分遷移，故其含水率的響應(yīng)時(shí)間最晚；此外，雖然炭質(zhì)泥巖飽和滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于粉質(zhì)黏土飽和滲透系數(shù)(前者是后者的8.69倍)，但包邊粉質(zhì)黏土的存在使得每層土體內(nèi)滲入的雨水量基本一致，同時(shí)，炭質(zhì)泥巖與粉質(zhì)黏土之間基質(zhì)吸力梯度的存在也會(huì)改變雨水在炭質(zhì)泥巖內(nèi)部的遷移方向，降低雨水在炭質(zhì)泥巖內(nèi)部的遷移速度，因此，除上層粉質(zhì)黏土外，其余各層土體的雨水入滲速率基本一致。

3.2 路堤內(nèi)部基質(zhì)吸力變化規(guī)律

降雨開始后，特征截面Ⅰ?Ⅰ(測點(diǎn)7，8，9和10號(hào))和Ⅳ?Ⅳ(測點(diǎn)1，4，9和14號(hào))基質(zhì)吸力隨時(shí)間的變化規(guī)律分別如圖9和圖10所示。從圖9和圖10可以看出：

1) 降雨開始后，模型內(nèi)部土體基質(zhì)吸力的變化規(guī)律可以歸納為基本穩(wěn)定、快速降低、緩慢降低與持續(xù)升高個(gè)階段。

2) 在降雨條件下，在同一水平面上，坡體內(nèi)部土體基質(zhì)吸力的響應(yīng)時(shí)間與距坡面的距離成正比，基質(zhì)吸力下降幅度、緩慢降低階段的時(shí)長、基質(zhì)吸力升高幅度均與距坡面的距離成反比；與坡面等距的同一平面上，基質(zhì)吸力下降幅度與高程成反比，基質(zhì)吸力升高幅度與高程成正比。

1—測點(diǎn)7；2—測點(diǎn)8；3—測點(diǎn)9；4—測點(diǎn)10。

1—測點(diǎn)1；2—測點(diǎn)4；3—測點(diǎn)9；4—測點(diǎn)14。

對(duì)比分析圖5與圖9、圖8與圖10可知：

1) 在降雨條件下，坡體內(nèi)部基質(zhì)吸力隨時(shí)間的變化規(guī)律與含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律基本相反。究其原因是：土體的含水率越高，孔隙的填充度越大，土顆粒周圍的水膜越厚，水膜的表面張力越小，導(dǎo)致土體的基質(zhì)吸力越小。

2) 降雨期間，粉質(zhì)黏土層與炭質(zhì)泥巖層之間基質(zhì)吸力梯度的存在是導(dǎo)致不同土層之間雨水入滲速率基本一致的重要原因。

圖11和圖12所示分別為炭質(zhì)泥巖、粉質(zhì)黏土基質(zhì)吸力隨含水率的變化規(guī)律。從圖11和圖12可知：炭質(zhì)泥巖、粉質(zhì)黏土的基質(zhì)吸力與含水率成反比。通過對(duì)比土體測點(diǎn)基質(zhì)吸力與體積壓力板儀試驗(yàn)結(jié)果可知：土體測點(diǎn)基質(zhì)吸力與體積壓力板儀試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢基本一致，兩者之間的偏差較小。這表明本次模型試驗(yàn)所采用的含水率、基質(zhì)吸力測試儀器是可行的，相應(yīng)的含水率、基質(zhì)吸力測試結(jié)果可靠。

圖11 炭質(zhì)泥巖基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系

圖12 粉質(zhì)黏土基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系

3.3 坡腳下部土體應(yīng)力變化規(guī)律

降雨條件下坡腳下部應(yīng)力的變化規(guī)律如圖13所示(以沿坡面水平指向坡體內(nèi)部為正)。由圖13可知：

1—測點(diǎn)17；2—測點(diǎn)18；3—測點(diǎn)19；4—測點(diǎn)20。

1) 在降雨條件下，距坡腳越近，坡腳下部土體應(yīng)力的響應(yīng)時(shí)間越早；在同一時(shí)刻，所對(duì)應(yīng)的坡腳下部土體應(yīng)力越大，坡腳下部土體應(yīng)力的增長幅度、下降幅度均與距坡腳距離成反比。

2) 降雨開始后，坡腳下部土體應(yīng)力沿坡體內(nèi)部水平指向坡面的方向先增大后減小，坡腳下部土體應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在降雨停止后一定時(shí)間內(nèi)(降雨停止后2 h)。出現(xiàn)該變化的原因是：在降雨條件下，雨水自坡面沿水平與豎直2個(gè)方向滲入坡體內(nèi)部，距坡腳越近，雨水滲入的時(shí)間越早，土體應(yīng)力的響應(yīng)時(shí)間越早；同時(shí)，過坡腳下部的邊坡潛在滑動(dòng)面，其深度越小，土壓力(主應(yīng)力和側(cè)應(yīng)力)越小，穩(wěn)定性越低，受雨水滲入與蒸發(fā)的影響程度越大。降雨開始后，坡腳下部土體應(yīng)力隨土體重度的增加與土體基質(zhì)吸力的喪失逐漸增大，降雨停止一段時(shí)間內(nèi)(降雨停止2 h內(nèi))，土體基質(zhì)吸力喪失引起邊坡穩(wěn)定性下降的幅度大于土體重度減小引起邊坡穩(wěn)定性增加的幅度，當(dāng)降雨停止2 h后，坡腳下部土體應(yīng)力隨土體重度的減小與土體基質(zhì)吸力的恢復(fù)持續(xù)減小。

3.4 坡頂位移變化規(guī)律

圖14所示為降雨開始后坡頂水平位移、豎直位移的變化規(guī)律(以豎直向上與沿坡面水平指向坡體內(nèi)部為正)。由圖14可知：

1—水平位移；2—垂直位移。

1) 在降雨條件下，坡頂水平位移沿著坡體內(nèi)部水平指向坡面的方向、坡頂豎直位移沿著豎直向下的方向持續(xù)增大。

2) 當(dāng)降雨停止一段時(shí)間后(如降雨停止2 h)，坡頂水平位移與豎直位移均出現(xiàn)了拐點(diǎn)。其原因是：降雨開始后，隨著雨水入滲深度的不斷增大，坡面附近土體的含水率持續(xù)升高，基質(zhì)吸力逐漸喪失，導(dǎo)致邊坡的下滑力不斷增大，抗滑力持續(xù)減小，穩(wěn)定性逐漸降低；降雨停止后，坡面附近土體孔隙水在水力梯度的作用下繼續(xù)向坡體內(nèi)部遷移，坡體內(nèi)部土體基質(zhì)吸力持續(xù)降低，邊坡抗滑力不斷減小，同時(shí)，隨著坡面附近土體孔隙水的蒸發(fā)，坡面附近土體的含水率不斷減小，邊坡下滑力不斷減?。唤涤晖Ｖ挂欢〞r(shí)間內(nèi)(降雨停止2 h內(nèi))，邊坡抗滑力減小引起邊坡穩(wěn)定性下降的幅度大于邊坡下滑力減小起邊坡穩(wěn)定性增加的幅度；當(dāng)降雨停止一定時(shí)間后(降雨停止2 h后)，雨水滲入邊坡土體引起邊坡潛在滑動(dòng)面抗滑力減少導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降，但隨雨水的排出，土體重度減少，下滑力減少引起邊坡穩(wěn)定性提高的幅度比抗滑力減少引起穩(wěn)定性下降的幅度大。

4 討論

在降雨條件下，邊坡穩(wěn)定性最低的時(shí)間并不一定是降雨停止時(shí)間。若降雨停止時(shí)雨水的入滲深度小于邊坡潛在滑動(dòng)面的深度，則降雨結(jié)束后，隨著雨水繼續(xù)下滲，邊坡潛在滑動(dòng)面上基質(zhì)吸力喪失引起邊坡抗滑力下降的幅度可能大于水分蒸發(fā)引起邊坡下滑力增加的幅度，即邊坡安全系數(shù)的最低值可能在降雨停止后一定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)。另外，在選擇邊坡失穩(wěn)預(yù)警因子時(shí)，除降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間、位移等常規(guī)指標(biāo)外，滲流特征(如含水率、基質(zhì)吸力)和應(yīng)力狀態(tài)(如坡腳下部土體應(yīng)力)與邊坡的穩(wěn)定性密切相關(guān)，引入滲流指標(biāo)和關(guān)鍵部位力學(xué)指標(biāo)作為邊坡失穩(wěn)預(yù)警因子十分必要。

5 結(jié)論

1) 在降雨入滲作用下，坡體內(nèi)部土體含水率的變化規(guī)律可以歸納為基本穩(wěn)定、快速增長、緩慢增加與持續(xù)降低4個(gè)階段，基質(zhì)吸力的變化規(guī)律可以歸納為基本穩(wěn)定、快速降低、緩慢降低與持續(xù)升高4個(gè)階段。分層填筑路堤中的低滲透性土層能降低雨水在高滲透性土層中遷移速率。

2) 在降雨期間，邊坡內(nèi)部土體高程越低、距坡面越近，土體含水率的升高幅度越大，基質(zhì)吸力的下降幅度越大，響應(yīng)時(shí)間越早，形成暫態(tài)飽和區(qū)的時(shí)間也越早；降雨停止后，坡體內(nèi)部土體高程越高、距坡面越近，土體含水率的下降幅度越大，基質(zhì)吸力的升高幅度越大。

3) 降雨開始后，坡腳下部土體應(yīng)力沿坡體內(nèi)部水平指向坡面的方向先增大后減小，其增長幅度、響應(yīng)時(shí)間與距坡腳的距離成反比，坡頂水平位移沿坡體內(nèi)部水平指向坡面的方向、坡頂豎直位移沿豎直向下的方向持續(xù)增大。

4) 坡腳下部土體應(yīng)力、坡頂位移是評(píng)價(jià)降雨入滲作用下邊坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，坡腳下部土體應(yīng)力峰值、坡頂位移拐點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間與邊坡潛在滑動(dòng)面和降雨入滲深度具有較大的相關(guān)性。

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(編輯 陳燦華)

Model test on effect of rainfall on seepage and deformation of carbonaceous mudstone-soil stratified embankment

FU Hongyuan, CHEN Jingcheng, ZENG Ling, QIU Xiang

(School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)

In order to study the effect of rainfall infiltration on seepage characteristics and stability of carbonaceous mudstone-soil stratified embankment, physical model test of carbonaceous mudstone-soil stratified embankment under rainfall condition was carried out based on indoor model test method. In this test, water quality tester, tension meter, earth pressure box and dial gauge were used. The results show that under condition of rainfall, the variation laws of soil water content inside the slope (matrix suction) can be summarized into four stages, i.e. basic stability, rapid increase (decrease), slow increase (decrease) and continuous decrease (increase). The low-permeability soil in stratified embankment can reduce the migration rate of rainwater in high permeability soil. During the rainfall process, the increase of soil water content in the slope is inversely proportional to the elevation and the decrease of soil water content is proportional to the elevation. The response time and amplitude of soil water content are inversely proportional to the distance from slope surface. The change law of matrix suction with time is basically opposite to that of water content. When rainfall begins, the soil thrust under slope foot first increase in the direction of pointing horizontally to slope surface along the inside of slope, and then decreases. The horizontal displacement of slope top increase in the direction of pointing horizontally to slope surface and vertical displacement of slope top continuously increase along the vertical downward direction. The change of thrust under slope foot and displacement of slope top have a great correlation with the slope stability.

stratified embankment; model experiment; rainfall infiltration; carbonaceous mudstone; seepage characteristics; deformation characteristics

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.027

TU416

A

1672?7207(2018)11?2852?09

2017?12?11；

2018?03?02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578079，51678074，51838001，51878070) (Projects(51578079, 51678074, 51838001, 51878070) supported by the National Natural Science Foundation of China)

曾鈴，博士，副教授，從事巖土工程、道路工程研究；E-mail: zlbingqing3@126.com