降雨條件下強風化碎石土高填路基穩定性縮尺模型試驗

摘要 魯中地區地形以山嶺重丘為主，廣泛分布強風化巖。在進行高速公路建設時，需改造自然山坡，以形成高填路基或半填半挖路基，然而受地形條件、施工場地限制等多重因素影響，陡斜坡上的高填方路基邊坡極易發生失穩破壞，加之魯中地區降雨集中，強風化巖遇水易崩解，增加坡體失衡風險，進而可能誘發滑坡、泥石流等地質災害。文章依托“強風化陡斜坡高填路基處治措施與施工質量控制技術研究”項目，通過室內試驗探究降雨條件下強風化碎石土高填路基邊坡的入滲響應分析及破壞形式，以期為后續研究提供理論與數據支撐。

關鍵詞 魯中地區；高陡斜坡；強風化巖

中圖分類號 U416.14 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0034-04

0 引言

魯中地區山嶺重丘遍布、降雨集中，廣泛分布的風化巖體在降雨的影響下穩定性顯著下降，這對極端天氣條件下山區道路的高填陡坡路基和半填半挖路基的安全性與穩定性造成了嚴重影響，給此區域的高速公路建設帶來重大挑戰?！丁笆奈濉苯煌I域科技創新規劃》[1]中指出“開展復雜環境基礎設施安全性能劣化機理、重大交通基礎設施災變理論、復合鏈式災害機理等研究。提升重大基礎設施安全風險評估能力，突破地質災害監測預警、山地災害影響等技術”。隨著山東省經濟飛速發展，加強魯中地區交通網絡建設，已成為推動半島城市群協調發展的關鍵。因此，該文基于縮尺模型試驗，探究降雨條件下強風化碎石土高填路基邊坡的入滲響應分析及破壞形式，以期為后續研究提供理論與數據支撐。

1 模型試驗平臺及模型設計

根據模型架構尺寸和相似定理，確定此次模型試驗相似比為1：20。試驗依托校內氣象模擬實驗室進行，實驗室配置如圖1所示：

2 模型箱設計

試驗共設置三個模型箱，如圖2所示分別模擬小雨、中雨、大雨三種不同的降雨工況，材質均為鋼板，模型箱高1.5 m、寬1 m、長3 m。

上述對填料的相似參數進行了推導，但在實際試驗中難以制造出指定參數的相似材料，因此該模型試驗相應降低了相似材料的標準[2-3]。以現場原邊坡土樣為下部基體，上部填料為現場填筑土料。在填筑時，調整土體至原邊坡的含水率，按每層一定質量裝入模型箱，并壓實厚度至10 cm，以控制邊坡模型密度。在構建過程中，將濕度傳感器、土壓力計埋設在指定位置。

3 試驗方案及過程

根據上述確定的相似比，將模型試驗的模擬時間設置為1 287 min。為簡化模型的試驗方案，使其更具備可操作性，將小雨、中雨工況的降雨時間設置與大雨工況相同。根據博山區降雨量統計，最終確定模型試驗的降雨實施方案如表1所示：

試驗采用的傳感器設備為土壓力計、含水率傳感器，其中土壓力計設置在邊坡坡腳、坡中和坡頂處，埋設深度為0.4 m；含水率采用濕度傳感器測量，分別布設于模型邊坡坡腳、坡中和坡頂處，位置與土壓力計相同。具體的設備布設方案如圖3所示：

4 降雨入滲響應分析

4.1 土壓力演變過程

由圖4小雨條件下的土壓力演變過程可知，在0～500 min內坡腳土壓力持續上升。600 min時出現拐點，之后增長緩慢并趨于穩定，最大值約4 kPa。坡腳與坡中的土壓力波動增加，最終分別穩定在2 kPa和0.7 kPa左右。

圖5為中雨條件下的土壓力演變曲線，與小雨工況趨勢相似，但其幅度更大。在0～300 min內坡腳土壓力快速上升，300 min后增速放緩，最終穩定在5 kPa左右。坡中和坡頂土壓力變化一致，分別穩定在3 kPa和1.8 kPa左右。

圖6為大雨條件下的土壓力演變趨勢。在前300 min內，坡頂、坡中與坡腳的土壓力急速上升，而坡頂處因大雨侵蝕導致土壓力突變而發生破壞，隨后因降雨不斷入滲導致土體容重增加使得土應力略增。坡中土壓力先升后降，最后趨于穩定，這是由于坡頂破壞后的土體被沖至坡腳。最終坡頂、坡中、坡腳土壓力趨于穩定，表明土體達到飽和狀態。

通過對比不同降雨強度下的土壓力變化，可以發現降雨強度越大，土壓力達到相對穩定階段所需的時間越短，這是因為強降雨會導致孔隙水壓力迅速上升，從而減少土壤顆粒間的有效應力，使土體更容易發生變形和流動。

4.2 體積含水率演變過程

圖7為不同降雨條件下模型邊坡體積變化率的演化曲線。整體而言，降雨初期的入滲深度未達到傳感器位置，各測點體積含水率保持不變；隨著降雨的持續進行，入滲深度逐漸達到傳感器位置，體積含水量迅速增加至最大值后略有下降并逐漸穩定。隨著降雨時間的增加，雨水入滲量和深度相應增加。在大雨條件下，體積含水率的響應早于中雨條件，而中雨條件下的體積含水率響應又早于小雨條件。

此外，從圖7中明顯可以看出，在不同降雨強度條件下，監測點含水率的增長速率不一致，且坡腳體積含水率的上升速率遠高于坡中與坡頂位置。

綜上所述，在不同降雨強度條件下，邊坡的坡頂、坡中和坡腳的體積含水率變化情況存在差異。隨著降雨強度的增加，邊坡土體的體積含水率也相應增加，但增加的程度和速率受多種因素的影響。

4.3 破壞形式分析

圖8為不同降雨強度條件下模型邊坡的最終破壞圖。由圖8可見不同降雨工況對模型邊坡穩定性的影響情況，在小雨和中雨工況下，邊坡原本的結構能夠有效抵抗雨水的侵蝕和沖刷作用，保持其原有的穩定性和完整性；然而，當降雨強度增加至大雨工況時，由于大雨導致邊坡表面的土壤飽和，土壤顆粒間的摩擦力減小，使得邊坡無法承受原有的重力荷載和雨水沖刷力，導致坡頂區域遭受嚴重破壞，從而發生了失穩破壞。

通過分析土壓力和體積含水率的演化曲線，可以得出以下結論：隨著降雨強度的增加，邊坡土體的含水量逐漸增大，使土體重量增加，水分子在土顆粒間的潤滑作用使得土體顆粒間的摩擦力降低，土體的抗剪強度減小，導致基質吸力逐漸消散，從而加大了邊坡的下滑趨勢。

在對比三種降雨強度下的土應力演化時，可見坡腳處的土體應力顯著較大，這是由雨水在邊坡表面形成的水流對坡腳處的沖刷作用，以及水分在土體中的滲透作用共同導致。坡腳應力的增加使得下滑趨勢加劇，進而導致坡頂處開始出現拉應力。伴隨應力分布的變化，邊坡開始產生小位移，其中主要位移區集中在邊坡頂部，這是因為頂部土體受到的拉應力最大，最容易發生破壞。隨著位移的不斷累積，最終導致坡頂開始出現明顯的破壞現象。

5 結論

該文通過縮尺模型試驗，探討了不同降雨強度條件下強風化碎石土高填路基邊坡模型土壓力、體積含水率的演化規律，分析總結了模型邊坡的最終破壞形式，得出以下結論：

（1）在不同降雨強度條件下，邊坡應力的演變過程整體趨勢呈現出一致性。隨著降雨時間的增長，應力變化呈現出先增大后逐漸趨于平穩的趨勢；在降雨強度較小的條件下，邊坡坡頂和坡中的應力整體增幅較小，而坡腳的增幅較大；隨著降雨強度的增加，坡頂積水導致坡頂應力增速加快。

（2）隨著降雨強度的增大，邊坡土體的體積含水率增加的速度和幅度也會逐漸增大。受重力影響，雨水在滲透時趨向坡腳處聚集。因此，在位置較高的區域，如坡頂和坡中，雨水的滲透作用相對較弱，導致這些區域的體積含水率較低；而坡腳處由于雨水的積聚，體積含水率相對較高。

（3）在降雨強度較低時，邊坡能夠有效抵抗雨水侵蝕，維持其穩定性和完整性；隨著降雨強度的增大，邊坡土體含水率上升，導致抗剪強度降低和重量增加，加劇了下滑趨勢；當降雨強度達到一定程度時，坡腳處受雨水沖刷和滲透影響，應力顯著增大，同時剪應力區向坡頂擴展，加劇了整個邊坡的不穩定性，最終坡頂因受到最大的拉應力而發生明顯破壞。

參考文獻

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[3]李天斌，田曉麗，韓文喜，等.預加固高填方邊坡滑動破壞的離心模型試驗研究[J].巖土力學， 2013（11）：3061-3070.