鄒 愈，胡兆江，牟海斌，董 琪，張宇鵬，李業(yè)彤

(1.陜西科技控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077；2.陜西科控實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 西安 710054；3.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054；4.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

黃土作為由風(fēng)積搬運(yùn)作用而形成的第四紀(jì)沉積物，具有大孔隙、濕陷性以及水敏性等特征[1-4]，極大地影響了黃土邊坡的穩(wěn)定性。為了提高邊坡穩(wěn)定性，通常采用施工工藝簡(jiǎn)單、工程造價(jià)較低的擋土墻作為支擋結(jié)構(gòu)。隨著擋土墻服役時(shí)間的推進(jìn)，擋土墻邊坡的工程質(zhì)量受到各類環(huán)境因素(降雨、溫度、風(fēng)蝕、行車震動(dòng)等)的影響下而不斷變化，出現(xiàn)諸如墻體傾斜、開(kāi)裂、鼓脹等病害，影響著邊坡工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響邊坡穩(wěn)定性的因素中，降雨作用對(duì)邊坡的穩(wěn)定性的影響顯著[2-3]。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)擋土墻邊坡工程的穩(wěn)定性問(wèn)題開(kāi)展研究。肖雁征等從有限元數(shù)值計(jì)算角度利用特征點(diǎn)對(duì)加筋土擋土墻處理滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，認(rèn)為加筋后邊坡穩(wěn)定性得到提高，加筋土擋土墻能有效加固邊坡的結(jié)論[5]；宋鑫華等基于擋土墻的滑移失穩(wěn)和傾覆失穩(wěn)等失效模式，運(yùn)用一次二階矩法的基本原理，建立涉及到擋土墻高度、填料的內(nèi)摩擦角等擋土墻穩(wěn)定性影響因素的非線性功能函數(shù)，計(jì)算出可靠度指標(biāo)[6]；鄭穎人等運(yùn)用PLAXIS有限元程序?qū)?kù)水作用下坡體內(nèi)浸潤(rùn)面的位置進(jìn)行數(shù)值模擬，確定浸潤(rùn)面位置進(jìn)行穩(wěn)定性分析所存在的誤差[7]；彭賢清等利用有限元軟件ABAQUS通過(guò)強(qiáng)度折減法對(duì)三維加筋擋土墻進(jìn)行數(shù)值模擬，提出最優(yōu)土工格室選型[8]；趙葉江等依托高填方邊坡工程對(duì)樁墻復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Midas GTS NX有限元軟件建立相應(yīng)的數(shù)值模型[9]；蔣峰等對(duì)高陡邊坡進(jìn)行有限元的二維和三維數(shù)值模擬，分析變形發(fā)展的規(guī)律[10]；嚴(yán)秋榮等在無(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[11]；袁杰等根據(jù)相似理論建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)比階梯型直墻結(jié)構(gòu)和階梯型拱墻結(jié)構(gòu)在不同邊坡坡度下的士壓力、位移和水壓力分布特征[12]。

前人的研究集中在建設(shè)期邊坡的穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)，對(duì)運(yùn)營(yíng)期邊坡的穩(wěn)定性研究并不多見(jiàn)，考慮降雨入滲條件下運(yùn)營(yíng)期擋土墻邊坡的研究更少。筆者選取西北地區(qū)運(yùn)營(yíng)期典型的擋土墻邊坡，開(kāi)展縮尺模型試驗(yàn)，研究擋土墻黃土邊坡的側(cè)向土壓力、位移以及水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律以及空間分布規(guī)律，對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為黃土地區(qū)擋土墻邊坡質(zhì)量評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料來(lái)自陜西省延安市宜川縣五里坪黃土邊坡，為采用砌石重力擋土墻治理的黃土邊坡，試驗(yàn)中采用與邊坡原型相同的花崗巖石料砌筑擋土墻，石塊的平均直徑縮小為10～15 cm，彈性模量在6.1～7.4×104MPa(表1)。

表1 基本物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Basic physical and mechanical indexes

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?.8 m×2.5 m×1 m，由方形鋼管焊接形成箱體框架，兩側(cè)為透明有機(jī)玻璃，方便觀察雨水在坡體中的入滲現(xiàn)象和邊坡內(nèi)部的位移情況；前側(cè)底部30 cm高為一固定的木板，其上鉆有小孔以便滲入坡體中的雨水排出，上部1.5 m采用螺栓固定一可拆卸的木板，試驗(yàn)過(guò)程中折除木板使坡面臨空；底部和背部為固定木板(圖1(a))。

降雨設(shè)備直徑為3 cm，一面鉆有直徑為1 mm的細(xì)孔，一端留進(jìn)水口，試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)水口與貯水容器相連，通過(guò)閥門(mén)控制降雨強(qiáng)度大小，雨水從淋雨器上的細(xì)孔滴出作用在坡面上，試驗(yàn)開(kāi)始前需采用量筒校準(zhǔn)降雨強(qiáng)度，與實(shí)際降雨強(qiáng)度相同(圖1(b))。

圖1 模型箱和淋雨器Fig.1 Model box and drencher

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

五里坪黃土邊坡原型高8.6 m，擋土墻背垂直，墻面傾角70°，墻頂寬55 cm，墻后填土面為通向坡上的道路，在垂直于擋土墻走向的剖面中墻后填土面水平，墻后填土為第三紀(jì)形成的Q3黃土。

試驗(yàn)為1∶10的縮尺模型試驗(yàn)，選用幾何尺寸、密度和重力加速度為其本量綱，采用π定理進(jìn)行相似關(guān)系換算，得到各變量的相似關(guān)系和相似常數(shù)(表2)。

降雨時(shí)間相似常數(shù)由Terzaghi固結(jié)理論計(jì)算[26]，縮尺模型與邊坡原型的幾何尺寸不一樣，在固定時(shí)間內(nèi)的固結(jié)度需一致，因此根據(jù)Terzaghi固結(jié)理論

TVp=TVm

(1)

TVp為邊坡原型固結(jié)時(shí)間因子；TVm為邊坡模型固結(jié)時(shí)間因子，它們與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系可表示為

(2)

(3)

Hp，Hm分別為邊坡原型和模型的幾何尺寸，CV為固結(jié)系數(shù)。可得降雨時(shí)間的相似比

(4)

表2 相似關(guān)系及相似常數(shù)Table 2 Similarity relation and similarity constant

試驗(yàn)幾何相似比為Cl=10，時(shí)間相似比Ct=100，此邊坡原型已建成5 a，模型試驗(yàn)可在0.05 a內(nèi)完成，即在18 d內(nèi)完成。

模型填筑采用分層夯填的方法筑成，需將現(xiàn)場(chǎng)采運(yùn)回的黃土粉碎，然后配制成含水率為19.8%的土樣，按每層相同質(zhì)量的土樣填入模型箱并夯實(shí)至10 cm，同時(shí)采用10～15 cm直徑的花崗巖石塊砌筑擋土墻，直至夯填到特定高度。通過(guò)相似換算邊坡模型的高度和擋土墻頂寬度減小了10倍，分別為116 cm和5.5 cm(圖2)。

圖2 擋土墻治理邊坡模型Fig.2 Slope model with retaining wall

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

沿?fù)跬翂Ρ池Q直向下埋設(shè)土壓力傳感器P1，P2，P3，P4，P5相同，埋深分別為20，40，60，80，100 cm；埋設(shè)孔隙水壓力傳感器U1，U2，U3，U4，U5，埋深分別與P1，P2，P3，P4，P5。土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器與應(yīng)變儀相連，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)再發(fā)送給電腦進(jìn)行保存。沿?fù)跬翂γ嬷休S線布置5個(gè)位移標(biāo)點(diǎn)，從上向下依次為S1，S2，S3，S4，S5。S1布置在擋土墻肩，S2，S3，S4，S5與S1的豎直距離分別為20，40，60，80 cm(圖3)。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布置Fig.3 Layout of data acquisition system

開(kāi)啟淋雨器進(jìn)水口閥門(mén)，采用量筒在淋雨器下方承接1 min的雨量，與標(biāo)準(zhǔn)的雨量對(duì)比，若有偏差調(diào)整閥門(mén)大小以改變降雨強(qiáng)度大小，直到通過(guò)量筒承接的雨水量換算得到的降雨強(qiáng)度恰好與標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度(36.38 mm/h)相等。將淋雨器加到模型箱頂部，開(kāi)始降雨試驗(yàn)，同時(shí)開(kāi)啟應(yīng)變儀、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)記錄試驗(yàn)過(guò)程中的土壓力和孔隙水壓力。試驗(yàn)過(guò)程中定時(shí)采用激光測(cè)距儀測(cè)讀S1～S5標(biāo)點(diǎn)的水平位移；并定時(shí)采用相機(jī)拍攝擋土墻的變形情況。按每次降雨持續(xù)2 h，每7.2 h降雨一次，重復(fù)3次為每年的降雨過(guò)程，試驗(yàn) 86.4 h模擬實(shí)際時(shí)間1 a，降雨停止的時(shí)間為干旱期。重復(fù)以上過(guò)程5次，模擬邊坡在降雨影響下運(yùn)行5 a。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙水壓力變化

降雨過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力除過(guò)U5點(diǎn)外均為負(fù)值，說(shuō)明墻背后土體除過(guò)底部外均處于非飽和狀態(tài)?？傮w上看，各測(cè)點(diǎn)的孔壓在降雨過(guò)程中有一定程度的上升，而雨后其值又迅速地回落，所以表現(xiàn)出在雨季孔隙水壓力的激烈波動(dòng)現(xiàn)象(圖4)。

圖4 孔隙水壓力隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of pore water pressure with time

U5點(diǎn)處于模型底部以上30 cm處，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中孔隙水壓力值由略小于0 kPa上升到0 kPa附近，說(shuō)明雨水下滲導(dǎo)致模型底部30 cm厚土層飽和，地下水位線位于U5點(diǎn)附近。U4點(diǎn)與U5點(diǎn)距離最近，意味著降雨過(guò)程中孔隙水壓力值最容易受地下水位影響，所以可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)過(guò)程中其值波動(dòng)最為激烈，隨著降雨循環(huán)的進(jìn)行其值總體上呈現(xiàn)出緩慢的波動(dòng)性上升的規(guī)律，由第1年降雨前的-16 kPa上升到第5年末的-14 kPa左右，意味著雨水下滲使地下水位出現(xiàn)了一定程度的上升。U3點(diǎn)的孔隙水壓力在第1年降雨中有一定的波動(dòng)性上升，從-9 kPa上升到-8 kPa左右，后續(xù)的持續(xù)時(shí)間基本保持穩(wěn)定不變，說(shuō)明降雨引起地下水位上升的影響有限，其影響距離只能到U3點(diǎn)的位置，這個(gè)距離從地下水位到U3點(diǎn)約為40 cm。而U1、U2點(diǎn)的孔隙水壓力在整個(gè)過(guò)程中只出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，沒(méi)有表現(xiàn)出規(guī)律性的變化，說(shuō)明從邊坡上部下滲的雨水并沒(méi)有對(duì)這2個(gè)點(diǎn)的孔壓造成影響，降雨對(duì)邊坡表層的影響深度也很有限，影響深度不會(huì)超過(guò)4 m。

降雨影響下表層土體中的孔隙水壓力沿深度呈直線增大的規(guī)律，但影響深度只有40 cm；40 cm以下到地下水位線附近孔壓基本不受降雨的影響，沿深度呈現(xiàn)線性減小的規(guī)律，并且地下水位線附近孔隙水壓力受降雨影響最明顯；而地下水位線以下孔隙水壓力沿度又呈線性增大的規(guī)律(圖5)。

圖5 孔隙水壓力沿深度的變化Fig.5 Variation of pore water pressure along depth

2.2 墻背土壓力變化

第1年P(guān)1，P2這2點(diǎn)處的土壓力只有劇烈的波動(dòng)，沒(méi)有表現(xiàn)出規(guī)律性的變化，表明第1年降雨對(duì)淺表層墻背土壓力產(chǎn)生的影響有限；而P3，P4這2點(diǎn)的土壓力表現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)的現(xiàn)象，這是由于表層土體由于雨水入滲造成自重增大引起的；而P5點(diǎn)的土壓力在第1年降雨中出現(xiàn)了非常明顯的減小，其值由1.3 kPa減小至0 kPa，是由于雨水入滲使底部土體軟化，導(dǎo)致深層土體中的地應(yīng)力釋放(圖6)。

圖6 墻背土壓力隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of soil pressure on wall back with time

第2年至第5年只有P1點(diǎn)的土壓力出現(xiàn)明顯的增減現(xiàn)象，其余各點(diǎn)的土壓力處于穩(wěn)定不變的狀態(tài)，表明深部土體的土壓力在第2年以后不再變化，也說(shuō)明降雨對(duì)邊坡深部土壓力影響在時(shí)域上的有限性。第2年中，P1點(diǎn)的土壓力在0 kPa附近波動(dòng)，認(rèn)為沒(méi)有增減；而第3年至第4年中，P1點(diǎn)土力突然出現(xiàn)劇烈增大，由0 kPa增大到12 kPa左右，表明邊坡頂部淺層土體在降雨入滲作用下達(dá)到了飽和，并向擋土墻背發(fā)生了流動(dòng)，引起土壓力劇烈增大。而第5年里，P1點(diǎn)土壓力又逐漸回落，這說(shuō)明擋土墻在墻背土壓力作用下向前發(fā)生了傾斜，導(dǎo)致頂部土體流變產(chǎn)生的土壓力得到了釋放，因此表現(xiàn)為P1點(diǎn)土壓力在第5年里出現(xiàn)回落。

表層向下20 cm處土壓力隨時(shí)間進(jìn)行發(fā)生了劇烈增大，而下部土層中的土壓力變變不明顯，說(shuō)明頂部土體發(fā)生了流變，從而出現(xiàn)了墻背土壓力在坡腳高程以上隨深度表現(xiàn)出頂部和底部大，而中間小的現(xiàn)象，這對(duì)坡腳偏上位置處(80cm深處)的墻體產(chǎn)生破壞的危脅(圖7)。

圖7 各年末墻背土壓力隨深度的變化Fig.7 Variation of earth pressure on wall back with depth at the end of each year

2.3 墻面位移變化

降雨中各測(cè)點(diǎn)的位移波動(dòng)劇烈，雨后波動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)；在前3年中特別是第1年中，各測(cè)點(diǎn)的位移在降雨中均發(fā)生了明顯的增大，而第4年和第5年中，各測(cè)點(diǎn)位移只有微小的波動(dòng)，沒(méi)有發(fā)生規(guī)律性的增減現(xiàn)象，說(shuō)明邊坡在前3年中處于降雨影響敏感期，第3年后基本處于平穩(wěn)期(圖8)。

圖8 關(guān)鍵點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化Fig.8 Variation of displacement of key points with time

通過(guò)對(duì)比各測(cè)點(diǎn)位移增長(zhǎng)過(guò)程可發(fā)現(xiàn)，擋土墻肩處S1點(diǎn)位移增長(zhǎng)最劇烈，第5年末時(shí)位移達(dá)到12 mm以上，而墻腳處S5點(diǎn)位移增長(zhǎng)最微弱，只有2 mm左右，這說(shuō)明擋土墻在降雨影響下向前發(fā)生了一定的傾斜。并且S3，S4點(diǎn)的位移值大于S2點(diǎn)，這說(shuō)明墻體在S3，S4點(diǎn)還發(fā)生一定的凸起現(xiàn)象。

為了更清楚地表現(xiàn)墻體水平位移沿深度的變化，繪制了各年末墻面水平位移沿深度的變化(圖9)。墻面水平位移在上部20 cm范圍內(nèi)和下部20 cm范圍內(nèi)表現(xiàn)為線性分布，而在40～60 cm深范圍內(nèi)發(fā)生了異常增加，說(shuō)明墻面在此處發(fā)生了擠出性凸起，這正好與邊坡原型現(xiàn)調(diào)查的破壞現(xiàn)象一致(圖10)。這一現(xiàn)象的發(fā)生是由于相對(duì)單薄的墻體不能抵抗墻背中下部(S3處)較大的土壓力，使墻體向前發(fā)生了擠出現(xiàn)象，表現(xiàn)為墻面向前凸起。這也給工程設(shè)計(jì)提出了一個(gè)警示，重力式擋土墻在設(shè)計(jì)中不但要考慮總體的抗滑穩(wěn)定性，還要特別注意墻體中下部的抗凸起破壞驗(yàn)算。

圖9 各年末墻體位移隨距坡肩垂直距離的變化Fig.9 Variation of wall displacement with vertical distance

圖10 邊坡?lián)鯄γ嫱蛊鹌茐腇ig.10 Convex failure of slope prototype

3 結(jié) 論

1)降雨入滲對(duì)邊坡表層土的影響深度不會(huì)超過(guò)4 m；降雨入滲造成地下水位上升向上的影響距離只有40 cm左右，地下水位線附近的孔隙水壓力受降雨影響最明顯。

2)降雨影響下，邊坡深部土體中的地應(yīng)力發(fā)生釋放，造成深部土壓力出現(xiàn)減小的現(xiàn)象；而淺表層土體受降雨入滲影響向墻背發(fā)生流動(dòng)，導(dǎo)致淺表部墻背土壓力劇烈增大；長(zhǎng)期受降雨影響下，擋土墻背土壓力沿深度分布表現(xiàn)為頂部和底部大而中間小的規(guī)律。

3)擋土墻治理邊坡在運(yùn)行期的前3年，墻面各測(cè)點(diǎn)位移有明顯的增大，而后續(xù)時(shí)間里基本不變，前3年擋土墻處于變形活躍期，而后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定期。

4)重力式擋土墻設(shè)計(jì)中不但要關(guān)注擋土墻的整體穩(wěn)定性，還要特別注意墻體中下部的抗凸起破壞驗(yàn)算。