趙紫陽

（山西省交通科技研發(fā)有限公司黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030032）

黃土地區(qū)獨(dú)特的氣候條件造就了黃土具有顯著的結(jié)構(gòu)性和水敏性，在外在因素作用下黃土邊坡坡面經(jīng)常出現(xiàn)剝落破壞，進(jìn)一步引起坡體內(nèi)部變形的發(fā)生和發(fā)展，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性降低，進(jìn)而可觸發(fā)邊坡滑動(dòng)破壞地質(zhì)災(zāi)害。引起剝落病害重要誘因的干濕交替作用對(duì)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)都有較大的影響，初始表現(xiàn)為表皮剝落破壞，隨時(shí)間延長破壞現(xiàn)象逐漸加劇，甚至發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。研究巖土體在季節(jié)性干濕交替條件下的力學(xué)性質(zhì)變化，對(duì)巖土體變形周期性和穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，具有重要實(shí)際意義。

迄今，學(xué)者們針對(duì)干濕交替效應(yīng)對(duì)巖土體邊坡產(chǎn)生的影響進(jìn)行了探討。范紅英[1]針對(duì)黃土邊坡剝落的分布規(guī)律和影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析和總結(jié)；尹宏磊等[2]對(duì)干濕循環(huán)過程中邊坡參數(shù)變化及安定性進(jìn)行了研究；龔壁衛(wèi)等[3]對(duì)干燥-濕潤循環(huán)條件下膨脹土的吸力和強(qiáng)度變化規(guī)律開展了相關(guān)試驗(yàn)研究；慕現(xiàn)杰和張小平[4]進(jìn)行了拓寬改造工地現(xiàn)場膨脹土的干濕循環(huán)試驗(yàn)研究；楊和平等[5]在有荷載條件下模擬了膨脹土干濕循環(huán)試驗(yàn)得到其脹縮變形和強(qiáng)度的變化規(guī)律；劉義虎[6]等研究了膨脹土路基在積水、陰天、日照、降雨干濕循環(huán)作用下的破壞形式及水對(duì)膨脹土路基破壞作用機(jī)理；沈珠江和鄧剛[7]通過數(shù)值方法模擬了黏土在干濕過程中表面裂縫的形成-發(fā)展-閉合演化過程。鑒于對(duì)干濕交替下黃土邊坡坡體內(nèi)部變形的研究較少，本文利用自主研發(fā)的模型試驗(yàn)箱開展了濕潤-干燥交替循環(huán)黃土邊坡模型試驗(yàn)，進(jìn)一步闡述黃土邊坡在濕潤-干燥交替循環(huán)條件下的坡體內(nèi)部變形演化規(guī)律。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖淙鐖D1所示，長、寬、高分別為2 m、1 m和1 m，底部由厚度為10 mm的4塊鋼板組成，四周由厚度為10 mm的鋼化玻璃構(gòu)成，前后面采用尺寸為2 m×1 m的鋼化玻璃，左右面采用0.3 m×1 m的鋼化玻璃。降雨裝置設(shè)于模型箱正上方垂直高度為0.5 m的位置，采用電熱吹風(fēng)扇模擬加熱干燥作用。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/p>

試驗(yàn)中采集了邊坡現(xiàn)場黃土土樣，過2 mm直徑篩，模型邊坡設(shè)計(jì)為非對(duì)稱形式，左側(cè)坡高比為4∶1（陡坡），右側(cè)坡高比為4∶3（緩坡），采用分層壓實(shí)法制作模型邊坡。根據(jù)每層土的體積和壓實(shí)密度計(jì)算每層土的質(zhì)量，將其裝入模型箱并整平表面，最后用振動(dòng)器將土壓實(shí)到預(yù)定厚度，制作而成的模型邊坡如圖2所示。

圖2 模型邊坡

試驗(yàn)土體物理性質(zhì)如表1所示。制作模型邊坡過程中，通過向坡體內(nèi)部植入分布式光纖監(jiān)測(cè)邊坡內(nèi)部土體變形特征，具體操作為距離試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞撞刻钔粮叨?0 cm、50 cm、70 cm處，分別埋設(shè)分布式光纖并依次標(biāo)記為H1、H2和H3，具體布設(shè)如圖3所示。

表1 邊坡土體物理性能

圖3 分布式光纖布設(shè)

模型邊坡制作完成后靜置48 h以確保坡體內(nèi)土體濕度和應(yīng)力達(dá)到平衡，然后對(duì)模型邊坡進(jìn)行濕潤-干燥交替循環(huán)作用，同時(shí)記錄土體光纖應(yīng)變，直至邊坡破壞試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)中每個(gè)濕潤-干燥工況進(jìn)行4次循環(huán)，在前一個(gè)工況的基礎(chǔ)上，進(jìn)行下一個(gè)工況，具體試驗(yàn)方案詳見表2，試驗(yàn)共進(jìn)行3個(gè)大循環(huán)，12個(gè)小循環(huán)。

表2 試驗(yàn)工況表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過模型試驗(yàn)獲得模型邊坡的應(yīng)變時(shí)程曲線見圖4～圖6所示。

圖4 HL1分布式光纖變化規(guī)律

圖5 HL2分布式光纖變化規(guī)律

圖6 HL3分布式光纖變化規(guī)律

圖4表明從緩坡一側(cè)向陡坡一側(cè)，H1層的應(yīng)變均為負(fù)值，說明此時(shí)H1層在干濕循環(huán)過程中由于土體的沉降承受較大壓應(yīng)變。H1層緩坡一側(cè)的壓應(yīng)變較陡坡一側(cè)小，這是因?yàn)榫徠律厦嫱馏w相對(duì)較少。隨時(shí)間的延長，干濕循環(huán)過程中此處的應(yīng)變呈波動(dòng)性變化，降雨后土體自重增加從而承受較大壓應(yīng)變，隨水分不斷蒸發(fā)，土體壓應(yīng)變又發(fā)生減小的現(xiàn)象，通過觀察最后幾次干濕循環(huán)可發(fā)現(xiàn)，此時(shí)干濕循環(huán)帶來的應(yīng)變變化幅度值已縮小到一定范圍（-500～-750之間），進(jìn)一步證明經(jīng)干濕循環(huán)后，土體固結(jié)趨于穩(wěn)定，距離坡面越深的土體遭受外界濕潤-干燥循環(huán)的影響越弱。

圖5顯示從緩坡一側(cè)向陡坡一側(cè)，H2層的應(yīng)變?cè)诟蓾裱h(huán)起始階段逐漸增大，表明此時(shí)間段陡坡內(nèi)的坡腳應(yīng)變變化相對(duì)于緩坡較大，緩坡一側(cè)的應(yīng)變?yōu)樨?fù)即為壓應(yīng)變，表明緩坡一側(cè)在H2層主要受到上覆荷載作用，陡坡一側(cè)應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，表明陡坡一側(cè)出現(xiàn)較大沿坡面的拉應(yīng)力，分析可能是由于陡坡在滲透力和重力作用下發(fā)生向下滑動(dòng)趨勢(shì)而引起的。隨時(shí)間的推移，從緩坡一側(cè)向陡坡一側(cè)，H2層的應(yīng)變整體上都逐漸增加且兩側(cè)坡面部位的應(yīng)變均有較大幅度提升，表明此時(shí)緩坡和陡坡均有向下滑動(dòng)的趨勢(shì)或已經(jīng)發(fā)生滑動(dòng)，在兩側(cè)的拉力作用下，坡體中間也出現(xiàn)了拉應(yīng)變。

圖6表明從緩坡一側(cè)向陡坡一側(cè)，H3層的應(yīng)變?cè)诟蓾裱h(huán)起始階段逐漸增大，表明陡坡坡腳應(yīng)力變化相對(duì)于緩坡較大，但兩側(cè)應(yīng)變?nèi)詾閴簯?yīng)變，這是上覆荷載作用的結(jié)果。隨著時(shí)間的推移，從緩坡一側(cè)向陡坡一側(cè)H3層的應(yīng)變發(fā)生先減小再增大的現(xiàn)象，說明兩側(cè)坡腳處由于剪切作用均出現(xiàn)了較大應(yīng)變，在坡體中間部位仍為負(fù)應(yīng)變，表明坡體中間部位受循環(huán)干濕的影響較小，主要承重為上覆土體的自重。

3 結(jié)論

通過開展?jié)駶?干燥交替環(huán)境下黃土邊坡室內(nèi)模型試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論：

a）干濕循環(huán)的次數(shù)和幅度對(duì)邊坡內(nèi)部變形量和變形區(qū)域深度具有重要影響。

b）相較于H1和H2層，總體上H3層的應(yīng)變更小。

c）通過對(duì)比不同深度處邊坡內(nèi)部土體的應(yīng)變發(fā)展規(guī)律，揭示了濕潤-干燥交替環(huán)境中隨深度的增加，邊坡內(nèi)部土體承受上覆荷載影響增大，而受兩側(cè)邊坡滑動(dòng)的影響減小。