干濕循環下紅黏土邊坡破特征的模型試驗研究*

蔣洪，蔣浩，王磊，張穎

(1.中國建筑第四工程局有限公司 工程技術研究院（技術中心），廣東 廣州 510665；2.貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

我國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，在自然條件下紅黏土工程邊坡經常發生大規模滑坡等地質災害，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范設計，但在早期運營階段甚至是施工階段出現了破壞，工程技術人員對此尚不能給出很好的解釋。孔令偉等[2]在室內開展了原狀土在脫濕吸濕過程中無側限抗壓強度的演化特征及力學效應試驗研究，發現土體強度參數同時受含水率與裂隙性的耦合影響。楊和平等[3]研究了干濕循環次數與強度的關系，發現模擬剪切所得的c和φ值均隨循環次數增加而降低，但在干濕循環2～3次后不再繼續衰減。高玉坤等[4-6]對非飽和壓實膨脹土邊坡在干濕循環條件下進行數值模擬和模型試驗研究。魏雪豐[7]采用三軸壓縮試驗和數值模擬研究干濕循環下膨脹土邊坡裂隙發育情況，建立膨脹土路塹邊坡模型，探討干濕循環下膨脹土邊坡的穩定性。張家俊[8]為研究膨脹土裂隙發育、體變及滲透規律，首先在南水北調工程試驗段進行現場人工降雨試驗，得出干濕循環是裂隙發育和坡體強度衰減的根本原因，再進行室內干濕循環試驗，對裂隙發育規律進行研究。上述研究結果表明，干濕循環是邊坡破壞的主要原因之一，在干濕循環下坡體力學性能的衰減也是誘發邊坡破壞的內在因素。但目前對與紅黏土的研究大多限于室內小范圍單體的物理性質研究，對于紅黏土邊坡整體在干濕循環下的室內研究還較少。

1 紅黏土基本物理指標

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

表1 紅黏土基本物理指標

2 邊坡室內模型干濕循環試驗方案

2.1 邊坡室內模型

室內模型采用貴州大學林學院的模型框架，模型箱主要由鋼板、有機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度要求。由于整個模型邊坡尺寸較大，需要對邊坡土體進行壓實，因此水平土壓力很大。降雨過程中雨水入滲也會增加水平土壓力，因此模型箱必須有足夠的強度，防止由于模型箱強度不足造成試驗失敗。根據以上特點，模型箱受力構件采用槽鋼，觀察窗側面采用厚的有機玻璃板，底面和其他3個側面采用厚的鋼板。將紅黏土平鋪于地面，用浴霸進行烘干，錘細，過 0.5 mm篩，根據《土工試驗》計算出壓實度70%所需土和水總質量，并計算出每層濕土的質量，在過好篩的紅黏土中加入計算得出的所需水量進行配土，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，利用擊實設備分段進行壓實到設定高度。每層土之間進行拉毛，并邊堆邊削成坡率為1:1.5邊坡，流程如圖 1所示。干濕循環期間，每30 min記錄一次數據。

2.2 干燥與降雨系統

干濕循環在自然界表現為水分蒸發和降雨滲透循環過程，在這個認知下，試驗模擬蒸發降雨循環過程，蒸發利用6個浴霸分散掛在模型橫梁架上模擬太陽照射，為了讓照射更加充分均勻，試驗過程中每隔 1 h移動 1次浴霸，降雨利用QYJY-501(502)便攜式全自動不銹鋼降雨模擬器，模擬雨強連續變化范圍為10～200 mm/h。

2.3 實驗方案

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

按照3年來最大降雨量：小雨24 h內最大降雨量為9.9 mm，中雨24 h內最大降雨量為25 mm，大雨24 h內最大降雨量為49.6 mm，暴雨24 h內最大降雨量為96.6 mm，大暴雨24 h內最大降雨量為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，根據比例確定降雨/干燥方案：根據查詢時間降雨情況，循環過程經過小雨（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），結束一次循環。在坡度為 1:1.5的紅黏土邊坡模型上進行5次干濕循環，由于篇幅限制，本文針對降雨量10 mm的情況進行分析。

3 試驗結果分析

3.1 裂隙發育

采用棉線將裂隙充滿，取出棉線用游標卡尺測量長度，將小鐵絲插入裂隙，拔出后通過游標卡尺測量深度和寬度。觀察測量裂隙發育情況的位置見圖2，裂隙發育主要表現在干燥期（水分蒸發），土顆粒外圍水膜變薄，土體失水收縮，土顆粒間拉應力增大，形成“八”字形裂隙；隨著水分的不斷蒸發，“八”字形裂隙逐漸增多，深度、寬度隨之發育，烘干0.5 h后坡頂出現1～2條寬約1 mm的縫。隨著干燥時間的增長，裂縫向四周擴展，裂隙寬度從0.1 mm發育到17 mm左右，相互交錯形成網狀裂縫，邊坡表層土被“切割”成塊狀，隨著干燥時間增長，裂隙發育逐漸變緩，裂隙深度、寬度、長度保持穩定（見圖3）。如果沒有試驗時間的限制，干燥時間持續加長，土體裂縫可能進一步發育，使裂縫融合貫通。

圖2 坡頂裂隙發育

圖3 裂隙發育與時間的關系

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，坡面開始產生面蝕及少量剝落，但未出現沖溝。隨著循環次數增加，第2次降雨后（見圖4（b）），坡面出現淺沖溝，隨著干濕循環次數增加，坡面沖溝逐漸向下發育，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20 mm。第4次降雨結束，沖溝貫通，且持續變寬（見圖4（d）中a處），出現了小部分坍塌（見圖中4（d）中b處）。在坡腳處出現成塊坍塌（見圖4（f））。隨降雨次數增加，總體坡體破壞演變的規律可歸納為：濺蝕-面蝕剝落-細溝沖蝕-沖溝發育-沖溝貫通。整個干濕循環過程中并沒有深層的破壞，主要表現是淺層的破壞，與調研結果相符，說明室內試驗具有一定的可靠性。

圖4 邊坡破壞發展

4 結論

（1）室內紅黏土邊坡模型的破壞表現為剝落、沖蝕、沖溝、坍塌等淺層破壞。

（2）降雨期間，雨水滴落在坡面，沖擊使坡面產生濺蝕，濺蝕擴大轉化為面蝕。隨著降雨的持續，坡面形成徑流，徑流沿坡面向下沖刷，面蝕漸漸轉變為沖溝，在水流作用下，雨水不斷沖蝕沖溝兩側和底部，使沖溝加寬加深；隨著雨水不斷滲入，土體內土顆粒間隙增大，紅黏土中礦物遇水溶解，加大了土間孔隙。隨著干濕循環次數增加，土體壓實度減小，孔隙水壓增大，抗剪強度減弱，局部坍塌。坡體隨降雨次數增加的破壞演變規律可歸納為：濺蝕-面蝕剝落-細溝沖蝕-沖溝發育-沖溝貫通。整個干濕循環過程中并沒有深層的破壞，主要表現為淺層的破壞。

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