王丙龍 潘昌樹

(1.重慶川東南地質(zhì)工程勘察設計院，重慶 400038; 2.重慶市高新工程勘察設計院有限公司，重慶 401121)

邊坡是自然或人工形成的斜坡，是人類工程活動中最基本的地質(zhì)環(huán)境之一，也是工程建設中最常見的一種工程形式。邊坡的存在常伴有一定的安全隱患，在外界作用下會發(fā)生滑坡事故，若不及時處理會造成嚴重的經(jīng)濟損失。眾多誘因中降雨作用占據(jù)主導地位，同時土質(zhì)邊坡受雨水作用非常明顯。為此諸多學者對降雨工況下的邊坡穩(wěn)定性進行了研究。如Jing[1]、左自波[2]、林鴻州[3]等人通過室內(nèi)模型試驗發(fā)現(xiàn)當濕潤鋒形成后，土體的體積含水率和孔隙水壓力均表現(xiàn)出增長趨勢而基質(zhì)吸力呈現(xiàn)減小趨勢；且不同級配邊坡的破壞模式不同，含石量越小，土體顆粒流失量越大，滑裂面也越為明顯。Jing[4]、王亮[5]、沈水進[6]、徐憲立[7]等人通過沖刷試驗發(fā)現(xiàn)風速會嚴重影響雨水在坡面的侵蝕程度，坡面徑流與雨水入滲共同造成了邊坡的破壞。金怡軒[8]、何忠明[9]、曾鈴[10]等人通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)隨著非飽和帶深度的增加，土壤的孔隙水壓力逐漸增大；且孔壓在降雨入滲階段逐漸增大，在停止降雨后逐漸恢復。

由于邊坡易在外界作用下發(fā)生破壞，可在坡體內(nèi)加入加筋材料或修建擋土墻[11,12]，以提高邊坡的穩(wěn)定。因此王志斌[13]、李永華[14]等人采用土工格柵對邊坡進行加固，發(fā)現(xiàn)土體經(jīng)加固后其承載力顯著增大，且邊坡坡度越小、筋帶密度越大，則邊坡的變形越小。以上研究相對比較單一，并未將降雨工況與加筋加固相結(jié)合。

基于此，本文采用自行研制的模型試驗裝置，通過改變雨強大小及筋帶密度對加筋邊坡進行研究，為加筋邊坡的防災減災工作提供參考。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

試驗設備為自行研制的模型試驗裝置，包括降雨裝置、模型槽以及高分辨率攝像機，為便于觀察邊坡的變化情況，整個模型槽由透明亞克力板制成。模型試驗裝置的示意圖如圖1所示，該裝置既可觀察邊坡坡面的宏觀侵蝕情況，也可觀測側(cè)面濕潤鋒的變化情況。

1.2 試驗材料

采用重慶科技學院附近某邊坡的現(xiàn)狀土作為模型試驗的試驗土。通過室內(nèi)土工試驗獲得試驗用土的物理力學參數(shù)，如表1所示。經(jīng)敬小非[15]、趙一姝[16]等人研究，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維窗紗具有良好的加筋效果，故本研究采用玻璃纖維作為加筋材料對土質(zhì)邊坡進行加固。

表1 試驗土的主要物理性質(zhì)指標

1.3 試驗方案

邊坡的模型尺寸為45 cm×35 cm×20 cm，坡度為45°，分別在三種降雨強度、三種加筋密度條件下開展9組模型試驗。根據(jù)重慶地區(qū)10年一遇、50年一遇、100年一遇的降雨情況，將雨強定為50 mm/d,115 mm/d,262 mm/d三種，筋帶密度分別為1層、2層、3層，具體試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

2 試驗結(jié)果分析

2.1 濕潤鋒變化情況

由于邊坡土壤成非飽和狀態(tài)，因此在降雨過程中雨水會逐漸滲入土體，并逐漸使土體飽和化。雨水入滲過程中會出現(xiàn)一條干濕分明的分界線，稱為濕潤鋒。濕潤鋒的變化情況能很好的反映雨水的入滲過程，因此有必要對濕潤鋒進行分析。

圖2為加筋邊坡在不同降雨強度作用下的濕潤鋒變化情況。濕潤鋒深度為濕潤部分垂直于坡面中部的濕潤長度。如圖2所示，在相同加筋條件下，濕潤鋒入滲深度隨雨強的增大而增加；相同雨強條件下，濕潤鋒的入滲深度隨筋帶密度的增加而減??；說明雨強越大邊坡更容易發(fā)生破壞，筋帶的增設使顆粒與顆粒間的咬合力增強，從而使其抵抗雨水軟化作用的能力增大，雨水在筋帶處的下滲受到筋帶的限制，故濕潤鋒下滲深度隨筋帶密度的增大而減小。

從圖2中還可以看出，在相同的降雨強度下，邊坡的筋帶越多，雨水的入滲速率越慢。降雨初期，雨水入滲速度最快，隨著降雨持續(xù)，雨水入滲速度越來越慢，而且入滲速度減慢的速率隨時間的增長而逐漸減小。這是因為降雨初期，土壤處于非飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力較大，而隨著雨水的持續(xù)入滲，土壤逐漸由非飽和土轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡屯粒|(zhì)吸力逐漸降低，故吸收雨水的能力逐漸減弱。而且從圖中還發(fā)現(xiàn)降雨結(jié)束時，盡管降雨強度不同，但是雨水的入滲速度幾乎都為零。這是因為試驗結(jié)束時，滲流水已浸入坡體大半以上，此時雨水更多的以徑流的形式存在于坡面，而下滲的量相對較少。

2.2 坡面侵蝕情況

當雨量小于土壤的滲透系數(shù)時，雨水會全部滲入土體；而當雨量大于土壤的滲透系數(shù)時，雨水部分以滲流水的形式滲入土體，部分以徑流的形式存在于坡面，且雨量越大，徑流量越大、滲流量越小。而坡面徑流會對坡面進行沖刷侵蝕，造成坡面破壞，它是邊坡土壤流失的主要施力者。

圖3是加筋邊坡(N=1)在115 mm/d的雨強作用下，其坡面破壞程度隨時間的變化情況。從圖中可以看出降雨對邊坡的破壞首先是從坡腳開始的，在持續(xù)降雨下，坡腳很容易被沖刷，坡腳的粘土被雨水沖走，造成水土流失。這是因為坡面的徑流水最終都會流向坡腳，此處土壤遭受水的軟化作用最為明顯，在水的作用下，土壤間的分子作用力逐漸喪失，從而破壞土骨架，當土骨架遭受破壞后，土體便會發(fā)生垮塌。當坡腳土體垮塌后便會形成空腔，上部土體在重力作用、徑流沖刷作用下依次發(fā)生垮塌，從而形成如圖所示的牽引式破壞現(xiàn)象。

圖4為115 mm/d雨強作用下，不同加筋密度邊坡在50 min時的坡面破壞程度。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在降雨強度及歷時相同的條件下，坡面的破壞程度隨筋帶數(shù)量的增加而減小。說明筋帶的布設很好地改善了邊坡的穩(wěn)定性。通過記錄加筋邊坡出現(xiàn)裂縫時的時間發(fā)現(xiàn)，一層、兩層、三層筋帶加筋邊坡的裂縫出現(xiàn)時刻分別為6 min,7 min,9 min。說明加筋邊坡在降雨作用下產(chǎn)生裂縫的時候隨筋帶密度的增加而增大。

3 結(jié)語

1)降雨強度越大，徑流量越大，坡面遭受的沖刷作用越為明顯，其破壞程度越大；筋帶密度越大，邊坡的穩(wěn)定性越強，抵抗雨水作用的能力越大。2)無論雨強多大、筋帶密度多大，邊坡的破壞總是從坡腳開始，逐漸往上部發(fā)展，呈現(xiàn)出“牽引式”破壞現(xiàn)象。3)雨強越大，筋帶密度越小，濕潤鋒的下滲速率越大；整個降雨過程中濕潤鋒的變化由快到慢。