【摘 要】以陜西省漢中市秦巴山區(qū)某黏土邊坡為研究對(duì)象，在改變黏土的干密度和含水率的條件下進(jìn)行直剪試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)，測(cè)定其黏聚力、內(nèi)摩擦角和滲透系數(shù)等力學(xué)指標(biāo)。采用固結(jié)試驗(yàn)求得在不同大小的壓力作用下不同密度的黏土壓縮變形量的變化規(guī)律。采用數(shù)值模擬軟件Geo-studio對(duì)于不同干密度下的坡體進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：黏土干密度越大抗剪強(qiáng)度越強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加先變大后變小，滲透系數(shù)和孔隙比均隨干密度的增加而減小，壓縮曲線隨固結(jié)壓力的增大而減小。分析模擬結(jié)果得出結(jié)論，土體干密度越小，其安全系數(shù)就越小，邊坡失穩(wěn)的可能性增大。

【關(guān)鍵詞】抗剪強(qiáng)度； 滲透作用； 壓縮曲線； 邊坡穩(wěn)定性

【中圖分類(lèi)號(hào)】P642.22【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2022-12-02

［基金項(xiàng)目］大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：S202210720001，2022-TJDC-04）

［作者簡(jiǎn)介］張宇航（2001—），男， 本科，研究方向?yàn)閹r土工程。

［通信作者］郭鴻（1984—），男， 博士，副教授，研究方向?yàn)轭w粒物質(zhì)力學(xué)、巖土工程理論及數(shù)值模擬。

0 引言

長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)降雨是引起黏性邊坡失穩(wěn)破壞的主要因素之一。正常情況下，黏土常常處于硬塑狀態(tài)，此狀態(tài)下土體中的顆粒之間存在較大的黏聚力，使黏性土坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，具有較高的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)雨季來(lái)臨時(shí)，大量的雨水入滲使邊坡土體飽和度增加，黏土顆粒之間的黏聚力會(huì)逐漸降低，土體由原來(lái)的硬塑狀態(tài)向流塑狀態(tài)發(fā)生改變，使土體抗剪強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，出現(xiàn)滑坡災(zāi)害現(xiàn)象［1］。降雨入滲是一個(gè)隨時(shí)間和空間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，由于巖土介質(zhì)的復(fù)雜性，土中存在孔隙，隨著降雨的發(fā)生，便形成了復(fù)雜的滲流場(chǎng)［2］。降雨入滲過(guò)程實(shí)際上是水分從地表非飽和區(qū)向坡體內(nèi)飽和區(qū)的流動(dòng)過(guò)程。降雨入滲就是一個(gè)流量邊界，但入滲流量并不是一直未變，而是在滲流模擬計(jì)算中須根據(jù)地表含水率變化而不斷調(diào)整入滲流量，從而實(shí)現(xiàn)降雨入滲的模擬分析［3］。

目前國(guó)內(nèi)外一些專(zhuān)家學(xué)者分別從土體滲透性和抗剪強(qiáng)度、飽和-非飽和土體滲透理論、降雨強(qiáng)度和有限元數(shù)理計(jì)算等方面對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的研究。孫永帥［4］進(jìn)行了降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的模型研究。張棟等［5］進(jìn)行了在飽和-非飽和土體滲透理論基礎(chǔ)上，降雨滲入對(duì)公路邊坡穩(wěn)定的影響。姚云琦等［6］使用Comsol Multiphysics對(duì)降雨條件下優(yōu)勢(shì)入滲做數(shù)值求解，利用無(wú)限邊坡模型計(jì)算邊坡安全系數(shù)，并應(yīng)用改進(jìn)Cholesky分解法生成空間相關(guān)隨機(jī)場(chǎng)，使用蒙特卡洛方法分析降雨過(guò)程中邊坡的可靠度。Shi-guo Ma等［7］采用格林和安培滲透模型研究了強(qiáng)降雨對(duì)無(wú)窮梯田邊坡滲透過(guò)程。Won Taek Oh和Sai K. Vanapalli［8］通過(guò)使用常規(guī)和改良的三軸剪切裝置進(jìn)行雨水滲透對(duì)壓實(shí)土坡穩(wěn)定性的影響。王凱等［9］采用MIDAS GTS NX有限元軟件研究了降雨入滲對(duì)隧道邊坡塑性區(qū)、整體位移及安全系數(shù)的影響，并根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果探討了不同支護(hù)措施的加固效果。然而，目前對(duì)滲流作用下漢中地區(qū)黏性土邊坡的穩(wěn)定性研究成果還非常有限，需要進(jìn)一步研究。

本文采用滲透和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，模擬在不同降雨條件下邊坡的穩(wěn)性性，對(duì)研究漢中地區(qū)的黏性土坡穩(wěn)定具有重要的理論和工程意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)取得陜西省漢中市秦巴山區(qū)某黏土邊坡覆蓋層，土體主要以黃褐色黏土為主，天然黏土顆粒粒徑分布主要為 2～5 mm。試樣制備時(shí)，將黏土自然風(fēng)干，碾碎，過(guò)2 mm篩，測(cè)出土體的部分物理指標(biāo)，如表1。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)于剪切試驗(yàn)，本文所采用的儀器為南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的 ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀。用壓樣法制備5組含水率分別為12%、15%、18%、21%、24%的黏土試樣。每組做3個(gè)試樣，3個(gè)試樣各項(xiàng)性質(zhì)相同，分別在不同的垂直壓力（100 kPa、200 kPa、300 kPa）作用下施加水平剪，然后根據(jù)抗剪強(qiáng)度公式見(jiàn)式（1）。

τ=C+σtanφ（1）

得到τf、φ、C。式中：C為土的黏聚力，φ為土的內(nèi)摩擦角。

滲透試驗(yàn)采用TST-55型土壤滲透儀，所有試樣均采用浸水抽氣飽和法后進(jìn)行滲透試驗(yàn)。

固結(jié)試驗(yàn)采用WG型單杠桿固結(jié)儀，使用壓樣法進(jìn)行制樣，共5個(gè)試樣，含水率取最優(yōu)含水率16%，固結(jié)壓力P設(shè)置為12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、800 kPa。

3個(gè)試驗(yàn)所用的試樣直徑均為61.8 mm，高度20 mm，壓實(shí)度取值分別為86%、89%、92%、95%和98%。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出在不同壓實(shí)度情況時(shí)黏土的內(nèi)摩擦角和黏聚力，如圖1所示?？梢钥闯?，黏土壓實(shí)度與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大致呈線性函數(shù)關(guān)系，表現(xiàn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨干密度的增大而增大。

黏土強(qiáng)度指標(biāo)與含水率的關(guān)系，見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，土體在相同的干密度條件下，隨含水率的增大，黏聚力呈現(xiàn)出持續(xù)減小的規(guī)律，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，與文獻(xiàn)［10］中含水率對(duì)紅黏土黏聚力與內(nèi)摩擦角的影響分析研究結(jié)果一致。當(dāng)含水率增大時(shí)，黏土的飽和度隨之增大，土體顆粒間的孔隙被水填滿，孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力減小土粒之間的相互吸引力變小，所以導(dǎo)致紅黏土的粘聚力下降。在含水率較低時(shí)，土體中的微小顆粒在土顆粒的由于土顆粒的膠結(jié)作用形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有一定的水穩(wěn)性，在一定的含水率范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角隨著含水率的增大緩慢增加；但當(dāng)含水率繼續(xù)增加時(shí)，土體的飽和度增加，土顆粒之間的孔隙在水的作用下逐漸增大，團(tuán)粒與團(tuán)粒之間的膠結(jié)作用降低，表現(xiàn)出內(nèi)摩擦角減小的趨勢(shì)。

進(jìn)一步分析可知，黏土試樣在相同干密度的條件下，黏聚力和內(nèi)摩擦角均對(duì)含水率多少變化明顯，黏聚力相比于內(nèi)摩擦角變化幅度更大，說(shuō)明該黏土的抗剪強(qiáng)度主要是由黏聚力來(lái)控制的。

2.2 滲透試驗(yàn)結(jié)果分析

黏土在相同條件下滲透系數(shù)K隨干密度變化的曲線由圖3所示?？梢钥闯?，黏土的滲透系數(shù)隨壓實(shí)度的增大而減小，說(shuō)明壓實(shí)度相對(duì)較大的土體，其滲透能力越弱。

2.3 固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)公式可得試樣在固結(jié)過(guò)程中的孔隙比、壓縮系數(shù)和壓縮模量等變形參數(shù)。從固結(jié)試驗(yàn)得到了反應(yīng)孔隙比與固結(jié)壓力之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

可以看出，干密度小的土體在較小的固結(jié)壓縮階段，內(nèi)部的孔隙占比較多，孔隙體積被壓縮導(dǎo)致土體產(chǎn)生變形。在壓縮初期，在較小的荷載壓力變化下土樣會(huì)產(chǎn)生較大的孔隙比變化量和位移變化量，隨著荷載壓力的變大，孔隙比變化量與位移變化量減小。在壓縮中期，孔隙水的比例變大，在壓力荷載下試樣優(yōu)先排出其水分，孔隙體積被進(jìn)一步壓縮導(dǎo)致土體產(chǎn)生更大的變形。當(dāng)固結(jié)穩(wěn)定后，由于孔隙體積是土體產(chǎn)生變形的主要原因，此時(shí)土體所受到的應(yīng)力主要由土骨架承擔(dān)。所以在荷載壓力增大到一定值時(shí)，壓縮曲線的斜率將會(huì)逐漸趨于平緩。

3 邊坡案例分析

3.1 模型的建立

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立二維黏性土邊坡模型［11-12］，并依據(jù)不同干密度取得不同內(nèi)摩擦角和黏聚力，作為數(shù)值模擬參數(shù)（表2）。

本文基于Geostudio模擬軟件［13-14］，建立邊坡模型。，坡高為18 m，壓實(shí)度分別為98%，95%，92%，89%，86%，模型選擇采用Morgenstern-Price（莫根施特恩-普瑞斯）法，如圖5所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

不同密度下安全系數(shù)趨勢(shì)變化如圖6所示，由圖可知安全系數(shù)與壓實(shí)度呈線性變化。壓實(shí)度越大，其安全系數(shù)越大，穩(wěn)定性也更高。這給工程的啟示是要嚴(yán)格控制壓實(shí)度。

4 結(jié)論

（1）在相同的含水率條件下，黏土的抗剪強(qiáng)度隨著密度的增大而增大，內(nèi)摩擦角和黏聚力均增大，但內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)較??；在相同的密度條件下，黏土的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加先增大后減小，在含水率達(dá)到最優(yōu)含水率16%時(shí)，其抗剪強(qiáng)度最高。黏聚力呈降低趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角呈先增大后減小的趨勢(shì)，其中黏聚力變化幅度更大，得出黏土的抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力來(lái)控制。

（2）在相同密度條件下，不同初始含水率的土樣壓縮曲線差異較小，但隨著固結(jié)壓力的增加，孔隙比均呈減小趨勢(shì)。孔隙體積是土體產(chǎn)生壓縮的主要原因，在孔隙較大時(shí)，土體壓縮優(yōu)先壓縮孔隙。當(dāng)孔隙水的比例增大至某一值時(shí)，土體壓縮會(huì)優(yōu)先排出水分。最終土體穩(wěn)定時(shí)，荷載壓力均由土骨架自身承擔(dān)。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，壓實(shí)度對(duì)邊坡安全系數(shù)影響幾乎呈線性關(guān)系，說(shuō)明修筑黏土構(gòu)筑物的時(shí)候要嚴(yán)格控制壓實(shí)度。

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