田松何

(中國建筑第六工程局有限公司，天津 300450)

滑坡事故一直以來都是造成生命財產(chǎn)損失的重要地質(zhì)災(zāi)害之一，近年來由于基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)，邊坡失穩(wěn)問題逐漸成為了研究的熱點。影響邊坡穩(wěn)定的因素有很多，其中降雨和地震便是觸發(fā)邊坡失穩(wěn)的兩大重要因素。如1972年6月中國香港地區(qū)發(fā)生了長時間的強降雨，降雨強度一度達到65 mm/h，強降雨導(dǎo)致的滑坡事故造成了250人死亡，其中大量房屋被掩埋，僅秀茂坪[1]的一處滑坡就造成71人喪生。云南省昭通市小壩村[2]于2009年4月因強降雨而觸發(fā)了山體滑坡，滑坡的巖土體總體積達到8 000 m3，其長約50 m，寬約40 m，厚度更是達到4 m，由此造成了20多人的傷亡。2015年12月，紅坳渣土受納場[3]由于地下水的緣故發(fā)生了滑坡，造成了73人死亡，大量廠房被掩埋，由其造成損失高達8.81億元。1976年的唐山大地震[4]造成了密云水庫的大壩土體液化進而導(dǎo)致壩體滑坡。2008年，汶川發(fā)生了8.0級大地震，此次地震造成了大規(guī)模的滑坡和泥石流，造成失穩(wěn)的邊坡多達2萬余處[5]，此次造成的邊坡失穩(wěn)規(guī)模也是十分罕見的，其中安縣大光包滑坡規(guī)模創(chuàng)下了歷史之最，居世界之冠[6]。一直以來，相關(guān)學(xué)者對地震和降雨單獨作用下的邊坡失穩(wěn)問題做了大量的研究，但是針對地震和降雨共同作用對填土邊坡穩(wěn)定性影響的研究卻很少見于報端。趙川、付成華等[7]基于局部強度折減法基本理論,采用有限元軟件對某含有軟弱夾層的水電邊坡進行穩(wěn)定性分析評價。馬紫娟 、張有龍等[8]利用有限元軟件Geostudio分析了降雨持時、降雨強度、地震時程3個參數(shù)對邊坡的穩(wěn)定性影響。李曉蓮、余云燕等[9]利用FLAC3D數(shù)值軟件分別計算并分析了降雨單獨作用、地震單獨作用及降雨與地震共同作用條件下邊坡應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)及剪應(yīng)變增量的變化。王蘭民、蒲小武等[10]開展天然狀態(tài)、降雨100 mm黃土邊坡2種模型的振動臺試驗，分析了邊坡模型的宏觀變形、加速度、孔壓、土壓力等相關(guān)物理量的變化特征。本文采用自行制作的可以模擬降雨和地震的試驗裝置進行模型試驗，對地震和降雨共同作用下的邊坡動態(tài)響應(yīng)和坡面形態(tài)變化進行了分析。

1 試驗裝置簡介及模型邊坡的制作

1.1 試驗裝置簡介

試驗裝置主要包括試驗?zāi)Ｐ拖?、振動臺、人工降雨系統(tǒng)、量測系統(tǒng)等部分[11]。模型箱設(shè)計長度為2 m、寬度為1.5 m、高度為1.8 m，采用鋼板及角鋼制成，此外為了能夠從側(cè)面觀察模型箱內(nèi)的邊坡模型的裂紋、位移、浸潤峰的發(fā)展情況，將模型箱的兩側(cè)壁改成透明的有機玻璃。振動臺最大載重量為6 t，最大工作頻率為20 Hz,滿載下的最大加速度和位移分別為1 g和±150 mm，其運動方向為水平向平動。人工降雨系統(tǒng)主要包括供水設(shè)備、降雨噴頭及其組合裝置兩個部分。降雨噴頭采用噴嘴式，根據(jù)其口徑大小分為3.0、3.5、6.5 mm 3個型號。為了對降雨強度和降雨范圍進行有效控制，對原本固定噴頭位置的降雨設(shè)備進行了改進：降雨強度主要是通過降雨噴頭型號的選擇、降雨噴頭的數(shù)目、降雨噴頭間距3個因素組合控制；降雨范圍通過降雨噴頭的固定間距控制。

1.2 模型邊坡的制作及試驗工況的設(shè)計

1.2.1模型邊坡的制作

在邊坡模型填筑前需要對模型邊坡填土的物理力學(xué)參數(shù)進行測定，測得的邊坡填土為粉質(zhì)黏土，具體的參數(shù)見表1。

填土邊坡模型的填筑采用梯形分層填筑的方案，共分為10層，每層10 cm，然后通過厚度、面積、體積計算需要填土的質(zhì)量，按照設(shè)計好的削坡位置進行削坡。用彩筆在有機玻璃上作邊長為10 cm的正方形網(wǎng)格，作為坡體位置參考，便于觀察示蹤點移動、濕潤峰變化以及裂縫相對位置和發(fā)展情況。邊坡填筑時的模板支護應(yīng)從下往上，支撐牢固，不能出現(xiàn)松動和漏洞情況，防止土體流出，壓實度達不到設(shè)計要求。削坡時，模板的拆除應(yīng)從上往下依次拆除，拆完模的上部土體應(yīng)避免再次擾動。同時邊坡填筑過程中，將傳感器按相應(yīng)的設(shè)計方案埋設(shè)在土體中，傳感器的具體位置見圖1。

圖1 傳感器布置

1.2.2試驗工況的設(shè)計

地震波類型本文選取的是El-centro波和Kobe波。最終地震作用下的邊坡模型試驗的加載制度擬采用表2的加載制度。編號WTN、ELC、KOB分別代表白噪聲隨機波、El-centro波、Kobe波。邊坡模型在地震作用加載后會進行降雨作用。

表2 振動臺模型試驗加載制度

2 地震和降雨物理模型試驗及其結(jié)果分析

本次邊坡模型試驗是先進行不同工況下的地震作用，在不損毀邊坡模型的前提下，探討邊坡模型的裂紋裂縫的發(fā)展情況，并監(jiān)測邊坡的土壓力和加速度的動態(tài)響應(yīng)情況。地震作用試驗完成后，間隔2～3 h，使土體內(nèi)部應(yīng)力分布均勻后進行降雨作用，試驗過程中，對浸潤面和坡面的形態(tài)變化進行詳細記錄，在此基礎(chǔ)上分析邊坡在地震和降雨共同作用下的動態(tài)響應(yīng)及變形機制。

2.1 地震作用下的試驗結(jié)果分析

在進行降雨試驗前先進行地震試驗，本次地震的加載制度見表2。本次試驗的地震波輸入均為水平方向，暫不考慮豎直向。地震波的波形共3種，分別為白噪聲隨機波(持續(xù)時間150 s)、El-Centro波(持續(xù)時間40 s)、Kobe波(持續(xù)時間40 s)。

2.1.1加速度響應(yīng)

前人在邊坡模型試驗中做了很多有關(guān)動力響應(yīng)的研究，其中對加速度響應(yīng)描述的一個重要指標便是PGA放大系數(shù)。由圖2a可知粉質(zhì)黏土在不同峰值加速的El-Centro波作用下的PGA放大系數(shù)，從圖中可以知道坡面對地震波的加速度響應(yīng)隨位置不同而表現(xiàn)出不同現(xiàn)象，其中坡頂A1處響應(yīng)最強，其次是坡中A2處，三者之中響應(yīng)最小的位置是坡腳A3處；從圖2a還可知峰值加速度在0.1～0.3 g區(qū)間內(nèi)邊坡的加速度響應(yīng)隨著地震峰值加速度的增大而增大，0.1 g時加速度響應(yīng)最小，0.3 g時加速度響應(yīng)最大。圖2b表現(xiàn)出和圖2a相同的變化趨勢，即隨著加速度的增大響應(yīng)強度增強，但是圖b中的邊坡在峰值加速度為0.1 g的El-Centro波作用下的加速度響應(yīng)要大于經(jīng)過若干次加載后的同樣為0.1 g的El-Centro波作用下的加速度響應(yīng)，通過若干次的加載后邊坡出現(xiàn)了損傷，有裂縫、位移等情況發(fā)生，故其對邊坡的響應(yīng)規(guī)律造成的影響。由圖3可知坡面在同一峰值加速度不同地震波作用下，粉質(zhì)黏土邊坡同一位置表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即隨著峰值加速度的增大邊坡的響應(yīng)規(guī)律逐漸增大，El-centro波近似為線性增長，而Kobe波則在0.1 g之前增長較慢，而在0.1～0.15 g之間增長變快。值得注意的是邊坡在峰值加速為0.08 g的Kobe波作用下加速度響應(yīng)均小于1，也就是此時邊坡的加速度響應(yīng)小于水平地震波的輸入。

a)0.1～0.3 g

b)0.05～0.15 g圖2 坡面在不同峰值加速度作用下的PGA放大系數(shù)(El-centro波)

2.1.2土壓力響應(yīng)

本文按照表2的試驗加載制度進行了試驗邊坡水平方向的土壓力的測試，以ELC-1為例進行了振動臺試驗，試驗邊坡的同一豎直方向和同一水平方向水平土壓力的響應(yīng)規(guī)律見圖4。從圖5a可知，在0.08 g的El-centro地震波作用下，同一豎直方向的X-土壓力表現(xiàn)為：坡底響應(yīng)最小，隨著高度的增大，土壓力大小逐漸增大，在邊坡中部某一點達到最大值，然后隨著高程的增大，X-土壓力逐漸減小，但坡頂?shù)捻憫?yīng)仍然要大于坡底。從圖4b還可得出，在0.08 g的El-centro地震波作用下，試驗邊坡0.4 m高度處的X-土壓力隨著坡內(nèi)向坡面水平移動，會出現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且減小的幅度逐漸減小。從邊坡模型宏觀分析可知，邊坡模型后壁給邊坡模型提供了向前移動的推力，而邊坡模型對該推力有逐漸削弱的作用，離后壁越近削弱的程度越大，越遠力度越小，這和圖4b所示的曲線斜率逐漸減小相一致。由圖5可知，在地震峰值加速度相同的情況下，填土邊坡對Kobe波的地震響應(yīng)規(guī)律與El-centro波相同，但是填土邊坡對El-centro波的響應(yīng)要略強于Kobe波。圖6中的ELC-4、ELC-5、ELC-6分別為試驗設(shè)計方案中的0.1、0.2、0.3 g地震作用，從圖6a、6b可知，同一位置處，隨著地震波峰值加速度的增大，其對應(yīng)的X-土壓力響應(yīng)也逐漸變大。從中還可得知，同一地震波作用，在同一豎直方向上，坡底的X-土壓力響應(yīng)最小，坡中的某位置最大，坡頂次之；而在同一水平方向上，隨著作用位置離坡面越近，其X-土壓力逐漸減小，即坡后壁處最大，坡面處最小，模型邊坡對X-土壓力具有削弱作用，這些規(guī)律也和上面的試驗ELC-1、Kob-1結(jié)果相一致。

a)A1

b)A2

c)A3圖3 坡面不同位置在相同峰值加速下的響應(yīng)規(guī)律

a)豎直向土壓力的響應(yīng)規(guī)律

b)水平向土壓力響應(yīng)規(guī)律圖4 ELC-1地震波作用下邊坡模型的X-土壓力響應(yīng)

a)豎直方向

b)水平方向圖5 峰值加速度為0.08g作用下的土壓力響應(yīng)

a)豎直方向的X-土壓力響應(yīng)

b)水平方向的X-土壓力響應(yīng)圖6 不同峰值加速度作用下的土壓力響應(yīng)規(guī)律

2.1.3模型邊坡的側(cè)壁和坡面的裂縫和位移發(fā)展情況

為了比較直觀地測量出模型邊坡在振動臺實驗中的位移和裂縫發(fā)展情況，本次試驗采用的是在邊坡側(cè)壁、坡面以及坡頂埋置標志點并利用網(wǎng)格線輔助測量的方法。在邊坡模型填筑好之后進行了試驗編號為ELC-1、KOB-1、ELC-2、KOB-2的地震試驗，由于輸入的地震波峰值加速度較小，邊坡始終呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，其側(cè)面及坡面均無裂縫和位移發(fā)生，坡面只出現(xiàn)零星的散土顆粒滾落。試驗進行到KOB-3時模型邊坡在坡頂后緣處出現(xiàn)明顯的整體下陷情況，下陷的最大深度為3 cm，此時的模型邊坡的側(cè)面也發(fā)生位移，具體情況見圖7。從圖7a可以看出模型邊坡的頂部出現(xiàn)下陷情況，邊坡的頂部與紅色分層線的最大距離達到3 cm，但頂部未出現(xiàn)裂縫。在圖7b中透過有機玻璃可以看到編號為1的2個橡皮塞隨著地震動出現(xiàn)了移動現(xiàn)象，其橡皮塞的最大移動距離為6 mm，其運動方向為向右偏上一點，由于橡皮塞的密度與土相近，因而可以將橡皮塞的運動情況代表模型邊坡土的運動情況。從圖7b中的編號2、3處可知邊坡的坡頂前緣和坡面中上部在地震動過程中出現(xiàn)下陷狀況。隨著模型試驗的進行，在編號為ELC-4時邊坡頂部出現(xiàn)了裂縫。裂縫在左右兩側(cè)同時出現(xiàn)，且都向坡頂中部發(fā)展，在編號為ELC-5試驗時整個拉裂縫在坡頂橫向貫通，見圖8。在坡頂拉裂縫出現(xiàn)的同時坡面也出現(xiàn)了斜向上的剪切裂縫，坡面裂縫首先出現(xiàn)在填土之間的分層界線處，此處由于是邊坡兩層土之間的銜接處，故而應(yīng)力分布不是很均勻，抗剪切的強度要小于其他地方。在地震發(fā)生時，坡面的該薄弱地方率先出現(xiàn)裂縫并且斜向上發(fā)展，在編號為ELC-6試驗時出現(xiàn)坡面橫向貫穿，見圖9。綜上可推知，填土邊坡的滑坡形成是從坡頂出現(xiàn)橫向拉裂縫開始，然后坡面中部某位置出現(xiàn)剪切破壞的斜裂縫，緊接著坡頂處的拉裂縫向下發(fā)展，坡面的剪切裂縫向坡體內(nèi)部發(fā)展，直至兩處裂縫貫通，形成滑裂面，進而促使邊坡發(fā)生滑坡事故。

2.2 震后降雨作用下的試驗結(jié)果及其破壞模式分析

本次試驗按照圖10的工況進行了降雨，在打開閥門降雨強度會有稍微的波動，但在每小段降雨時間內(nèi)可近似認為降雨強度是均勻不變的。在本次降雨模擬試驗中對邊坡模型相關(guān)變量進行了測量和分析，分析結(jié)果如下。

a)坡頂下陷

b)邊坡側(cè)壁位移及下陷圖7 模型邊坡的位移及下陷情況

a)坡頂裂縫圖8 坡頂裂縫的發(fā)展狀況

b)坡頂右側(cè)裂縫

c)坡頂左側(cè)裂縫續(xù)圖8 坡頂裂縫的發(fā)展狀況

圖9 坡面裂縫的發(fā)展情況

圖10 模型試驗降雨歷程

2.2.1浸潤峰入滲速率及形態(tài)變化

在模型邊坡進行完地震試驗后，進行降雨試驗，在前5 min內(nèi)，由于模型邊坡試驗用土的滲透系數(shù)較大，一開始的入滲速度大于降雨強度，致使雨水全部滲入，坡面未出現(xiàn)坡面徑流。隨著降雨的進行，邊坡坡面處的土壤逐漸趨向飽和，在入滲速度小于降雨強度時便出現(xiàn)了坡面徑流，本次試驗在7 min左右便出現(xiàn)了坡面徑流。此外隨著雨水的不斷入滲，模型邊坡的土壤隨著含水量的增大，土壤的顏色逐漸變深，而深色淺色土壤的邊界便出現(xiàn)了浸潤峰。本次試驗通過架設(shè)在邊坡模型有機玻璃側(cè)的攝像機拍攝浸潤峰的變化情況，以此來判斷和計算雨水的入滲深度和入滲速率。

圖11是選取不同降雨時間段的浸潤峰圖片，其中圖11a、11b顯示浸潤峰首先出現(xiàn)在坡頂和坡面且不斷向內(nèi)部推移。圖11c、11d則反映隨著降雨的持續(xù)，坡頂?shù)挠晁徊糠秩霛B，一部分形成坡面徑流，而其中還有一部分沿著模型箱后壁入滲，由于后壁和土壤的材質(zhì)不同，入滲的速度要大于土壤，故而浸潤峰在后壁處很快豎向貫通，在豎向貫通后隨著含水量的增大，便沿著水平向向邊坡內(nèi)部入滲。從圖12可以看出坡頂和坡面的雨水入滲速率還是具有一定的規(guī)律性的，從圖上可以看出不管是坡頂還是坡面入滲速率總體還是呈現(xiàn)相同的減小趨勢，這是由于隨著降雨的進行，入滲的雨水使土壤的含水率不斷增大進而使表層土趨向于飽和狀態(tài)，入滲速度逐漸減小，而在飽和后表層土的入滲相對較小且穩(wěn)定，而內(nèi)部由于滲入的雨水量較小，進一步降低了雨水的入滲速率。此外，可以看出32 min是坡面和坡頂入滲速率曲線的交點，在32 min之前坡頂?shù)娜霛B的平均速率要比坡面大，這是因為一方面坡頂在地震作用時產(chǎn)生了數(shù)條細裂縫，入滲的雨水正好可以沿著裂縫快速深入；另一方面隨著降雨的進行在坡頂處形成了積水，這一因素又促使入滲速度加快，相對于坡面處于傾斜角度，多余的雨水都形成了坡面徑流流向坡腳。而在32 min之后坡面的雨水平均入滲速率要略大于坡頂，這是由于隨著降雨的進行坡腳處出現(xiàn)了大量積水，且坡腳的積水量遠大于坡頂。而后期降雨的入滲速度有所提升，這是因為后期增大了降雨強度，進而加速模型邊坡的破壞速度。

a)t=5 min

b)t=116 min

c)t=134 min

d)t=166 min圖11 模型邊坡的浸潤峰位置

圖12 邊坡模型降雨入滲速率

2.2.2模型邊坡滑坡坡面形態(tài)變化

粉質(zhì)黏土邊坡的降雨破壞過程見圖13，在形成表面徑流的同時，強降雨使邊坡表面形成了暫態(tài)飽和區(qū)，暫態(tài)飽和區(qū)處的土壤由于飽和度較高，在水分的作用下表層土壤一方面抗剪強度變?nèi)酰硪环矫嫫渫馏w容重增大下滑力增大，故出現(xiàn)了輕微的流滑現(xiàn)象，流滑的土壤在強降雨的沖刷下以及表面徑流的運移作用蓄積在了坡腳(圖13a)。由于發(fā)生流滑的地方其土壤率先達到暫態(tài)飽和狀態(tài)，其飽和區(qū)呈現(xiàn)一塊塊獨立的區(qū)域，流滑發(fā)生后邊坡表面于是出現(xiàn)了一塊塊的片蝕現(xiàn)象。片蝕的形成主要是由于雨水自上而下降落對坡面產(chǎn)生的濺蝕作用，濺蝕使邊坡坡面松散的土顆粒產(chǎn)生了運移，再加上土體含水量的增大，絮結(jié)成一塊塊的流滑體，在表面徑流的作用下流向了坡腳。片蝕之后隨著降雨入滲和表面徑流路徑的穩(wěn)定，在坡面中間率先出現(xiàn)了溝蝕現(xiàn)象，而坡面兩側(cè)的面蝕逐漸加大，見圖13b。隨著降雨的持續(xù)，坡頂和坡面都出現(xiàn)了土顆粒運移現(xiàn)象，直觀的表現(xiàn)就是坡頂和坡面都出現(xiàn)了洼地和坡頂轉(zhuǎn)角下陷。從圖13c可以看出地震時產(chǎn)生的細裂縫在降雨的過程中在不斷擴大，不管是深度和寬度都得到了進一步的發(fā)展。從圖13d可知，降雨的持續(xù)進行，沖蝕溝的溝蝕作用進一步發(fā)展，沖蝕溝在徑流的沖刷下向更深的土體和兩側(cè)土體發(fā)展，此外坡面的兩側(cè)的沖刷溝逐漸增多起來。圖13e可以看出，沖刷溝在向深切和側(cè)蝕發(fā)展的同時，其長度也在不斷的發(fā)展，逐漸貫穿坡面。圖13f可知，沖蝕溝沿坡面的縱向發(fā)展正好經(jīng)過坡頂?shù)牧芽p處，這是由于坡頂拉裂縫的形成，加速了附近土體趨向飽和的速度，飽和的土體由于土體容重的增大和抗剪強度的降低，再加上雨水的沖刷，率先發(fā)生流滑進而發(fā)展成溝蝕，最終與坡面的沖刷溝相連，造成邊坡的徹底破壞。根據(jù)本次降雨模型試驗現(xiàn)象和前人的試驗總結(jié)可以判定本次降雨試驗在降雨強度較高的情況下為淺層流滑型滑坡破壞。

a)t=30 min

b)t=40 min

c)t=64 min

d)t=124 min圖13 模型邊坡滑坡的發(fā)展過程

e)t=154 min

f)t=166 min續(xù)圖13 模型邊坡滑坡的發(fā)展過程

3 結(jié)論

a)地震工況下，本文用的粉質(zhì)黏土邊坡在El-Centro波作用下得到的結(jié)論有：①通過PGA放大系數(shù)可以判斷邊坡模型的加速度應(yīng)從下往上逐漸增強；②同一豎直方向下的X-土壓力表現(xiàn)為坡底的響應(yīng)最弱，隨著高度的增大X-土壓力響應(yīng)逐漸增大，在坡中達到最大值，隨后逐漸減小，在0.4 m高度處的X-土壓力響應(yīng)隨著坡內(nèi)向坡面水平移動，響應(yīng)呈現(xiàn)為逐漸減小的趨勢；③振動后，坡頂率先出現(xiàn)了橫向裂縫并且土體有下陷的情況，同時在某個時刻坡面中部薄弱位置會出現(xiàn)剪切破壞的斜裂縫，緊接著是坡頂處的拉裂縫向下發(fā)展，而坡面的剪切裂縫向兩側(cè)和坡體內(nèi)部發(fā)展，直至兩處裂縫貫通，形成滑裂面，進而促使滑坡事故的形成。

b)震后降雨工況下，本文試驗時的降雨強度是大于125 mm/h的強降雨，試驗得到的結(jié)論有：①通過降雨入滲速率的統(tǒng)計和分析，可知坡頂、坡面的平均入滲速率是總體呈現(xiàn)減小的趨勢，此外32 min之前坡頂下方的平均入滲速率要大于坡面下方，而32 min之后，則坡面下方的平均入滲速率要大于坡頂；②降雨時，模型邊坡的坡面首先在暫態(tài)飽和區(qū)出現(xiàn)流體，緊接著向片蝕發(fā)展，進而到溝蝕，最終形成多條貫穿坡面的沖蝕溝致使坡面發(fā)生破壞。