費(fèi)倫林，錢勁松

(1.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330025；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

0 引言

高速公路路堤邊坡土體為典型的非飽和土，運(yùn)營期間受降雨入滲、地下水位波動及凍融循環(huán)等自然因素的影響，導(dǎo)致路基土的濕度由填筑結(jié)束時(shí)的最佳含水率附近逐漸過渡到平衡濕度狀態(tài)[1]。潮濕多雨地區(qū)，如我國東南地區(qū)各省份，雨量充沛，降雨集中且持續(xù)，導(dǎo)致路堤邊坡土體在一定程度上發(fā)生濕化。諸多研究表明，隨著含水率的增大，及反復(fù)波動，邊坡土體的抗剪強(qiáng)度顯著降低，并易引發(fā)滑坡、失穩(wěn)，從而影響高速公路的正常使用[2-5]。尤其是對于我國東南地區(qū)廣泛分布的花崗巖殘積土，具有遇水極易軟化、崩解的特性，使得花崗巖殘積土路堤邊坡對濕度的敏感性更大[6]。因此，掌握邊坡土體在實(shí)際運(yùn)營過程中的濕度特征，可以為高速公路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)營維護(hù)提供重要數(shù)據(jù)支撐。

邊坡土體的濕度特征可以從體積含水率和基質(zhì)吸力兩個(gè)角度進(jìn)行反映。降雨作為滑坡的主要誘發(fā)因素，其主要機(jī)理是：降雨入滲邊坡使得邊坡非飽和土帶土體的基質(zhì)吸力降低，使得土體的抗剪強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，甚至滑坡[7-8]?？紤]基質(zhì)吸力對土體抗剪強(qiáng)度的影響時(shí)，計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)有顯著增大[9-10]。因此，掌握邊坡非飽和帶中基質(zhì)吸力在運(yùn)營期的變化情況，對于研究降雨型滑坡，具有重要意義。

國內(nèi)外已有學(xué)者對邊坡的實(shí)測濕度或基質(zhì)吸力特征展開了相關(guān)研究。早期比較典型的是1982年，Sweeney在邊坡上開挖了2個(gè)混凝土監(jiān)測井，在井中不同深度上安置快拔型張力計(jì)，對邊坡非飽和帶的基質(zhì)吸力進(jìn)行了歷時(shí)1年多的監(jiān)測[10]。國內(nèi)部分結(jié)構(gòu)也針對不同土質(zhì)類型邊坡，采用監(jiān)測井、傳感器，結(jié)合鉆孔開挖的方式，監(jiān)測不同深度土體的濕度特征變化[11-14]。土體濕度特征的監(jiān)測是長期耗時(shí)的過程，短期的監(jiān)測并不能反映邊坡內(nèi)部濕度的真實(shí)情況。而路基斷面形式和填料土質(zhì)均對邊坡濕度特征有所影響，針對花崗巖殘積土半填半挖式路堤邊坡濕度特征的研究鮮有報(bào)道。本研究依托江西省安遠(yuǎn)至定南高速公路項(xiàng)目，重點(diǎn)對花崗巖殘積土路堤邊坡土體的體積含水率和基質(zhì)吸力進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測，分析邊坡土體的基質(zhì)吸力和體積含水率的時(shí)空分布規(guī)律，以期為邊坡的穩(wěn)定性分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1 邊坡概況及監(jiān)測方案

被監(jiān)測邊坡位于江西省安遠(yuǎn)至定南高速公路的聯(lián)絡(luò)線上。監(jiān)測斷面為半填半挖式路基斷面形式，填高約11 m，挖方約20 m，路基寬度為21.5 m。路基填料系典型的花崗巖殘積土，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40—2007)》[15]測試其基本工程特性。該處花崗巖殘積土的液限ωL62%；塑性指數(shù)IP 40；最佳含水率ωOPT18.7%；最大干密度ρdmax1.671 g/cm3；顆粒級配如表1所示。根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50145—2007)》[16]，該花崗巖殘積土定名為高液限黏土。

表1 花崗巖殘積土顆粒級配分布Tab.1 Distribution of grain sizes of granite residual soil

在路基填筑施工結(jié)束15 d后，于該斷面下邊坡共設(shè)置2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，水平距離分別距路肩最外側(cè)4.0 m(監(jiān)測點(diǎn)1)和13.0 m(監(jiān)測點(diǎn)2)。兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)均埋設(shè)3對基質(zhì)吸力傳感器和體積含水率傳感器。其中，監(jiān)測點(diǎn)1埋設(shè)深度分別是0.3，0.8，1.3 m，水平方向上距邊坡表面依次是0.45，1.20，1.95 m，垂直方向上距路基頂面依次是2.97，3.47，3.97 m；監(jiān)測點(diǎn)2埋設(shè)深度分別是0.3，0.9，1.5 m，水平方向上距邊坡表面依次是0.52，1.58，2.62 m，垂直方向上距路基頂面依次是8.11，8.71，9.31 m。監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意如圖1所示。所用傳感器為MPS-6土壤水勢傳感器和EC-5土壤水分傳感器，數(shù)據(jù)由EM50自動采集。

圖1 現(xiàn)場土體基質(zhì)吸力及體積含水率傳感器布設(shè)Fig.1 Layout of field soil matrix suction and volumetric water content sensors

監(jiān)測點(diǎn)1的監(jiān)測開始于2016年8月初，監(jiān)測點(diǎn)2的監(jiān)測開始于2016年8月末，均結(jié)束于2017年6月中旬，每日監(jiān)測1次。與此同時(shí)，在監(jiān)測斷面上安裝有一體化雨量計(jì)，用以監(jiān)測同時(shí)期的降雨信息。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 基質(zhì)吸力的時(shí)空分布特征

不同埋深處邊坡土體基質(zhì)吸力隨時(shí)間的監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 土體基質(zhì)吸力的變化規(guī)律Fig.2 Variation of matrix suction of soil

由圖2(a)可知，邊坡上部土體的基質(zhì)吸力隨時(shí)間呈鋸齒形波動，波動范圍介于7～21 kPa，最大值為21 kPa?；|(zhì)吸力的波動現(xiàn)象主要是受降雨影響。例如，8月份是降雨集中月份，監(jiān)測初期近一個(gè)月時(shí)間的連續(xù)降雨，基質(zhì)吸力快速下降，待降雨結(jié)束后，基質(zhì)吸力逐步回升。縱觀整個(gè)監(jiān)測周期，基質(zhì)吸力和降雨氣候的關(guān)系明顯，降雨期間，吸力減小，降雨間歇，吸力增大。而且，在監(jiān)測深度范圍內(nèi)，基質(zhì)吸力隨降雨的變化并沒有滯后現(xiàn)象，即使是1.3 m土層深處，兩者也基本同步變化。從變化幅值來看，埋深較大處略小于淺層土體。以2017年3月～6月的間歇低強(qiáng)降雨為例，表層土基質(zhì)吸力的變化受降雨或蒸騰的影響較大，而0.8 m與1.3 m處仍在較低的水平小幅度波動。

圖2(b)呈現(xiàn)的邊坡下部土體的基質(zhì)吸力變化規(guī)律和上部土體相似，但基質(zhì)吸力的波動幅度較小，波動范圍介于7～13 kPa，最大值不超過13 kPa。在低吸力段內(nèi)，降雨對基質(zhì)吸力的影響較小，合理的解釋是，此時(shí)的土體體積含水率較大，基質(zhì)吸力對體積含水率變化的敏感性降低。在較高吸力段內(nèi)稍有降雨入滲，就會引起吸力的較大變化。例如，基質(zhì)吸力經(jīng)歷2月份的干燥期，基質(zhì)吸力逐步回升到12 kPa，而3月初的低強(qiáng)降雨就使得基質(zhì)吸力驟降至8 kPa以下，該現(xiàn)象同樣可以在圖2(a)中得到驗(yàn)證。此外，低基質(zhì)吸力水平和近飽和條件下，土壤水勢傳感器的測量誤差也可能是導(dǎo)致該現(xiàn)象的重要原因。

2.2 體積含水率的時(shí)空分布特征

邊坡土體的體積含水率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 土體體積含水率的變化規(guī)律Fig.3 Variation of volumetric water content of soil

觀察圖3(a)可得，體積含水率隨時(shí)間呈現(xiàn)明顯的波動規(guī)律，監(jiān)測周期內(nèi)，體積含水率波動范圍在20%～33%之間。土體體積含水率受降雨影響，影響程度則受限于降雨強(qiáng)度。低強(qiáng)度降雨條件下(≤10 mm/d)，土體的體積含水率變化較為緩慢。例如，監(jiān)測初期，經(jīng)歷持續(xù)低強(qiáng)度降雨，體積含水率呈緩慢增長趨勢。高強(qiáng)度降雨條件下，土體體積含水率隨降雨快速增大。例如，2016年10月21日發(fā)生80 mm/d 的強(qiáng)降雨后，埋深0.8 m處土體的體積含水率從20%驟升至31%。鑒于強(qiáng)降雨對邊坡土體增濕效果，邊坡排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)能迅速排除短時(shí)間強(qiáng)降水。

此外，圖3(a)顯示不同深度處土體的體積含水率基本呈現(xiàn)相同變化趨勢，且不同深度處土體的體積含水率大小基本相同。但可以看出，埋深1.3 m處土體的體積含水率略小于埋深0.3 m和0.8 m處的土體。而且，埋深1.3 m處土體的體積含水率波動幅度要明顯小于其余兩處深度。表層土體除直接受降雨入滲和大氣蒸發(fā)影響，還受表覆植被的蒸騰作用，因此體積含水率波動幅度要較深層土體的大。土體體積含水率在降雨過程中并沒有隨深度而出現(xiàn)滯后，據(jù)此判斷1.3 m深度仍處于大氣降雨影響范圍內(nèi)。

圖3(b)所呈現(xiàn)的邊坡下部土體的體積含水率變化規(guī)律與圖3(b)所示規(guī)律相似，土體體積含水率在監(jiān)測周期內(nèi)36%～48%之間波動。不同的是，埋深1.5 m土體的體積含水率顯著小于埋深0.3 m和0.9 m 處土體。合理的解釋是，此處監(jiān)測位置靠近坡腳，邊坡上部因降雨行成的地表徑流通常需流經(jīng)邊坡下部表面，再排出至邊坡范圍外。因此，邊坡下部土體較長時(shí)間會處于高含水率狀態(tài)，表層土體更是如此。

對比圖3(a)和圖3(b)可以明顯發(fā)現(xiàn)，邊坡下部土體的體積含水率要明顯大于邊坡上部土體。上部土體的體積含水率受降雨入滲，隨后在重力作用下逐步下滲至邊坡下部。另外，該路段沿坡腳處有農(nóng)業(yè)灌溉用水渠，常年豐水，也有可能對路堤下部的土體體積含水率造成影響。在邊坡防排水設(shè)計(jì)中，應(yīng)加強(qiáng)下部的防排水措施。

2.3 基質(zhì)吸力和體積含水率的相關(guān)性

圖4 體積含水率和基質(zhì)吸力的對比Fig.4 Comparison of volumetric water contents and matrix suctions

為探討基質(zhì)吸力與體積含水率的變化關(guān)系，繪制兩者隨時(shí)間變化的對比結(jié)果，如圖4所示?；|(zhì)吸力和體積含水率隨時(shí)間的變化呈相反趨勢。監(jiān)測點(diǎn)1的體積含水率波動介于20%～28%，基質(zhì)吸力波動介于7～21 kPa；監(jiān)測點(diǎn)2的體積含水率波動介于36%～44%，而基質(zhì)吸力波動介于8～13 kPa。相比之下，兩個(gè)測點(diǎn)的體積含水率波動幅度相同，都為8%，但監(jiān)測點(diǎn)1的基質(zhì)吸力波動幅度要明顯大于監(jiān)測點(diǎn)2的結(jié)果。主要是因?yàn)檫吰律喜客馏w處于較大基質(zhì)吸力狀態(tài)，較小的體積含水率波動就能引起大的基質(zhì)吸力波動。而邊坡下部土體處于低基質(zhì)吸力狀態(tài)，同樣體積含水率波動引起的基質(zhì)吸力波動小。與此同時(shí)，基質(zhì)吸力和體積含水率變化基本同步。

為更直觀比較不同深度處體積含水率和基質(zhì)吸力的相關(guān)關(guān)系，繪制土體土水曲線如圖5所示。土體的基質(zhì)吸力和體積含水率呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系。不同深度處土體的實(shí)測土水特征略有差異，監(jiān)測點(diǎn)1中，不同埋深處土體的土水特征差異較小，基本分布在統(tǒng)一范圍內(nèi)。利用Fredlund & Xing模型[17]擬合監(jiān)測點(diǎn)1的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5(a)所示，該模型能較好地?cái)M合監(jiān)測數(shù)據(jù)，R2達(dá)到0.755。監(jiān)測點(diǎn)2中，3處土體的土水曲線特征則存在一定的差異，其中埋深1.5 m處土體的土水特征分布處于最下方。其原因可能存在于幾個(gè)方面：其一，土體所處的應(yīng)力狀態(tài)對其土水曲線特性影響顯著[18]，因坡腳處的土體應(yīng)力特征差異大于上邊坡處，故導(dǎo)致此處不同深度處的土水曲線差異明顯；其二，下邊坡處始終處于較低基質(zhì)吸力和較高飽和度的狀態(tài)，土壤水勢傳感器測量誤差的影響更為顯著；其三，土水特征還受多因素影響，包括土體的孔隙結(jié)構(gòu)、密實(shí)程度、土質(zhì)類別，以及有機(jī)質(zhì)含量等。

圖5 土體的土水特征Fig.5 Soil-water characteristics of soil

2.4 邊坡穩(wěn)定性分析

降雨條件下，土質(zhì)邊坡的滑移面通常是與坡面平行，可以采用無限邊坡模型[19-20]進(jìn)行穩(wěn)定性分析，模型的示意如圖6所示。邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算如式(1)所示。

圖6 邊坡穩(wěn)定性分析模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of slope stability analyzing model

(1)

式中，c′為有效黏聚力;φ′為有效內(nèi)摩擦角;γ為土體總?cè)葜?h為滑移面的鉛垂距離;α為坡度;uw為孔隙水壓力。

考慮基質(zhì)吸力對非飽和土抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，F(xiàn)rendlund[8]提出了雙應(yīng)力狀態(tài)變量的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式，如式(2)所示。

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb，

(2)

式中，τ為抗剪強(qiáng)度;σ為法向應(yīng)力;ua為孔隙氣壓力;φb為吸力內(nèi)摩擦角，其余同上。

結(jié)合式(1)和式(2)，并假設(shè)ua為0，則基于非飽和土力學(xué)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算如式(3)所示。

(3)

根據(jù)式(3)可以定量計(jì)算監(jiān)測斷面邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，計(jì)算時(shí)作簡化處理，按照各監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)單獨(dú)計(jì)算。邊坡土體視為均質(zhì)，干容重γd為13.6 kN/m3，有效黏聚力c′取16.4 kPa，有效內(nèi)摩擦角φ′取26.7°，吸力內(nèi)摩擦角φb取12°，坡度α取29.7°。計(jì)算結(jié)果如圖7可知，監(jiān)測斷面所在邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1，也即邊坡在監(jiān)測周期內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定安全系數(shù)隨深度的增加而減小，淺層土體的穩(wěn)定安全系數(shù)要顯著大于埋深較大土體。對比分別基于監(jiān)測點(diǎn)1和監(jiān)測點(diǎn)2數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)1的穩(wěn)定安全系數(shù)要稍大于監(jiān)測點(diǎn)2，且監(jiān)測點(diǎn)1的穩(wěn)定安全系數(shù)隨時(shí)間的波動幅度較大。該現(xiàn)象表明，基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性有一定影響，尤其是對于淺層土體，但影響程度隨著土體深度和體積含水率的增大而減小。相較監(jiān)測點(diǎn)1土體，監(jiān)測點(diǎn)2土體具有更大體積含水率，較小基質(zhì)吸力，因此邊坡穩(wěn)定性也相對較小。

圖7 穩(wěn)定安全系數(shù)變化趨勢Fig.7 Variation of stability safety factor

3 結(jié)論

通過對花崗巖殘積土路堤邊坡的濕度進(jìn)行為期10個(gè)月的監(jiān)測可得，降雨及其入滲過程會對邊坡淺層土體的基質(zhì)吸力、體積含水率及穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。

(1)邊坡土體的基質(zhì)吸力和體積含水率在公路運(yùn)營期間發(fā)生明顯波動變化，1.5 m深度范圍內(nèi)的基質(zhì)吸力及體積含水率均隨降雨發(fā)生同步變化，未出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，降雨入滲對花崗巖殘積土邊坡的影響深度至少大于1.5 m。

(2)邊坡下部基質(zhì)吸力要明顯小于邊坡上部，體積含水率則顯著大于邊坡上部，這是由于邊坡上部土體水分在重力作用下，逐步向下滲透，在坡腳位置處排出，而坡腳處的地表積水則進(jìn)一步增大其含水率。

(3)在基質(zhì)吸力和體積含水率變化幅度較大時(shí)，可利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合土水特征曲線，而在低基質(zhì)吸力水平條件下，監(jiān)測誤差給曲線擬合帶來較大的不確定性。

(4)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨著土體深度增大而明顯減小，基質(zhì)吸力對其有一定影響，但影響程度隨著土體深度和體積含水率的增大而減小。