丁 辰，薛凱喜，李 煬，田興華，白細(xì)民，李向輝，陳國(guó)房

(1.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；

2.中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 100001；

3.江西省勘察設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330001)

0 引 言

江西地處江南山地丘陵區(qū)[1]，在全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量統(tǒng)計(jì)中位居前列[2]。其中，滑坡發(fā)生頻次高，是最主要的災(zāi)種，因而邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題一直以來(lái)備受關(guān)注[3]，尤其是鄱陽(yáng)湖地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi)層狀土質(zhì)邊坡分布范圍廣，近年來(lái)受極端氣候、人類(lèi)工程活動(dòng)及地震等因素的影響，滑坡、崩塌、泥石流等各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[4-8]，今后仍是地質(zhì)災(zāi)害的增長(zhǎng)期[6]。雖然國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者[9-14]在普通邊坡穩(wěn)定性及非飽和土相關(guān)研究領(lǐng)域頗有建樹(shù)，但對(duì)層狀土質(zhì)邊坡的研究成果較少。鄭開(kāi)歡等[15]研究了層狀碎石土邊坡在持續(xù)暴雨條件下的入滲過(guò)程及穩(wěn)定性，推導(dǎo)了土體天然含水率、天然容重與天然體積含水量的換算公式，建立有限元分析模型，進(jìn)行降雨條件下層狀土邊坡穩(wěn)定分析得出，層狀碎石土邊坡持續(xù)暴雨作用下容易在降雨中后期失穩(wěn)；李世鈺等[16]依托道路工程實(shí)例，總結(jié)層狀高邊坡施工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)性地采用一系列開(kāi)挖和支護(hù)等技術(shù)措施，取得了良好的治理效果；曾江波等[17]考慮層狀各層土體的滲透性能差異，基于Green-Ampt模型建立層狀邊坡入滲模型，推導(dǎo)了考慮滑面抗剪強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化的層狀邊坡穩(wěn)定性方程，提出了降雨入滲臨界時(shí)間概念；馬吉倩等[18]研究降雨條件下坡積土-強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡的滲流特征表明，降雨入滲深度與坡積土層厚度成正比，且邊坡坡比越大，其底部截面的降雨入滲深度越大。

江西省層狀土質(zhì)邊坡分布廣泛，然而有關(guān)江西省域范圍內(nèi)層狀土邊坡的研究仍然處于空白階段，因此明晰江西省域內(nèi)層狀土質(zhì)邊坡失穩(wěn)災(zāi)變的機(jī)理具有重要意義。為此，本文以鄱陽(yáng)湖流域?qū)訝钔临|(zhì)邊坡為研究對(duì)象，利用自行研發(fā)的滑坡模擬設(shè)備和可調(diào)式降雨裝置，結(jié)合Geostudio2018數(shù)值軟件，并對(duì)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，揭示不同傾向、不同互層狀態(tài)邊坡在持續(xù)性強(qiáng)降雨條件下優(yōu)先入滲層、十字板剪切強(qiáng)度、孔隙水壓力以及安全系數(shù)的變化規(guī)律，為地質(zhì)災(zāi)害防治提供理論支持。

1 層狀土邊坡概況

江西省位于我國(guó)東南偏中部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量為1 400～1 900 mm，年平均氣溫16～20 ℃。全省的典型地貌類(lèi)型以山地、丘陵為主，土壤以紅壤和黃壤為主[19-20]。本試驗(yàn)依托江西省信江八字嘴航電樞紐工程，勘察報(bào)告顯示，大壩主體施工過(guò)程中需對(duì)因開(kāi)挖出現(xiàn)的粉土、黏土、砂土層狀土質(zhì)邊坡進(jìn)行臨時(shí)加固防護(hù)，并對(duì)壩周生態(tài)邊坡予以加固。本文對(duì)研究區(qū)的粉土、砂土、黏土進(jìn)行采樣，以3類(lèi)土互層狀態(tài)下的邊坡為研究對(duì)象。影響層狀土質(zhì)邊坡的主要因素有土體強(qiáng)度、坡型、沉積層面產(chǎn)狀與坡面的組合關(guān)系，層狀土質(zhì)邊坡坡型以成層作為分類(lèi)依據(jù)，根據(jù)實(shí)際工況將研究區(qū)層狀土質(zhì)邊坡主要分為順傾傾層和水平傾層。

本試驗(yàn)采用的顆粒分析法是測(cè)定干土中各種粒組所占該土總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)的方法。經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的篩分和水分之后得到土樣顆粒級(jí)配，試驗(yàn)用的3種土樣的顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。此外，通過(guò)一系列室內(nèi)土工試驗(yàn)，確定研究區(qū)土樣基本物理性質(zhì)，見(jiàn)表1。土-水雙相特征曲線(Soil-Water Characteristic Curve)是描述非飽和土中的基質(zhì)吸力與土體含水率之間關(guān)系的曲線，反映的是土體在該吸力作用下的持水能力[20]。參照Geostudio2018軟件中的粒徑數(shù)據(jù)及樣本函數(shù)2種估算方法，根據(jù)容重、粒徑分布、顆粒密度等參數(shù)估算3種土的土-水特征曲線，見(jiàn)圖2。

圖1 3種土的顆粒級(jí)配曲線

表1 土樣物理和滲透相關(guān)參數(shù)

圖2 3種土的土-水特征曲線

2 層狀土質(zhì)邊坡降雨入滲與穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.1 模型的構(gòu)建與初始條件

Geostudio2018軟件主要由邊坡穩(wěn)定性分析(Slope/W)、地下水滲流分析(Seep/W)、應(yīng)力變形分析(Sigma/W)等9個(gè)子模塊組成。在實(shí)際工程中，層狀土質(zhì)邊坡往往幾何外形不規(guī)則，地層厚度不均勻。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際的地形地貌，對(duì)實(shí)際的層狀土質(zhì)邊坡進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，設(shè)定邊坡為粉土、黏土、砂土3種土的互層邊坡。數(shù)值模型的幾何形態(tài)見(jiàn)圖3。

圖3 邊坡的幾何形態(tài)(單位：m)

本文根據(jù)實(shí)際工況分析設(shè)計(jì)了順傾傾層和水平傾層2種層狀邊坡模型，在模型中設(shè)置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(D1～D7)，分散于坡頂、坡肩、坡面、坡腳、坡底面，以考察邊坡內(nèi)部各物理參量隨時(shí)間的變化規(guī)律，見(jiàn)圖4。事先對(duì)所有的邊坡均進(jìn)行了加密處理，全局單元尺寸為0.5 m，順傾傾向邊坡模型有2 270個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 160個(gè)單元；水平傾向邊坡模型有2 266個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 148個(gè)單元。

圖4 層狀土邊坡模型

2.2 優(yōu)先入滲層

對(duì)2種不同傾向及6種不同成層順序的邊坡進(jìn)行數(shù)值分析，降雨量設(shè)定為490 mm，時(shí)間設(shè)定為14 d。通過(guò)強(qiáng)降雨工況下耦合和非耦合分析得出，在降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)及邊坡幾何外形不變時(shí)，不同傾向、不同成層結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的邊坡優(yōu)先入滲層是一致的。非耦合分析、耦合分析各傾層在不同成層結(jié)構(gòu)下的優(yōu)先入滲層分別見(jiàn)表2、3。從表2、3可知，砂土層滲透性最好，然而不是所有類(lèi)型的成層結(jié)構(gòu)邊坡的優(yōu)先入滲層都為砂土層，這體現(xiàn)了層狀土坡雨水入滲的復(fù)雜性，而非耦合分析與耦合分析下，不同傾層、不同成層結(jié)構(gòu)邊坡的分析結(jié)果不一致。

表2 各傾層在不同成層結(jié)構(gòu)下的優(yōu)先入滲層(非耦合分析)

表3 各傾層在不同成層結(jié)構(gòu)下的優(yōu)先入滲層(耦合分析)

2.3 層間互滲規(guī)律

經(jīng)過(guò)Seep/W模塊耦合分析和非耦合分析，可知各類(lèi)層狀土質(zhì)邊坡的層間互滲規(guī)律、互滲模式是大致相同的。非耦合分析、耦合分析下各傾層在不同成層結(jié)構(gòu)下的層間互滲模式分別見(jiàn)表4、5。當(dāng)雨水入滲至邊坡內(nèi)部，并在淺層土達(dá)到飽和后，會(huì)發(fā)生向其他土層滲透的情況，傾向、成層結(jié)構(gòu)是影響層間滲透規(guī)律的因素之一。

表4 各傾層在不同成層結(jié)構(gòu)下的層間互滲模式(非耦合分析)

表5 各傾層在不同成層結(jié)構(gòu)下的層間互滲模式(耦合分析)

在順傾層中，雨水滲透方向大致沿從左往右的方向，并緩慢向下方土層滲透，由優(yōu)先入滲層向其他土層入滲；在水平傾層中，層間入滲大致由上至下垂直入滲，也由滲透性較高的土層向滲透性較低的土層入滲。

2.4 安全系數(shù)響應(yīng)問(wèn)題

利用Seep/W模塊模擬計(jì)算的結(jié)果，即持續(xù)強(qiáng)降雨條件下非耦合及耦合分析，將其導(dǎo)入Slope/W模塊中進(jìn)行相應(yīng)的層狀土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析。不同傾層、不同成層結(jié)構(gòu)邊坡的安全系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖5、6。從圖5、6可知，非耦合分析和耦合分析下，順傾層中粉黏砂、粉砂黏、黏粉砂和砂粉黏互層邊坡的安全系數(shù)在降雨初期都會(huì)隨時(shí)間的增加而減小，在降雨7 d后安全系數(shù)逐漸上升至初始狀態(tài)后不再變化。水平傾層中黏砂粉和砂粉黏互層邊

圖5 不同傾層邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

坡的安全系數(shù)不斷減小。從整體來(lái)看，2種不同成層結(jié)構(gòu)邊坡的非耦合分析結(jié)果與耦合分析結(jié)果均有差異，其中順傾層中黏砂粉互層邊坡安全系數(shù)差異達(dá)到15.62%，水平傾層中砂粉黏互層邊坡變化差異也達(dá)到了4.956%，這2種差異最為顯著。2種分析方法的差異主要是由于邊坡的變形以及降雨入滲導(dǎo)致的邊坡不均勻膨脹。

圖6 不同成層結(jié)構(gòu)邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間規(guī)律

3 層狀土質(zhì)邊坡滑坡災(zāi)變物理模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝備與監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)數(shù)值模擬中邊坡比例大小研制了降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)變模擬試驗(yàn)平臺(tái)以及土壓可調(diào)式雨水滲透模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可進(jìn)行不同的降雨強(qiáng)度及不同成層狀態(tài)下層狀土質(zhì)邊坡滑坡模擬試驗(yàn)，每個(gè)土坡的坡面選定9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)十字板剪切強(qiáng)度和降雨后含水率，觀察兩者之間的相關(guān)性及規(guī)律?；聻?zāi)變模型試驗(yàn)平臺(tái)及可調(diào)式雨水滲透模擬系統(tǒng)見(jiàn)圖7。

圖7 滑坡災(zāi)變模型試驗(yàn)平臺(tái)及可調(diào)式雨水滲透模擬系統(tǒng)

本次試驗(yàn)針對(duì)研究區(qū)內(nèi)的粉土、砂土、黏土進(jìn)行試驗(yàn)，并且增加逆傾傾層和豎直傾層2種坡型，觀察層狀土質(zhì)邊坡的坡面和坡體的變形破壞情況。本次模型試驗(yàn)設(shè)定降雨量為70 mm/d，降雨歷時(shí)7 d。試驗(yàn)采用十字板頭規(guī)格：板頭尺寸為800 mm2，量程為0～130 kPa。上述板頭為標(biāo)準(zhǔn)板頭，刻度圈示數(shù)分有0～13刻度，刻度單位為10 kPa，刻度每大格內(nèi)分有5小格，即最小分度0.2；實(shí)際剪切強(qiáng)度值等于刻度圈示數(shù)乘以對(duì)應(yīng)的板頭系數(shù)。

3.2 坡體含水率與土體抗剪強(qiáng)度衰減規(guī)律

含水率和十字板剪切強(qiáng)度是衡量土體工程性質(zhì)的重要指標(biāo)，也是衡量邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)，兩者之間存在一定的相關(guān)性[21]。利用十字板剪切儀和室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)并統(tǒng)計(jì)3種土的參數(shù)，多次測(cè)量取平均值，分析粉土、黏土、砂土在持續(xù)性降雨工況下十字板剪切強(qiáng)度和含水率的變化規(guī)律。持續(xù)性強(qiáng)降雨條件下各土層十字板剪切強(qiáng)度與含水率的關(guān)系見(jiàn)圖8。

圖8 各土層十字板剪切強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

從圖8可知，3類(lèi)土的十字板剪切強(qiáng)度與含水率之間并非簡(jiǎn)單的線性相關(guān)，在特定含水率區(qū)間內(nèi)，呈現(xiàn)出線性，而超出一定區(qū)間之后則呈現(xiàn)非線性關(guān)系。黏土層的十字板剪切強(qiáng)度隨含水率的增加而減?。划?dāng)粉土層的含水率在15%～26%時(shí)，十字板剪切強(qiáng)度隨著含水率的增加而減小，超出該范圍時(shí)，該規(guī)律不復(fù)存在；當(dāng)砂土層的含水率在0～2%時(shí)，十字板剪切強(qiáng)度隨含水率的增加而增加，當(dāng)含水率大于2%左右時(shí)，十字板剪切強(qiáng)度隨含水率的增加而減小。

3.3 坡體的變形與失穩(wěn)響應(yīng)

持續(xù)強(qiáng)降雨工況下不同傾層結(jié)構(gòu)邊坡的坡面及坡體破壞情況見(jiàn)圖9。從圖9可以看出，順傾傾向和水平傾向2種層狀土質(zhì)明顯破壞部位主要位于邊坡的坡腳，這與Geostudio2018常用層狀土邊坡模型有效滑移面模擬結(jié)果基本一致，表明坡頂及坡腳應(yīng)為滑坡防治的重點(diǎn)部位。

圖9 邊坡坡面及坡體降雨前后對(duì)比

2種邊坡在7 d持續(xù)性降雨侵蝕下并未發(fā)生大面積整體滑坡，但坡體和坡面都不同程度受到侵蝕，順傾傾層邊坡的坡體破壞更為嚴(yán)重，坡面土體大量流失，坡肩附近土體受雨水沖刷和入滲影響最為顯著，有大量凝結(jié)成塊狀的土體掉落，還在坡頂附近發(fā)現(xiàn)縱向和橫向的張拉細(xì)小裂縫。水平傾向邊坡雖然沖蝕破壞沒(méi)有順傾邊坡嚴(yán)重，但坡面形成了大面積的沖溝，伴隨有大量裂隙的出現(xiàn)，坡表的土體松弛，坡體內(nèi)軟弱的結(jié)構(gòu)面開(kāi)始擴(kuò)展。2種坡面出現(xiàn)不同程度的徑流，順傾傾層邊坡徑流最明顯。在水平傾層中，表層為砂土層，表層隨雨水流失嚴(yán)重，說(shuō)明強(qiáng)降雨容易對(duì)砂性土邊坡沖蝕破壞。

4 數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)對(duì)比

4.1 優(yōu)先入滲層與層間互滲規(guī)律對(duì)比

統(tǒng)計(jì)物理模型試驗(yàn)的入滲和互滲結(jié)果，與Geostudio2018數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，不同成層結(jié)構(gòu)下的優(yōu)先入滲層見(jiàn)表6。入滲層與數(shù)值模擬結(jié)果大體一致，略有不同的是，在物理模型試驗(yàn)中，水平傾層下6種成層結(jié)構(gòu)邊坡的優(yōu)先入滲層取決于表層土，順傾傾層下各成層結(jié)構(gòu)邊坡的優(yōu)先入滲層為滲透性較好的砂土層。不同成層結(jié)構(gòu)下的層間互滲規(guī)律見(jiàn)表7，該結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

表6 不同成層結(jié)構(gòu)下的優(yōu)先入滲層

表7 不同成層結(jié)構(gòu)下的層間互滲規(guī)律

4.2 坡肩、坡面、坡腳處含水率對(duì)比

將物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的坡肩、坡面、坡腳處的含水率變化情況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果分別見(jiàn)圖10、11、12。從圖10、11、12可知，物理模型試驗(yàn)與Geostudio2018數(shù)值模擬試驗(yàn)中非耦合、耦合分析下含水率變化情況的差異不大，偏差均小于4%，軟件分析的結(jié)果可與模型試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)相互印證。非耦合分析與耦合分析下層狀土質(zhì)邊坡坡肩、坡面、坡腳處含水率相差不大，由于蒸發(fā)、雨水流失等原因，物理模型試驗(yàn)所得含水率均小于數(shù)值模擬試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)。

圖10 坡肩坡面含水率對(duì)比

圖11 坡面含水率對(duì)比

圖12 坡腳含水率對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用Geostudio2018模擬和物理模型試驗(yàn)研究江西省域范圍內(nèi)層狀土質(zhì)邊坡雨水入滲特征及邊坡穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論：

(1)不同傾向?qū)訝钔临|(zhì)邊坡在降雨條件下的安全系數(shù)的響應(yīng)規(guī)律有較大差異，且不同成層結(jié)構(gòu)邊坡安全系數(shù)非耦合與耦合分析結(jié)果均有差異，其中順傾層中黏砂粉互層邊坡和水平傾層中砂粉黏互層邊坡的變化差異最為顯著，分別為15.62%、4.956%。傾向和成層結(jié)構(gòu)也是影響層狀邊坡穩(wěn)定性的重要因素，順傾層狀土質(zhì)邊坡在持續(xù)性強(qiáng)降雨條件下更容易發(fā)生滑坡、崩塌。

(2)在降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)及邊坡幾何外形不變時(shí)，不同成層結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的邊坡優(yōu)先入滲層是一致的。滲透性較好的砂土層并不是所有層狀土質(zhì)邊坡的優(yōu)先入滲層。而非耦合分析與耦合分析下不同傾向、不同成層結(jié)構(gòu)邊坡的優(yōu)先入滲層不一樣，尤以水平傾層邊坡的變化最為明顯。

(3)在物理模型試驗(yàn)中，2類(lèi)邊坡都遭到雨水侵蝕，然而沖蝕情況不同，順傾傾層受強(qiáng)降雨沖刷影響最大，坡體和坡面破壞最嚴(yán)重，坡頂及坡腳應(yīng)為滑坡防治的重點(diǎn)部位。砂土、粉土的十字板剪切強(qiáng)度與土體含水率之間具有復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，但并非簡(jiǎn)單的線性相關(guān)，只會(huì)在一定含水率區(qū)間呈現(xiàn)線性關(guān)系，超過(guò)區(qū)間范圍則線性關(guān)系不復(fù)存在。

(4)傾向、成層結(jié)構(gòu)是影響邊坡層間滲透規(guī)律的因素之一。在順傾層中，滲透方向大致沿從左往右的方向慢慢向下方土層滲透，由優(yōu)先入滲層向其他土層入滲；在水平傾層中，層間入滲大致由上至下垂直入滲，也由滲透性較高的土層向滲透性較低的土層入滲。

(5)將物理模型試驗(yàn)與Geostudio2018數(shù)值模擬試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，兩者模擬的層狀土質(zhì)邊坡優(yōu)先入滲層、層間互滲規(guī)律、含水率變化特征都大體相同，表明該軟件分析的結(jié)果可與模型試驗(yàn)相互印證，適用于層狀土質(zhì)邊坡研究。