嚴(yán)秋榮，喬?hào)|華，楊 兵，楊 濤，馮 君

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001；3. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

考慮抗滑樁及擋土墻支護(hù)結(jié)構(gòu)影響的降雨誘導(dǎo)邊坡失穩(wěn)模型試驗(yàn)研究

嚴(yán)秋榮1，喬?hào)|華2，楊 兵3，楊 濤3，馮 君3

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001；3. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

在無(wú)支護(hù)和有支護(hù)(加設(shè)抗滑樁及擋土墻)的條件下開(kāi)展了降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的模型試驗(yàn)研究。以實(shí)際工程邊坡為原型，在常規(guī)重力1 g條件下設(shè)計(jì)了試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。試?yàn)結(jié)果表明：在有支擋結(jié)構(gòu)條件下，降雨對(duì)坡體豎向和水平位移的影響均很小，表明支擋結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡坡面位移的限制作用明顯。通過(guò)比較降雨對(duì)坡面和內(nèi)部位移的影響，發(fā)現(xiàn)坡面位移變化遠(yuǎn)大于內(nèi)部位移變化，加設(shè)支擋結(jié)構(gòu)以后坡體變形主要是雨水對(duì)坡面的沖刷造成的。

道路工程；降雨；邊坡失穩(wěn)；模型試驗(yàn)；支擋結(jié)構(gòu)

邊坡失穩(wěn)的主要原因包括降雨、地震和人為不當(dāng)開(kāi)發(fā)等，其中降雨因素是引起邊坡失穩(wěn)的最常見(jiàn)因素[1]。雨水進(jìn)入邊坡，坡內(nèi)土體含水量增加，土體軟化而強(qiáng)度降低，同時(shí)土體容重增大，這樣坡體內(nèi)應(yīng)力超過(guò)坡體強(qiáng)度的可能性增大，當(dāng)該狀態(tài)達(dá)到一定程度時(shí)，邊坡失穩(wěn)破壞。對(duì)此問(wèn)題，研究人員進(jìn)行了卓有成效的研究[2-8]。當(dāng)邊坡有支檔結(jié)構(gòu)存在時(shí)，坡體變形會(huì)受到一定程度約束，阻止邊坡失穩(wěn)。降雨作用下，有無(wú)支擋結(jié)構(gòu)時(shí)，邊坡變形特征和失穩(wěn)形態(tài)是筆者研究的主要內(nèi)容。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

以貴州畢威高速公路某邊坡為原型，該原型邊坡上覆土層為黏土夾少量碎石，厚度為7～10 m，下部為強(qiáng)風(fēng)化破碎褐黃色泥質(zhì)粉砂巖，厚度為35～70 m。邊坡最底部為較完整的玄武巖，厚度100 m以上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料分析可知，邊坡易于失穩(wěn)的土層為上覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層。因此試驗(yàn)中主要模擬該兩層土體的失穩(wěn)規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料，概化出現(xiàn)場(chǎng)邊坡縱斷面長(zhǎng)約100 m,高42 m, 邊坡大致呈1級(jí)臺(tái)階分布，邊坡上部坡體傾角約為34°，下部坡體傾角約為10°。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)條件，試驗(yàn)幾何縮尺取Cl=84。試驗(yàn)在長(zhǎng)1.2 m×1.1 m×0.3 m的模型箱里進(jìn)行，邊坡模型長(zhǎng)1.2 m、高0.8 m、寬0.3 m，底部為厚0.3 m的基巖，基巖上部為含碎石黏土和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖邊坡。試驗(yàn)考慮無(wú)支擋邊坡和加設(shè)抗滑樁及擋土墻支擋結(jié)構(gòu)的邊坡，如圖1。在試驗(yàn)中保持兩種邊坡剖面形狀不變，然后進(jìn)行降雨使邊坡失穩(wěn)。試驗(yàn)中將對(duì)坡體表面位移和內(nèi)部位移進(jìn)行測(cè)量。坡體表面位移設(shè)置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置如圖2。

圖1 邊坡模型Fig.1 Slope model

圖2 坡面測(cè)點(diǎn)布置俯視Fig.2 Orerlooking the layout of measuring points on the slope surface

邊坡表面測(cè)點(diǎn)在豎直方向上的間距為4 cm，最頂上測(cè)點(diǎn)距坡頂高度為4 cm。采用2 cm×2 cm正方形帶彎鉤鐵皮薄片在中心位置用紅漆標(biāo)志作為觀測(cè)的測(cè)點(diǎn)。土體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)布置在邊坡坡體中央位置處。測(cè)點(diǎn)編號(hào)依次為由下至上1，2，3，三個(gè)點(diǎn)距坡頂?shù)木嚯x依次為：25，15，5 cm。試驗(yàn)中降雨強(qiáng)度為中雨。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在常規(guī)重力下進(jìn)行，即Cg=1,試驗(yàn)材料也采用常規(guī)土配置，即Cρ=1。根據(jù)相似關(guān)系可知，Cc=1/Cl，即試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧系酿ぞ哿?yīng)為原型材料的1/84。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察分析得知，現(xiàn)場(chǎng)邊坡在降雨作用下最可能失穩(wěn)的是上覆黏土層。因此，在試驗(yàn)中重點(diǎn)模擬黏土層，強(qiáng)風(fēng)化層也用黏土層模型材料進(jìn)行模擬，避免產(chǎn)生太大誤差。坡體材料采用石英砂(d50=0.45 mm)與膨脹土兩種材料進(jìn)行配置，石英砂與膨脹土的重量配比為300∶75。土樣分層填筑，每10 cm為一層，每層用滾子碾壓至中等密實(shí)程度。土體初始含水量為5%，初始容重為19.65 kN/m3。

1.3 測(cè)量設(shè)備

1.3.1表面位移測(cè)量

對(duì)于邊坡表面位移，采用德國(guó)米依公司生產(chǎn)的激光位移傳感器進(jìn)行非接觸式測(cè)量。激光位移傳感器型號(hào)為ILD1401系列。豎直方向采用量程為20 cm、動(dòng)態(tài)分辨力為0.25 mm的ILD1401-200的傳感器，水平方向采用量程為5 cm、動(dòng)態(tài)分辨力為0.025 mm的ILD1401-50的傳感器。

1.3.2邊坡內(nèi)部位移測(cè)量

內(nèi)部位移的測(cè)量采用日本KYOWA公司生產(chǎn)的電阻應(yīng)變式傳感器進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中間隔10 s采集一組數(shù)據(jù)，再對(duì)采集記錄下的數(shù)據(jù)通過(guò)位移計(jì)自身的標(biāo)定系數(shù)即可換算出位移變化大小。

本次試驗(yàn)在模型側(cè)面設(shè)置紅色軟線以便于肉眼定性觀察坡體位移變化情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 典型試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1.1無(wú)支護(hù)邊坡

在本組試驗(yàn)中，在沒(méi)有支護(hù)的情況下，隨著降雨的持續(xù)，模型發(fā)生了明顯的位移變化，表現(xiàn)在邊坡坡頂出現(xiàn)縱向貫通裂縫，在模型箱側(cè)面預(yù)先安裝的位移觀測(cè)線發(fā)生明顯的滑移，坡體整體發(fā)生明顯滑動(dòng)，如圖3、圖4。

圖3 坡頂出現(xiàn)裂縫Fig.3 Cracks on the top of the slope

圖4 坡面?zhèn)缺诎l(fā)生明顯滑動(dòng)Fig.4 Sliding on the sidewall of the slope

2.1.2有支護(hù)邊坡

本組實(shí)驗(yàn)采用了坡面支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行坡面加強(qiáng)，在平臺(tái)較陡處采用片石作為擋土墻對(duì)邊坡進(jìn)行加固。坡腳位置設(shè)置抗滑樁，擋土墻之間采用碎石模擬樁間擋土墻?？够瑯恫捎蒙寄局谱鞫伞？够瑯冻叽鐬椋?.6 cm×2.6 cm×16 cm，其中懸臂段長(zhǎng)為8 cm，埋深8 cm?？够瑯堕g距為6 cm。

在有支擋的情況下，邊坡位移變化并不明顯，邊坡模型除了會(huì)發(fā)生略微的沉降外并不會(huì)發(fā)生太大變化，相比沒(méi)有支擋情況下邊坡坡頂形成明顯的縱向裂縫以及坡面?zhèn)认蛎黠@滑動(dòng)，而有支擋情況下邊坡變形微小。圖5是典型的加設(shè)支擋結(jié)構(gòu)后邊坡模型在降雨后的變化情況。

圖5 有支檔邊坡變形情況Fig.5 Deformation of the slope with support structures

2.2 影響規(guī)律分析

2.2.1 無(wú)支護(hù)邊坡位移變化規(guī)律

1)豎直位移變化

圖6給出了坡面各測(cè)點(diǎn)豎直位移隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化規(guī)律。由圖6可以看出，隨著降雨量的增加，坡面各測(cè)點(diǎn)豎直位移曲線總體變化趨勢(shì)為開(kāi)始增長(zhǎng)較快，中期大致平緩增長(zhǎng)，而在后期增長(zhǎng)速率加快直至破壞。在降雨的前30 min內(nèi)，豎向位移的整體變化率較快，約為0.7 mm/min。表明隨著降水的增加，水開(kāi)始滲入孔隙，并向坡體深部入滲，同時(shí)增加了坡體的重量，增大了下滑力。持續(xù)降雨30～195 min內(nèi)，豎向位移變化速率總體較穩(wěn)定，約為0.3 mm/min，此階段雨水不僅沖刷坡體表面,造成坡面土的緩慢流失，而且雨水的滲入量增大和滲入深度加深，使得坡體一定深度范圍內(nèi)的含水量發(fā)生變化，改變了土的孔隙水壓力，土的抗剪強(qiáng)度減小。當(dāng)坡體下滑力超過(guò)土體最大抗剪強(qiáng)度，坡體失去穩(wěn)定。另外，除去最終破壞的測(cè)點(diǎn)1，7外，位移變化最大的為靠近坡頂?shù)臏y(cè)點(diǎn)12，約為84.9 mm，最小的為靠近坡腳的測(cè)點(diǎn)2，為53.4 mm，靠近坡頂?shù)臏y(cè)點(diǎn)豎向位移比靠近坡底的大。

圖6 坡面各測(cè)點(diǎn)豎直位移-時(shí)間曲線Fig.6 Vertical displacement-time curve of the measuring points on the slope surface

2)水平位移變化

圖7給出了無(wú)支護(hù)邊坡水平位移隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化曲線。在降雨的前30 min，水平位移變化速率也較快，約為0.35 mm/min。降雨30～160 min期間，水平位移變化速率平緩，降雨沖刷坡體表面造成坡表土緩慢流失，速率約為0.2 mm/min。第160 min后增速較快，水平位移滑移量增大，直至邊坡破壞。此外，同豎直位移的變化，靠近坡頂?shù)臏y(cè)點(diǎn)位移比靠近坡腳的測(cè)點(diǎn)位移大，除去最終破壞的測(cè)點(diǎn)1，7外，位移變化最大的為測(cè)點(diǎn)6，為45.8 mm，最小的為測(cè)點(diǎn)2，為43.4 mm，總體上也是呈現(xiàn)靠近坡頂?shù)臏y(cè)點(diǎn)水平位移比靠近坡底的大。

圖7 坡面各測(cè)點(diǎn)水平位移-時(shí)間曲線Fig.7 Horizontal displacement-time curve of the measuring points on the slope surface

3)坡體內(nèi)部位移變化規(guī)律

圖8給出了土體內(nèi)部3個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移變化曲線。由圖8可看出，在沒(méi)有支護(hù)結(jié)構(gòu)的條件下，內(nèi)部位移變化的總體趨勢(shì)是變大的，大小在0～15 mm之間變化。測(cè)點(diǎn)1在降雨前125 min內(nèi)位移均較小，在150 min附近位移增長(zhǎng)較快。而測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3在150 min時(shí)位移沒(méi)有發(fā)生較快增長(zhǎng)，說(shuō)明在此刻坡體主要在上部發(fā)生破裂。另外，在降雨前50 min內(nèi)，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3處土體位移幾乎為0，而在50～75 min內(nèi)兩測(cè)點(diǎn)處土體位移急劇增大，測(cè)點(diǎn)2處土體位移增大到14 mm，測(cè)點(diǎn)3處土體位移增大到11 mm，而在50～70 min內(nèi)測(cè)點(diǎn)1處土體位移緩慢變化，增長(zhǎng)不多。上述現(xiàn)象表明當(dāng)降雨持續(xù)到50～70 min時(shí)，邊坡坡體內(nèi)部土體強(qiáng)度可能降低很多，造成內(nèi)部土體發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖8 坡體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)位移-時(shí)間曲線Fig.8 Displacement-time curve of the measuring points inside the slope

通過(guò)降雨對(duì)坡體表面和內(nèi)部位移最終影響量的比較，可以看到對(duì)坡面影響的最終范圍是45～80 mm，而對(duì)內(nèi)部的影響僅為0～15 mm，前者比后者大近3～5倍，表明降雨對(duì)坡面位移的影響遠(yuǎn)大于內(nèi)部位移的影響。另外，還可以看到靠近坡頂測(cè)點(diǎn)的水平和豎向位移均比靠近坡底測(cè)點(diǎn)的位移大，邊坡的頂部首先被拉壞，表現(xiàn)為坡體頂部出現(xiàn)大小不等的5條裂縫并縱向貫通(圖3),坡體上部開(kāi)始滑動(dòng)，且上部位移大,下部位移小,上部滑動(dòng)產(chǎn)生的壓力由下部承擔(dān),導(dǎo)致下部應(yīng)力增大，坡腳應(yīng)力集中,促使坡體下部產(chǎn)生變形破壞，整體失穩(wěn)，可見(jiàn)此無(wú)支護(hù)邊坡降雨后的破壞為推移型滑坡。

2.2.2 有支擋邊坡位移變化規(guī)律

圖9為坡面位移變化規(guī)律，由圖9可見(jiàn)，無(wú)論測(cè)點(diǎn)的豎直位移還是水平位移，其位移變化量均不大。豎直位移變化量在-1.0～2.5 mm范圍內(nèi)，總體變化速率為0.006 5 mm/min，呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì)。水平位移變化量在0～5 mm范圍內(nèi)，水平位移整體變化趨勢(shì)并不是很明顯，但是總體達(dá)到0.5 mm后仍然呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢(shì)，變化速率甚小。在水平位移變化上,大部分測(cè)點(diǎn)變化比較小，在0～2 mm之間。通過(guò)對(duì)比可知，降雨作用下有支擋結(jié)構(gòu)時(shí)水平位移變化量為1.5 mm，與無(wú)支擋結(jié)構(gòu)水平位移變化量的最小值43.4 mm比較，減少了近30倍，充分表明支擋結(jié)構(gòu)對(duì)坡體的限制作用明顯。

圖9 坡面各測(cè)點(diǎn)位移-時(shí)間曲線Fig.9 Displacement-time curve of the measuring points on the slope surface

圖10為坡體內(nèi)部位移變化規(guī)律。由圖10可以看出，內(nèi)部測(cè)點(diǎn)位移總體變化曲線開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，后出現(xiàn)臺(tái)階狀突變，最后逐漸趨于穩(wěn)定。由圖可見(jiàn)，各內(nèi)部測(cè)點(diǎn)位移變化幅值很小。測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的位移不超過(guò)0.2 mm, 測(cè)點(diǎn)3處土體位移不超過(guò)0.3 mm。

圖10 坡體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)位移-時(shí)間曲線Fig.10 Displacement-time curve of the measuring points inside the slope

結(jié)合加了支擋結(jié)構(gòu)的坡面位移變化曲線，可以看出降雨作用下有支擋結(jié)構(gòu)邊坡內(nèi)部位移變化量(約0.25 mm)遠(yuǎn)小于坡面豎直位移(約2 mm)和水平位移(約1.5 mm)，造成這種現(xiàn)象的原因在于坡面位移和坡體內(nèi)部位移在有支擋結(jié)構(gòu)存在時(shí)均較小，而在雨水的作用下，邊坡表面存在沖刷破壞，從而增大了坡面的位移量，因此坡面位移比坡體內(nèi)部位移要大。另外，雖然坡體測(cè)點(diǎn)不管表面還是內(nèi)部的變化量都不大，但是通過(guò)測(cè)量曲線可以看到位移總體的變化量靠近坡頂處大于靠近坡腳處，且這些位移的方向大都主要指向坡腳處。由于坡頂為受拉區(qū)，持續(xù)降雨，將使拉應(yīng)力增大，頂部位移變化增加，坡體可能先從頂部出現(xiàn)局部破壞。

3 結(jié) 論

通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)無(wú)支護(hù)和有支護(hù)的情況下降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1)無(wú)支護(hù)時(shí)，隨著降雨的持續(xù)，邊坡坡頂出現(xiàn)縱向貫通裂縫，坡體整體發(fā)生明顯滑動(dòng)。無(wú)支護(hù)時(shí)，隨著降雨量的增加，坡面各測(cè)點(diǎn)豎直位移初期增長(zhǎng)較快，中期平緩增長(zhǎng)，而后期增長(zhǎng)速率加快直至破壞。無(wú)支護(hù)時(shí)邊坡內(nèi)部位移總體呈增大趨勢(shì)。當(dāng)降雨持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，邊坡坡體內(nèi)部土體強(qiáng)度降低較多，內(nèi)部土體發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2)在有支護(hù)條件下，降雨對(duì)豎向和水平位移的影響均很小，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)坡面位移的限制作用明顯。對(duì)內(nèi)部位移而言，邊坡深層滑動(dòng)極小，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)也對(duì)限制坡體內(nèi)部滑動(dòng)的效果顯著。

3)對(duì)比降雨對(duì)坡面和內(nèi)部位移的影響，坡面位移變化遠(yuǎn)大于內(nèi)部位移變化，加設(shè)支擋結(jié)構(gòu)以后坡體變形主要是雨水對(duì)坡面的沖刷造成的。坡體位移變化的方向大都指向坡腳處，坡體可能先從頂部出現(xiàn)局部破壞。

[1] 林鴻州,于玉貞,李廣信,等.降雨特性對(duì)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(1):198-204. LIN Hongzhou,YU Yuzhen,LI Guangxin,et al.Influence of rainfall characteristics on soil slope failure [J].RockandSoilMechanics,2009,28 (1):198-204.

[2] 姚裕春,姚令侃,袁碧玉.降雨條件下邊坡破壞機(jī)理型研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2004,25(4):64-68. YAO Yuchun,YAO Lingkan,YUAN Biyu.Analysis of a centrifugal model of slope damage mechanism during rainfall [J].ChinaRailwayScience,2004,25(4):64-68.

[3] 錢(qián)紀(jì)蕓,張嘎,張建民,等.降雨時(shí)黏性土邊坡的離心模型試驗(yàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,49(6):813-817. QIAN Jiyun,ZHANG Ga,ZHANG Jianmin,et al.Centrifuge model tests of cohesive soil slopes during rainfall [J].JournalofTsinghuaUniversity(ScienceandTechnology),2009,49 (6):813-817.

[4] 黃濤,羅喜元,鄔強(qiáng),等.地表水入滲環(huán)境下邊坡穩(wěn)定性的模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(16):2671-2675. HUANG Tao,LUO Xiyuan,WU Jiang,et al.Model testing study on slope stability under environment of surface water permeation [J].RockandSoilMechanics,2004,23 (16):2671-2675.

[5] MORIWAKI H,INOKUCHI T,HATTANJI T,et al.Failure processes in a full-scale landslide experiment using a rainfall simulator [J].Landslides,2004,1(4):277-288.

[6] HUANG C C,LUO C L ,JANG J S,et al.Internal soil moisture response to rainfall-induced slope failures and debris discharge [J].EngineeringGeology,2008,101:134-145.

[7] BRAND E W,PREMCHITT J,PHILLIPSON H B.Relationship between rainfall and landslides [C]// Proceedings of the Fourth International Symposium on Landslides.Vancouver Canada:[s.n.],1984:377-384.

[8] SUGIYAMA T,OKADA K,MURAISH,et al.Statistical rainfall risk estimating method for a deep collapse of a cut slope [J].SoilsandFoundations,1995,35(4):37-48.

Failure of the Slope Induced by Rainfall Considering the Influence ofAnti-Slide Pile and Retaining Wall

YAN Qiurong1, QIAO Donghua2, YANG Bing3, YANG Tao3, FENG Jun3

(1. China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co.,Ltd., Chongqing 400067, P.R.China; 2. Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academe Co.,Ltd., Guiyang 550001, Guizhou, P.R.China; 3. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, P.R.China)

The experimental study on the model of the influence of rainfall on the slope stability was conducted under the condition with existence of support structure (i.e. anti-slide pile and retaining wall) and lack of support structure. A practical engineering slope was taken as a prototype, and the experimental model was designed under the condition of conventional gravity 1g. Test results show that the vertical and horizontal displacements of the slope are slightly influenced by the rainfall with the support structure, which indicates that the support structure has notable limitation to the displacement of the slope. It is found that the surface displacement is much larger than the inner displacement of the slope, by comprising the influence of rainfall on the slope surface displacement and the slope inner displacement. And after setting up the support structure, the deformation of the slope is mainly resulted from the scour of the rain on the slope.

highway engineering; rainfall; failure of slope; model test; support structure

2014-07-31；

2014-10-17

貴州省交通科技項(xiàng)目(2010-122-002)

嚴(yán)秋榮(1978—)，男，福建仙游人，副研究員，博士研究生，主要從事公路路基巖土科研、檢測(cè)方面的工作。E-mail：yanqiurong@cmhk.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.13

U416.1+4;TU444

A

1674-0696(2016)01-066-04