降雨条件下动力荷载对边坡长期稳定的影响研究

2021-12-04王晓琪

水利科技与经济 2021年11期

王晓琪

(本溪泓源供水有限责任公司，辽宁本溪 117000)

1 概述

在岩土工程领域中，边坡稳定性一直是备受关注的重点问题之一，边坡工程在工程实际中也占据着非常重要的地位。随着工程建设的迅猛发展，边坡失稳破坏问题日益凸显，因此许多国内外学者通过各种方法开展了对边坡稳定性的研究工作。例如，Modesto D[1]等利用模型试验，分析研究不同降雨条件下边坡坡体内部孔隙水压力变化规律；Montrasio L[2]等基于现场测试结果，总结了在降雨条件下边坡内部的基质吸力分布规律；Courage[3]基于振动理论，利用Hankel变换和Fourier反变换，研究路基路面的临界动荷载；Drosner S[4]把分布荷载代替车辆荷载，利用傅里叶变换，研究移动荷载下路基的动力响应；Hunt H[5]通过坐标变换，将无限长梁作为研究对象，利用移动集中荷载模拟列车运行，研究移动荷载下的响应解；Jones C[6]等利用积分变换，通过数值求解方法，研究移动荷载下弹性半空间地基的动力响应特征；Marcondes J[7]等基于Winkler地基模型，计算分析移动荷载下无限大薄板的动力响应与恒载作用的差异；钟阳[8]利用拉普拉斯-汉克尔积分变换，通过矩阵理论，研究弹性半空间路基的动力响应理论解；华政辉[9]利用模型试验，进行循环荷载加载试验，研究移动荷载作用下路基的动力响应特征；刘钢[10]通过动力循环试验，构筑大型路基模型，研究路基不同位置的应力分布情况；冷伍明[11]结合某项目工程，采用模型试验的方法，研究分析在动力荷载作用下路基的动力响应特征。

综上可知，目前现有研究多针对于仅在动力荷载作用或降雨条件下的边坡稳定性研究，存在一定的不足。因此，本文基于相似理论，通过模型试验，研究降雨条件下动力荷载对边坡稳定性的变化规律，以期为现有边坡稳定性研究分析提供参考。

2 动力荷载下边坡稳定性模型试验

2.1 工程概况及相似比

本研究结合我国某地区公路工程，取一具有代表性的路堤横断面作为研究对象，基于相似理论，采用相似比1∶40，选取重度相似比为1∶1，其余物理量纲通过推导可得到，见表1。

表1 模型试验物理量纲

2.2 试验土体物理力学参数

从工程现场人工取土作为试验土样，通过一系列土工试验可知，该土为粗粒土，其重度为18 kN·m-3，饱和渗透系数为1.50×10-6m·s-1，黏聚力为17 kPa，内摩擦角为30°，其他物理力学参数见表2。

表2 试验土物理力学参数

2.3 试验方案

为了探究降雨条件下动力荷载对边坡长期稳定的影响，本研究使用一种动力荷载模拟装置(图1)，分别采用基质吸力传感器、体积含水率传感器以及土压力盒监测边坡内部负孔隙水压力、体积含水率和土压力变化规律，其具体布置见图2。

图1 动力荷载模拟装置图

图2 路堤模型传感器布置图(单位：cm)

2.4 试验步骤

本研究通过分层填筑法进行模型试验边坡的填筑，压实度控制在85%，降雨强度按照1.74×10-4mm/s模拟现实降雨条件，降雨时长为12 h，其动力加载条件按照表3模拟现实交通荷载。通过对比不同加载方式下边坡内部负孔隙水压力、体积含水率和土压力变化规律，探究降雨作用与动力荷载耦合作用下边坡的长期稳定性研究。见图3。

表3 试验加载方案

图3 模型试验过程图

3 试验结果分析

3.1 路堤模型试验基质吸力分布规律

土体中由于基质吸力的存在，在一定程度上提升了土体的抗剪强度，使边坡整体保持一定的稳定性。但基质吸力的大小与土体含水率有关，且在降雨条件和动力荷载作用下，边坡内部形成雨水渗流，导致边坡土体内部的孔隙水压力慢慢增大，而基质吸力逐渐减小，从而导致其抗剪强度减弱，直接对边坡的长期稳定造成影响。图4为降雨作用与动力荷载耦合作用下，边坡基质吸力(负孔隙水压力)随降雨历时变化的变化曲线。

图4 路堤试验基质吸力分布规律图

由图4路堤试验基质吸力分布规律图可知，随着降雨历时的增加，路堤边坡土体的基质吸力(负孔隙水压力)呈现出逐渐减小的趋势。其中，处于坡表的基质吸力传感器响应最快，其对应的基质吸力减小速率较快；而边坡内部的基质吸力传感器响应最快，其对应的基质吸力减小速率较慢。埋设于边坡表面的基质吸力测点1-测点5，在降雨历时3～5 h内，其基质吸力逐渐减小至0 kPa，即意味着基质吸力全部丧失，基质吸力减小速率表现为：测点1>测点2>测点3>测点4>测点5；而埋设于边坡内部的基质吸力测点6-测点9，在降雨历时7～10 h内，其基质吸力逐渐减小至0 kPa，减小速率表现为：测点6>测点7>测点8>测点9；相较于上述测点，位于边坡深处的测点10，在降雨历时12 h内，其基质吸力由53 kPa逐渐减小至17 kPa。

分析上述变化规律认为，在降雨条件和动力荷载作用下，雨水经由边坡表面向内部入渗，由于试验土体为粗颗粒土，因此随着雨水的不断入渗，粗粒土之间的骨架空隙逐渐被雨水填充，使土颗粒间基质吸力开始逐渐减小。伴随着降雨作用的不断持续，雨水由边坡浅层逐步向边坡深处迁移，边坡内部基质吸力传感器开始得到反馈，呈现出基质吸力逐渐减小的趋势。加之模型试验通过动力模拟装置代替实际交通荷载作用，使边坡顶部土体孔隙率受到动力荷载的作用而变小，即坡顶土体表现得更为密实。因此，坡表径流在坡顶处雨水入渗量较少，大部分沿着边坡表面流向坡脚，使坡脚处土体入渗情况较为严重。通过基质吸力传感器响应情况亦可看出，坡脚处的基质吸力减小速率相比于坡顶较快。此外，降雨历时达到12 h后，由于雨水入渗受时间与延拓深度限制，所以测点10的基质吸力并未完全丧失，这也说明土体基质吸力的大小、减小速率与土体深度有关。

3.2 路堤模型试验体积含水率分布规律

本研究采用体积含水率测定边坡土体内部含水率的大小。已有研究学者发现，当边坡土体达到饱和体积含水率时，其边坡内部则会形成暂时保持稳定状态的饱和区，使土体自重力迅速增加，即土体下滑力增大，随着饱和区的不断扩大，极易发生边坡失稳破坏。因此，本研究在边坡模型的表层及深层共布置10个体积含水率传感器，以期获得在降雨条件和动力荷载作用下，路堤边坡内部体积含水率的变化规律。图5为路堤试验体积含水率分布规律图。

图5 路堤试验体积含水率分布规律图

由图5可知，随着降雨历时的持续增加，边坡内部体积含水率呈现出逐渐增大的趋势。其中，在降雨历时5 h后，埋设于边坡表面的体积含水率测点1-测点5，其体积含水率值逐渐增加至23%，增加速率表现为：测点1>测点2>测点3>测点4>测点5；在降雨历时10 h后，埋设于边坡表面的体积含水率测点6-测点9，其体积含水率值同样也逐渐增加至23%，增加速率表现为：测点6>测点7>测点8>测点9；在降雨历时达到12 h后，测点10的体积含水率增加至17%。

分析上述变化规律认为，由于受到自重和基质吸力的作用，雨水经由坡表入渗后，由边坡表面逐步向边坡内部迁移，进而形成稳定渗流。在经历一定时长的降雨后，雨水入渗经过体积含水率测点，体积含水率呈现逐渐增加趋势，而对应的基质吸力随着体积含水率逐渐减小。随着雨水的不断入渗，测点处的体积含水率逐渐达到饱和状态，形成暂时保持稳定状态的饱和区(即暂态饱和区)。雨水入渗后，向边坡内部逐渐延拓，边坡顶部的延拓速率大于坡脚处，因此坡体表面土体的体积含水率首先达到饱和。当暂态饱和区形成后，随着降雨历时的增加，其饱和区面积随之增加，由于内部延拓深度也增加，使体积含水率测点6-测点9响应，并逐步达到饱和。而受降雨量限制，雨水未在12 h内延伸至体积含水率测点3处，因此该处体积含水率值仅达到17%，处于非饱和状态。

3.3 路堤模型试验坡前应力分布规律

由于坡表径流的存在，加之雨水的入渗，使边坡表层形成不同程度的渗流情况，同时增加土体自重，易导致边坡发生失稳。在动力荷载作用下，边坡失稳情况会因此加剧。见图6。

图6 路堤试验体积含水率分布规律图

由图6路堤试验体积含水率分布规律图可知，在降雨条件和动力荷载作用下，随着降雨历时的持续增加，路堤边坡的坡前应力逐渐增大，当停止降雨后，其增速呈现出先减慢后减小最终逐渐稳定的趋势；在降雨历时12 h后，边坡内部的土压力测点a-测点d分别增加至15、13、11和9 kPa，其增速表现为：测点a>测点b>测点c>测点d。其中，当停雨后12 h(试验时长达到24 h)，土压力测点a在12 h内由15 kPa逐渐提升至20 kPa；土压力测点b在12 h内由13 kPa逐渐提升至16 kPa；土压力测点c在12 h内由11 kPa逐渐提升至13 kPa；土压力测点d在12 h内由9 kPa逐渐提升至11 kPa，最后又减小至6 kPa。

分析上述变化规律认为，在经历12 h的降雨条件下，雨水在坡面形成径流，沿着坡面由坡表向坡内入渗，形成一定的坡内渗流。在降雨历时达到9 h后，大量雨水已入渗至坡体内地下水位处，导致地下水位逐渐抬升，当降雨历时达到24 h后，坡脚已基本被雨水渗入，在坡体内部形成大面积暂态饱和区。这也导致了坡体内部大面积土体容重增加，进而直接影响土体抗剪强度大幅度减弱，并且坡顶受到动力荷载的作用下，土压力测点a和测点b相较于土压力测点c和测点d较大，坡体也渐渐发生沿坡脚向外滑出的趋势，也表征着边坡稳定性在一定程度上的降低。停止降雨后，随着基质吸力的恢复，雨水深入边坡土体，其坡面孔隙水压力逐渐消散，坡体内暂态饱和区也渐渐减小。