蔣洪，蔣浩，王磊，張穎

(1.中國(guó)建筑第四工程局有限公司 工程技術(shù)研究院（技術(shù)中心），廣東 廣州 510665；2.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

我國(guó)紅黏土主要分布在南方，如廣西、貴州、云南、廣東及湖南等省份。由于紅黏土具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特殊的工程性質(zhì)，在自然條件下紅黏土工程邊坡經(jīng)常發(fā)生大規(guī)?；碌鹊刭|(zhì)災(zāi)害，造成道路中斷、河流堵塞、房屋掩埋等事故[1]。一些紅黏土邊坡雖按照規(guī)范設(shè)計(jì)，但在早期運(yùn)營(yíng)階段甚至是施工階段出現(xiàn)了破壞，工程技術(shù)人員對(duì)此尚不能給出很好的解釋?？琢顐サ萚2]在室內(nèi)開展了原狀土在脫濕吸濕過(guò)程中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的演化特征及力學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)土體強(qiáng)度參數(shù)同時(shí)受含水率與裂隙性的耦合影響。楊和平等[3]研究了干濕循環(huán)次數(shù)與強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)模擬剪切所得的c和φ值均隨循環(huán)次數(shù)增加而降低，但在干濕循環(huán)2～3次后不再繼續(xù)衰減。高玉坤等[4-6]對(duì)非飽和壓實(shí)膨脹土邊坡在干濕循環(huán)條件下進(jìn)行數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)研究。魏雪豐[7]采用三軸壓縮試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究干濕循環(huán)下膨脹土邊坡裂隙發(fā)育情況，建立膨脹土路塹邊坡模型，探討干濕循環(huán)下膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。張家俊[8]為研究膨脹土裂隙發(fā)育、體變及滲透規(guī)律，首先在南水北調(diào)工程試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人工降雨試驗(yàn)，得出干濕循環(huán)是裂隙發(fā)育和坡體強(qiáng)度衰減的根本原因，再進(jìn)行室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究。上述研究結(jié)果表明，干濕循環(huán)是邊坡破壞的主要原因之一，在干濕循環(huán)下坡體力學(xué)性能的衰減也是誘發(fā)邊坡破壞的內(nèi)在因素。但目前對(duì)與紅黏土的研究大多限于室內(nèi)小范圍單體的物理性質(zhì)研究，對(duì)于紅黏土邊坡整體在干濕循環(huán)下的室內(nèi)研究還較少。

1 紅黏土基本物理指標(biāo)

試驗(yàn)所用的紅黏土取自甲秀南路道路兩側(cè)，根據(jù)含水率試驗(yàn)、密度試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)，得出本研究所用土樣的基本物理指標(biāo)，見表1。

表1 紅黏土基本物理指標(biāo)

2 邊坡室內(nèi)模型干濕循環(huán)試驗(yàn)方案

2.1 邊坡室內(nèi)模型

室內(nèi)模型采用貴州大學(xué)林學(xué)院的模型框架，模型箱主要由鋼板、有機(jī)玻璃和槽鋼等材料制作而成。模型箱尺寸為3000 mm×1500 mm×2000 mm，邊坡模型箱要滿足強(qiáng)度要求。由于整個(gè)模型邊坡尺寸較大，需要對(duì)邊坡土體進(jìn)行壓實(shí)，因此水平土壓力很大。降雨過(guò)程中雨水入滲也會(huì)增加水平土壓力，因此模型箱必須有足夠的強(qiáng)度，防止由于模型箱強(qiáng)度不足造成試驗(yàn)失敗。根據(jù)以上特點(diǎn)，模型箱受力構(gòu)件采用槽鋼，觀察窗側(cè)面采用厚的有機(jī)玻璃板，底面和其他3個(gè)側(cè)面采用厚的鋼板。將紅黏土平鋪于地面，用浴霸進(jìn)行烘干，錘細(xì)，過(guò) 0.5 mm篩，根據(jù)《土工試驗(yàn)》計(jì)算出壓實(shí)度70%所需土和水總質(zhì)量，并計(jì)算出每層濕土的質(zhì)量，在過(guò)好篩的紅黏土中加入計(jì)算得出的所需水量進(jìn)行配土，然后取每層所需重量的濕土，并將其倒入模型箱，均勻平鋪于底部，利用擊實(shí)設(shè)備分段進(jìn)行壓實(shí)到設(shè)定高度。每層土之間進(jìn)行拉毛，并邊堆邊削成坡率為1:1.5邊坡，流程如圖 1所示。干濕循環(huán)期間，每30 min記錄一次數(shù)據(jù)。

2.2 干燥與降雨系統(tǒng)

干濕循環(huán)在自然界表現(xiàn)為水分蒸發(fā)和降雨滲透循環(huán)過(guò)程，在這個(gè)認(rèn)知下，試驗(yàn)?zāi)M蒸發(fā)降雨循環(huán)過(guò)程，蒸發(fā)利用6個(gè)浴霸分散掛在模型橫梁架上模擬太陽(yáng)照射，為了讓照射更加充分均勻，試驗(yàn)過(guò)程中每隔 1 h移動(dòng) 1次浴霸，降雨利用QYJY-501(502)便攜式全自動(dòng)不銹鋼降雨模擬器，模擬雨強(qiáng)連續(xù)變化范圍為10～200 mm/h。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

據(jù)氣象資料可知，貴陽(yáng)市平均晴天時(shí)間約占13.65%，平均陰天時(shí)間約占26.54%，平均小雨時(shí)間約占31.03%，平均中雨時(shí)間約占15.7%，平均大雨時(shí)間約占 8.89%，平均暴雨時(shí)間約占3.24%，平均大暴雨時(shí)間約占 0.897%。按照時(shí)間比例，小雨:中雨:大雨:暴雨:大暴雨=34.6:17.5:9.9:3.6:1。

按照3年來(lái)最大降雨量：小雨24 h內(nèi)最大降雨量為9.9 mm，中雨24 h內(nèi)最大降雨量為25 mm，大雨24 h內(nèi)最大降雨量為49.6 mm，暴雨24 h內(nèi)最大降雨量為96.6 mm，大暴雨24 h內(nèi)最大降雨量為197.3 mm。

由于儀器最小降雨量為10 mm/h，最大降雨量為300 mm/h，則以10 mm/h為最小降雨量，根據(jù)比例確定降雨/干燥方案：根據(jù)查詢時(shí)間降雨情況，循環(huán)過(guò)程經(jīng)過(guò)小雨（降雨量10 mm，60 min）→滲透（60 min）→干燥（10 h）→中雨（降雨量30 mm，30 min）→滲透（60 min）→干燥（10 h）→暴雨（降雨量150 mm，30 min）→滲透（60 min）→干燥（10 h），結(jié)束一次循環(huán)。在坡度為 1:1.5的紅黏土邊坡模型上進(jìn)行5次干濕循環(huán)，由于篇幅限制，本文針對(duì)降雨量10 mm的情況進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 裂隙發(fā)育

采用棉線將裂隙充滿，取出棉線用游標(biāo)卡尺測(cè)量長(zhǎng)度，將小鐵絲插入裂隙，拔出后通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量深度和寬度。觀察測(cè)量裂隙發(fā)育情況的位置見圖2，裂隙發(fā)育主要表現(xiàn)在干燥期（水分蒸發(fā)），土顆粒外圍水膜變薄，土體失水收縮，土顆粒間拉應(yīng)力增大，形成“八”字形裂隙；隨著水分的不斷蒸發(fā)，“八”字形裂隙逐漸增多，深度、寬度隨之發(fā)育，烘干0.5 h后坡頂出現(xiàn)1～2條寬約1 mm的縫。隨著干燥時(shí)間的增長(zhǎng)，裂縫向四周擴(kuò)展，裂隙寬度從0.1 mm發(fā)育到17 mm左右，相互交錯(cuò)形成網(wǎng)狀裂縫，邊坡表層土被“切割”成塊狀，隨著干燥時(shí)間增長(zhǎng)，裂隙發(fā)育逐漸變緩，裂隙深度、寬度、長(zhǎng)度保持穩(wěn)定（見圖3）。如果沒(méi)有試驗(yàn)時(shí)間的限制，干燥時(shí)間持續(xù)加長(zhǎng)，土體裂縫可能進(jìn)一步發(fā)育，使裂縫融合貫通。

圖2 坡頂裂隙發(fā)育

圖3 裂隙發(fā)育與時(shí)間的關(guān)系

3.2 邊坡破壞形式

邊坡在降雨初期（見圖4（a）），在雨滴作用下，坡面表層土顆粒濺散；隨著不斷的降雨，坡面開始產(chǎn)生面蝕及少量剝落，但未出現(xiàn)沖溝。隨著循環(huán)次數(shù)增加，第2次降雨后（見圖4（b）），坡面出現(xiàn)淺沖溝，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，坡面沖溝逐漸向下發(fā)育，并逐漸匯合。第3次降雨后（見圖4（c）），在水流作用下，雨水不斷沖蝕沖溝兩側(cè)和底部淺沖溝，淺沖溝慢慢加深加寬，最終演變成深沖溝，沖溝深度可達(dá)20 mm。第4次降雨結(jié)束，沖溝貫通，且持續(xù)變寬（見圖4（d）中a處），出現(xiàn)了小部分坍塌（見圖中4（d）中b處）。在坡腳處出現(xiàn)成塊坍塌（見圖4（f））。隨降雨次數(shù)增加，總體坡體破壞演變的規(guī)律可歸納為：濺蝕-面蝕剝落-細(xì)溝沖蝕-沖溝發(fā)育-沖溝貫通。整個(gè)干濕循環(huán)過(guò)程中并沒(méi)有深層的破壞，主要表現(xiàn)是淺層的破壞，與調(diào)研結(jié)果相符，說(shuō)明室內(nèi)試驗(yàn)具有一定的可靠性。

圖4 邊坡破壞發(fā)展

4 結(jié)論

（1）室內(nèi)紅黏土邊坡模型的破壞表現(xiàn)為剝落、沖蝕、沖溝、坍塌等淺層破壞。

（2）降雨期間，雨水滴落在坡面，沖擊使坡面產(chǎn)生濺蝕，濺蝕擴(kuò)大轉(zhuǎn)化為面蝕。隨著降雨的持續(xù)，坡面形成徑流，徑流沿坡面向下沖刷，面蝕漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)闆_溝，在水流作用下，雨水不斷沖蝕沖溝兩側(cè)和底部，使沖溝加寬加深；隨著雨水不斷滲入，土體內(nèi)土顆粒間隙增大，紅黏土中礦物遇水溶解，加大了土間孔隙。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，土體壓實(shí)度減小，孔隙水壓增大，抗剪強(qiáng)度減弱，局部坍塌。坡體隨降雨次數(shù)增加的破壞演變規(guī)律可歸納為：濺蝕-面蝕剝落-細(xì)溝沖蝕-沖溝發(fā)育-沖溝貫通。整個(gè)干濕循環(huán)過(guò)程中并沒(méi)有深層的破壞，主要表現(xiàn)為淺層的破壞。

（3）裂隙發(fā)育主要表現(xiàn)在干燥期（水分蒸發(fā)），土體失水收縮，土顆粒間拉應(yīng)力增大，形成“八”字形裂隙，隨著水分的不斷蒸發(fā)，裂隙的深度、寬度隨之增長(zhǎng)，且向四周擴(kuò)展，相互交錯(cuò)形成網(wǎng)狀裂縫，隨著干燥時(shí)間增長(zhǎng)，裂隙發(fā)育逐漸變緩。