黃土-泥巖二元結(jié)構(gòu)邊坡變形機(jī)理模型試驗(yàn)研究

李早陽，吳紅剛

（中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司定西工務(wù)段，甘肅 定西 743000）

滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的存在，對(duì)于鐵路、公路等線性工程的建設(shè)及運(yùn)行有著極為不利的影響。對(duì)于黃土類滑坡前人做出了深入的研究，其中，吳瑋江等[1]、李同錄等[2]以及許領(lǐng)等[3]對(duì)于我國西北地區(qū)的黃土滑坡做出了詳細(xì)的分類；對(duì)于黃土-泥巖滑坡的研究，WEN 等[4]、李媛等[5]以及石瑞紅[6]通過開展模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方式，揭露了滑坡的變形機(jī)理。蔣秀姿等[7]通過開展直剪蠕變?cè)囼?yàn)等，對(duì)滑帶土所具有的蠕變特性做出了研究。黃斌等[8]借助常規(guī)三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，研究了滑帶土的力學(xué)特性。田斌等[9]對(duì)滑帶土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特征做出了研究與分析。倪衛(wèi)達(dá)等[10]借助于飽和黃土液化理論與工程案例，對(duì)滑坡的啟動(dòng)機(jī)制做出了研究。孫萍等[11]通過開展環(huán)剪試驗(yàn)，對(duì)黃土滑坡的發(fā)生原因做出了論述。從當(dāng)前的研究狀況來看，對(duì)降雨引起的黃土-泥巖二元結(jié)構(gòu)邊坡缺乏研究，因此開展降雨條件下黃土-泥巖二元結(jié)構(gòu)邊坡的室內(nèi)大型模型試驗(yàn)有著重要的意義。

1 工程概況

隴海線K1400+300-390 邊坡位于天水市麥積區(qū)，滑坡全貌如圖1 所示。

圖1 邊坡全貌

調(diào)查區(qū)分布地層巖性較為簡單，主要以下古生界片麻巖、新近系泥巖和第四系黃土為主，隴海線K1400+300-390 路塹邊坡滑坡地層巖性狀況如圖2所示。

圖2 地層巖性狀況

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置

為了了解在受到降雨與坡體結(jié)構(gòu)等因素的影響下，黃土-泥巖二元結(jié)構(gòu)邊坡的變形破壞過程與機(jī)理，本次試驗(yàn)所用的模型箱尺寸：長×寬×高=2 m×1 m×1.5 m。

2.2 傳感器布設(shè)

通過在坡體內(nèi)部布設(shè)土壓力傳感器、含水率傳感器、應(yīng)變傳感器等，對(duì)比分析滑帶對(duì)于黃土-泥巖二元結(jié)構(gòu)滑坡變形破壞的影響。傳感器布設(shè)圖如圖3 所示。

圖3 傳感器布設(shè)圖

2.3 相似材料與相似比設(shè)計(jì)

本次模型試驗(yàn)工點(diǎn)現(xiàn)場位于天水市麥積區(qū)，以隴海線K1400+346～K1400+376 邊坡為原型，依托工點(diǎn)坡體的縱向高度為110 m，鑒于模型箱尺寸高為1.5 m。此次模型試驗(yàn)選擇幾何相似比尺為CL=80。其他參數(shù)相似比見表1。

表1 試驗(yàn)相似比

根據(jù)實(shí)際工點(diǎn)情況，結(jié)合文獻(xiàn)資料查閱與相似比要求，通過開展剪切試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，基巖所用材料為水泥∶砂∶土∶水=36∶18∶21∶10，測得的c=129.82 kPa，φ=33.75°。軟弱夾層所用材料為砂∶土∶滑石粉∶水=5∶40∶30∶10，測得的c=13.32 kPa，φ=22.41°，滑體所用材料為土∶水=45∶6，測得的c=12.84 kPa，φ=28.10°，上述參數(shù)滿足相似比要求。

2.4 降雨工況設(shè)計(jì)

據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì)，天水地區(qū)年最大日降水量為110.3 mm，試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，通過調(diào)節(jié)降雨開關(guān)，使得累計(jì)降雨量達(dá)到110.3 mm。

2.5 模型填筑

模型填筑過程中，按照工點(diǎn)現(xiàn)場分層情況，進(jìn)行分層填筑，每層填筑的厚度控制在10 cm 左右，每填筑完成一層進(jìn)行壓實(shí)，填筑完成的模型如圖4 所示。

圖4 填筑完成的模型箱

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

本次降雨過程從15：45 開始，從圖5 中可以看出，隨著降雨過程的不斷進(jìn)行，坡體表面變得濕潤，到17：00，邊坡模型側(cè)面、正面并無明顯現(xiàn)象。

圖5 模型正面圖

從圖6 中可以看出，到18：30，在受到降雨作用與坡形等因素的影響下，裂縫不斷發(fā)展，裂縫從坡腳位置到坡頂位置基本貫穿。同時(shí)，受降雨因素的影響，坡中位置右側(cè)出現(xiàn)了小范圍的坍塌與土體流失問題，邊坡逐漸進(jìn)入到加速滑動(dòng)階段；到19：00，從圖中可以看出，坡體表面裂縫的寬度、長度明顯增大，滑落的土體淤積在坡腳位置處。到19：30，坡中與坡頂位置處的裂縫寬度、深度與長度不斷增大。到20：00，坡體表面基本輪廓保持不變。原有的一些細(xì)小裂縫逐漸愈合，被雨水沖刷的土體淤積在坡腳位置。

圖6 模型箱正面圖

3.2 含水率分析

本次試驗(yàn)中，主要在上部土體中布設(shè)含水率與土壓力傳感器。本次試驗(yàn)為對(duì)比試驗(yàn)，編號(hào)A，B，C，D……表征的是含有軟弱夾層一側(cè)的傳感器編號(hào)，編號(hào)A'、B'、C'、D'……表征的是沒有軟弱夾層一側(cè)的傳感器編號(hào)。

現(xiàn)繪制含水率時(shí)程曲線如圖7 所示，從圖中可以看出：A、C、F 測點(diǎn)由于位于坡體最表層，因而在18：30之后，最先出現(xiàn)含水率上升的情況。A 測點(diǎn)含水率由原來的13%增大到26%，C 測點(diǎn)含水率由原來的10%增大到22%，F(xiàn) 測點(diǎn)含水率由原來的9%增大到16%，位于坡體表面的A、C、F 測點(diǎn)的含水率上升最快。

圖7 含水率時(shí)程曲線

3.3 土壓力分析

從圖8 中可以看出：（1）E 測點(diǎn)、F 測點(diǎn)的土壓力最先出現(xiàn)變化，從零逐漸增大，后不斷減少。（2）整個(gè)變形過程可以大致分為3 個(gè)階段：初始變形階段，勻速變形階段，加速變形階段；A 測點(diǎn)土壓力在18：30 之前沒有發(fā)生變化，在此之后表現(xiàn)出先下降、后增大、再下降的趨勢(shì)；C、E 測點(diǎn)的土壓力均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，最終維持在恒定值。對(duì)于D 測點(diǎn)而言，土壓力數(shù)值表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。F 測點(diǎn)的土壓力數(shù)值較為波動(dòng)。

圖8 土壓力時(shí)程曲線

在不含軟弱夾層一側(cè)，所有測點(diǎn)的土壓力幾乎均為負(fù)。其中，A'測點(diǎn)、C'測點(diǎn)最先開始變化。在坡腳A'測點(diǎn)位置處，坡中C'測點(diǎn)位置處，隨著降雨過程的持續(xù)進(jìn)行，土壓力數(shù)值逐漸增大，進(jìn)入到加速變形階段之后，表明破壞過程首先從坡腳位置開始。到18：30，A'測點(diǎn)土壓力在出現(xiàn)短暫波動(dòng)之后，土壓力由原來的-0.1 kPa 增大為0.05 kPa，C'測點(diǎn)土壓力由原來的0減小為-1.55 kPa，進(jìn)入到加速滑動(dòng)與劇滑動(dòng)階段，整個(gè)邊坡的軟弱夾層貫通，滑移距離增大，軟弱夾層強(qiáng)度降低，阻滑力下降。

3.4 應(yīng)變分析

3.4.1 坡中豎直斷面

從圖9 中可以看出，J 測點(diǎn)、M 測點(diǎn)以及N 測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值變化范圍較大。其中，N 測點(diǎn)的應(yīng)變由試驗(yàn)開始時(shí)的0，逐步增大到241.32 με，M 測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值從試驗(yàn)開始時(shí)的0 增大到297.63 με，J 測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值從試驗(yàn)開始時(shí)的0 減小為-251.25 με。同時(shí)，O 測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值從試驗(yàn)開始時(shí)的0 增大為44.56 με，L 測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值從試驗(yàn)開始時(shí)的0 增大為49.78 με。

圖9 坡中斷面應(yīng)變時(shí)程曲線

在不含軟弱夾層一側(cè)，M'測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值變化最大，從試驗(yàn)開始時(shí)的0 減小為-698.37 με，其余測點(diǎn)的應(yīng)變值均小于含軟弱夾層一側(cè)的應(yīng)變值。除M'測點(diǎn)之外，其余各測點(diǎn)的應(yīng)變值均為正值。同時(shí)，上部N'測點(diǎn)、O'測點(diǎn)的應(yīng)變值均大于下部J'測點(diǎn)、K'測點(diǎn)、L'測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值。通過對(duì)各測點(diǎn)的應(yīng)變值分析可以看出，相比于含軟弱夾層一側(cè)，除M'測點(diǎn)之外，各測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值均相對(duì)較小。

3.4.2 坡頂豎直斷面

從圖10 看出，下部位置的P 測點(diǎn)、Q 測點(diǎn)，波動(dòng)范圍相對(duì)較大，其中P 測點(diǎn)在降雨系統(tǒng)開啟后的10 min內(nèi)，應(yīng)變由0 減小到-45.65 με，Q 測點(diǎn)應(yīng)變值由0 減小到-98.76 με。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，上部位置的R 測點(diǎn)、S 測點(diǎn)、T 測點(diǎn)以及U 測點(diǎn)的應(yīng)變值逐步增大，其中T測點(diǎn)的應(yīng)變值增長幅度最大，從試驗(yàn)開始時(shí)的0 逐步增大為365.95 με。

圖10 坡頂斷面應(yīng)變時(shí)程曲線

在不含軟弱夾層一側(cè)，在坡頂豎直斷面，試驗(yàn)開始之后不含軟弱夾層一側(cè)下部位置的P'測點(diǎn)、Q'測點(diǎn)、R'測點(diǎn)的應(yīng)變值由負(fù)變?yōu)檎Ｔ谄马斬Q直斷面的不含軟弱夾層一側(cè)，T'測點(diǎn)、S'測點(diǎn)的應(yīng)變值均出現(xiàn)了大幅度增大的現(xiàn)象。其中，T'測點(diǎn)的應(yīng)變值由試驗(yàn)開始時(shí)的0 增大為591.24 με，S'測點(diǎn)的應(yīng)變值由試驗(yàn)開始時(shí)的0 增大到319.76 με。下部P 測點(diǎn)、Q 測點(diǎn)、R 測點(diǎn)以及P'測點(diǎn)、Q'測點(diǎn)、R'測點(diǎn)的應(yīng)變值均由負(fù)值變?yōu)檎怠?/p>

4 結(jié)論

為研究黃土-泥巖二元結(jié)構(gòu)邊坡變形破壞機(jī)理，本次試驗(yàn)以隴海線K1400+300-390 邊坡為案例，通過1∶80 模型簡化，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象、土壓力、應(yīng)變、位移等參數(shù)做出分析之后，分別繪制土壓力時(shí)程曲線、應(yīng)變時(shí)程曲線以及位移變化曲線，發(fā)現(xiàn)規(guī)律如下。

（1）在初始變形階段，坡體中、后部出現(xiàn)裂縫，裂縫的數(shù)量逐漸增多；在受到持續(xù)降雨和坡體結(jié)構(gòu)等因素的影響下，表層土體的含水率逐漸增大，裂縫的深度、寬度與長度不斷增加；到降雨后期，表面裂縫小時(shí)，在雨水的沖刷作用下，表面形成沖溝。

（2）位于坡體最表層的測點(diǎn)在18：30 之后最先出現(xiàn)含水率上升的情況。受持續(xù)降雨作用影響，下部土體的含水率有了明顯增大。因?yàn)檐浫鯅A層的存在，吸收了大量的雨水，使得土體抗剪強(qiáng)度降低，隨著軟弱夾層的逐步貫通，為滑動(dòng)過程提供了有力條件。

（3）在坡腳位置處，土壓力首先表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，隨著降雨過程的不斷進(jìn)行，坡腳位置后部土體的向前推移的作用增大，進(jìn)而土壓力數(shù)值增大。受降雨影響，坡腳位置被掏空，坡腳位置處于臨空狀態(tài)，因而土壓力逐漸降低。

（4）相比于含軟弱夾層一側(cè)，各測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值均相對(duì)較小，說明在含軟弱夾層一側(cè)，由于軟弱夾層的存在，對(duì)坡體的啟動(dòng)、加速起到了促進(jìn)作用，且因?yàn)檐浫鯅A層存在，使得變形量相對(duì)較大。此外，不管是含軟弱夾層一側(cè)還是不含軟弱夾層一側(cè)，坡中豎直斷面上部區(qū)域的變形量明顯大于下部區(qū)域。