劉順青，蔡宇宸，程濤，周萍，王旭暢

1.江蘇科技大學土木工程與建筑學院，鎮(zhèn)江 212100；2.安徽省公路橋梁工程有限公司，合肥 230031；3.江蘇省地質(zhì)環(huán)境災害防治及修復工程研究中心，鎮(zhèn)江 212100)

下蜀土又稱下蜀組粉質(zhì)黏土，形成于中、晚更新世，在長江中下游區(qū)域分布較廣，寧鎮(zhèn)山脈一帶的崗地低山、河流階地以及長江三角洲平原、東海大陸架等均有分布，其中江蘇南京、鎮(zhèn)江一帶最為發(fā)育[1]。下蜀土在天然狀態(tài)下多呈現(xiàn)黃褐色，強度較高[2]，其所含黏土礦物通常以伊利石為主[3-4],具有遇水膨脹、失水收縮等特性[5-6]，一般為弱膨脹性土[7]。

每年的雨季，鎮(zhèn)江是江蘇省內(nèi)滑坡發(fā)生最頻繁的地區(qū)之一，嚴重影響了滑坡周邊居民、工廠職工及游客的生命、財產(chǎn)安全，這與鎮(zhèn)江地區(qū)廣泛分布的下蜀土邊坡密切相關。閻長虹等[8]通過對鎮(zhèn)江地區(qū)300多個邊坡進行詳細的現(xiàn)場環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，結合收集的氣象資料，得到了鎮(zhèn)江地區(qū)的滑坡頻度與年降雨量的關系，如圖1所示。從上述的數(shù)據(jù)資料可知，導致鎮(zhèn)江地區(qū)產(chǎn)生下蜀土滑坡的最主要外部因素為降雨。

圖1 鎮(zhèn)江滑坡頻度與年降雨量的關系[8]

近年來，國內(nèi)有些學者開展了下蜀土邊坡方面的相關研究，如瞿婧晶等[9]通過粗糙集屬性約簡理論及SII指數(shù)的計算方法，建立了鎮(zhèn)江下蜀土邊坡穩(wěn)定性的綜合評價方法；王威等[10]采用有限元極限分析法分析了大氣影響層含水率變化對下蜀土邊坡穩(wěn)定性的變化影響規(guī)律；孫少銳等[11]基于顆粒流方法分析研究了南京挹江門街道下蜀土滑坡變形破壞及滑動全過程；劉寶生等[12]采用現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗及理論分析等手段對兩個典型下蜀土滑坡的成因機制進行了分析。

從上述的分析可知，目前為止針對下蜀土邊坡的研究主要集中在具體案例的穩(wěn)定性評價及治理方面，而在實際降雨入滲條件下下蜀土邊坡穩(wěn)定性規(guī)律如何目前還缺少系統(tǒng)研究。本文以鎮(zhèn)江寶蓋山下蜀土邊坡為研究對象，根據(jù)自動化監(jiān)測獲得的降雨入滲下的含水率變化數(shù)據(jù)，開展了降雨入滲條件下下蜀土抗剪強度演化規(guī)律的試驗研究，并以此為基礎，采用有限元強度折減法分析了下蜀土邊坡在降雨入滲條件下的穩(wěn)定性變化規(guī)律。研究結果可為下蜀土邊坡的防護治理提供理論依據(jù)，具有實際工程意義。

1 降雨入滲條件下下蜀土含水率的現(xiàn)場測試

降雨入滲后會導致下蜀土邊坡坡體表面一定深度處的含水率增加，通過埋設土壤濕度一體化傳感器,如圖2所示，可監(jiān)測實際降雨入滲條件下寶蓋山邊坡下蜀土的含水率變化范圍，圖3為土壤濕度一體化傳感器現(xiàn)場埋設照片。分別在寶蓋山邊坡的坡頂、坡中及坡腳一定深度處埋設土壤濕度一體化傳感器，寶蓋山邊坡剖面中的含水率傳感器的埋設情況如圖4所示。圖4中，含水率傳感器1-1～1-5的埋深分別為0.1 m、0.5 m、1.0 m、2.0 m及3.0 m；含水率傳感器2-1～2-5的埋深分別為1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m及5.0 m；含水率傳感器3-1～3-5的埋深分別為0.1 m、0.5 m、1.0 m、2.0 m及3.0 m。

圖2 土壤濕度一體化傳感器

圖3 土壤濕度一體化傳感器現(xiàn)場安裝圖

圖4 寶蓋山邊坡剖面中土壤濕度傳感器的埋設位置

將各個土壤濕度一體化傳感器接入到遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，得到了寶蓋山邊坡剖面中各土壤濕度傳感器中的數(shù)據(jù)圖，如圖5所示。通過現(xiàn)場埋設雨量計可監(jiān)測寶蓋山邊坡的降雨強度范圍，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，該降雨強度范圍為0～39.2 mm/h。前期探槽法埋設好土壤濕度傳感器后需回填下蜀土，回填時表層一定深度處有虛土，導致開始一段時間內(nèi)表層1 m深度范圍內(nèi)的含水率測試數(shù)據(jù)偏大。去除這一影響后，通過分析圖5中不同位置處的含水率數(shù)據(jù)可知，寶蓋山邊坡不同深度處的下蜀土含水率在14%～30%變化。另一方面，根據(jù)含水率變化曲線，坡頂位置0.1 m、0.5 m、1.0 m處的含水率隨著時間變化而變化較大，而2.0 m及3.0 m 處的含水率隨著時間變化基本未發(fā)生變化，因此可認為寶蓋山邊坡坡頂處的最大降雨影響深度為2 m。同理，可分析得到寶蓋山邊坡坡中及坡腳處的最大降雨影響深度分別為3 m和2 m。

圖5 寶蓋山邊坡剖面中不同位置處的含水率變化曲線

2 試驗土料及測試方法

2.1 試驗土料的基本特征

試驗所用土樣取自鎮(zhèn)江寶蓋山邊坡2.0～3.0 m深度處。將所取土樣進行風干處理，待土樣含水率穩(wěn)定后測定其風干含水率，之后碾碎過2 mm篩封存?zhèn)溆?。取部分土樣進行基本物理力學性質(zhì)試驗，試驗結果分別如表1、2所示。

由表1可知寶蓋山土樣的塑性指數(shù)分別為16.6及16.7，結合表1、表2及《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》(GB 50112-2013)[13]，判斷本次試驗所用寶蓋山邊坡的下蜀土為弱膨脹性粉質(zhì)黏土。

表1 下蜀土的基本物理參數(shù)

表2 下蜀土的顆粒組成

2.2 試樣制備及剪切

寶蓋山邊坡的下蜀土制樣干密度按現(xiàn)場實際情況取1.65 g/cm3，制樣含水率變化范圍取現(xiàn)場監(jiān)測所得的14%～30%，試驗時分別取含水率為14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%、28%、30%，每組制備4個樣，共制備試樣9組。

將制備好的下蜀土試樣裝入剪切盒，采用0.6 mm/min的剪切速度進行剪切，施加的豎向壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。整個試驗嚴格按照《土工試驗方法標準》[14]的要求進行。

3 試驗結果分析

3.1 抗剪強度特性分析

圖6為不同含水率下寶蓋山邊坡下蜀土的抗剪強度包線。從圖中可以看出，寶蓋山邊坡下蜀土的抗剪強度具有顯著的水敏感性，含水率越大則相應的抗剪強度越小。同時也可看出隨著含水率的增加，寶蓋山邊坡下蜀土抗剪強度的減小具有顯著的階段性，先大幅減小再小幅減小，出現(xiàn)抗剪強度變化趨勢不一致的拐點含水率為22%。

3.2 含水率對寶蓋山下蜀土黏聚力的影響

圖7為寶蓋山邊坡下蜀土的黏聚力與含水率的關系曲線。從圖7可以看出，當寶蓋山邊坡的下蜀土含水率在14%～30%變化時，其黏聚力在61.0～13.6 kPa變化。寶蓋山邊坡下蜀土的黏聚力隨著含水率的增加先小幅減小，而后急劇減小，最后再小幅減小并最終保持穩(wěn)定。

圖7 寶蓋山邊坡下蜀土的黏聚力與含水率的關系曲線

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因如下：土粒間的相互吸引、水膜聯(lián)結與顆粒間的膠結作用為土體黏聚力的3個主要來源[15-16]。當下蜀土的含水率達到其塑限前，因土顆粒間存在基質(zhì)吸力，所以此時黏聚力隨著含水率的增加小幅減小。隨著含水率的進一步增大，土顆粒之間的弱結合水膜增厚，粒間距離變大，進而導致聯(lián)結力減弱，到土體飽和時則聯(lián)結作用完全消失。顆粒間的膠結物只有當下蜀土中的自由水增加到某個數(shù)值后才開始被溶蝕，此時的膠結作用才不斷喪失。 所以當下蜀土的含水率達到某一值時，其黏聚力會明顯下降；當土體飽和后，黏聚力則已相對穩(wěn)定。

3.3 含水率對寶蓋山下蜀土內(nèi)摩擦角的影響

圖8為寶蓋山邊坡下蜀土內(nèi)摩擦角與含水率的關系曲線。從圖8可以看出，當寶蓋山邊坡的下蜀土含水率在14%～30%變化時，其內(nèi)摩擦角在26.5°～5.4°變化。寶蓋山邊坡下蜀土的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加先急劇減小，再小幅減小并最終保持穩(wěn)定。

圖8 下蜀土的內(nèi)摩擦角與含水率的關系曲線

土體的內(nèi)摩擦角與其顆粒結構、大小形狀及密實度緊密相關[17]。寶蓋山邊坡下蜀土具有失水收縮及吸水后的弱膨脹特性，含水率的增大會導致下蜀土的顆粒結構、大小及密實度發(fā)生變化，進而導致其內(nèi)摩擦角的減小。另一方面，從非飽和的角度考慮，隨著含水率的增大，土顆粒間的表面張力逐漸消失，導致土顆粒間的擠壓作用也逐漸消失，相應的土顆粒間摩擦作用也就逐漸減小，直至消失[18]。

4 降雨入滲后下蜀土邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 計算模型的建立

通過現(xiàn)場勘查，確定了寶蓋山邊坡某剖面的幾何參數(shù)。穩(wěn)定性計算采用有限元分析軟件Midas GTS NX，寶蓋山邊坡的有限元計算模型如圖9所示，其中最大降雨入滲深度范圍線由不同位置處的含水率監(jiān)測結果得到。從計算模型中可知，寶蓋山邊坡坡體由3層土構成，分別為雜填土、下蜀土1和下蜀土2。其中下蜀土1、下蜀土2分別被最大降雨入滲深度范圍線分割為下蜀土1、下蜀土1-1以及下蜀土2、下蜀土2-1。

圖9 寶蓋山邊坡的有限元計算模型

4.2 本構模型與計算參數(shù)

本文寶蓋山邊坡穩(wěn)定性計算時本構模型采用摩爾-庫侖模型。通過現(xiàn)場取樣及室內(nèi)試驗，獲得了寶蓋山邊坡穩(wěn)定性的計算參數(shù)如表3所示?，F(xiàn)場取樣時下蜀土1的含水率為16%，下蜀土1-1為降雨入滲深度的范圍內(nèi)，降雨入滲后下蜀土1-1土層含水率不斷增大，通過選取相對應含水率下的抗剪強度參數(shù)進行下蜀土邊坡的穩(wěn)定性分析，這種分析方法間接反映了降雨入滲對下蜀土邊坡穩(wěn)定性的影響。下蜀土層2-1占整個下蜀土層2的比例很小，穩(wěn)定性分析時計算參數(shù)近似按照下蜀土層2考慮。

表3 寶蓋山邊坡穩(wěn)定性的計算參數(shù)

4.3 計算結果分析

(1) 降雨入滲后下蜀土邊坡的塑性應變云圖

采用有限元強度折減法對降雨入滲后下蜀土邊坡的穩(wěn)定性進行了分析，得到了降雨入滲后各含水率下下蜀土邊坡的塑性應變云圖，限于文章篇幅，選取含水率為16%、20%、26%、30%下的塑性應變云圖，如圖10所示。從圖10中可以看出，隨著降雨入滲后下蜀土邊坡含水率的增加，下蜀土抗剪強度逐漸減小，下蜀土邊坡的滑動面略有增大，滑動面逐漸包含部分下蜀土層。

圖10 降雨入滲后下蜀土邊坡的塑性應變云圖

(2) 降雨入滲后下蜀土邊坡的安全系數(shù)

降雨入滲后下蜀土邊坡的安全系數(shù)如圖11所示。從圖11中可以看出，隨著降雨滲入下蜀土邊坡之后，下蜀土邊坡的含水率逐漸增大，下蜀土邊坡的安全系數(shù)近似呈線性趨勢減小，當入滲含水率從16%增大至30%時，下蜀土邊坡的安全系數(shù)減小32.0%?？梢姡涤耆霛B對下蜀土邊坡的穩(wěn)定性影響極大，實際工程中應務必做好下蜀土邊坡的排水，從而防止滑坡的發(fā)生。

圖11 降雨入滲后下蜀土邊坡的安全系數(shù)

5 結論

(1) 通過土壤濕度傳感器的自動化監(jiān)測，測得降雨入滲后寶蓋山邊坡下蜀土的含水率變化范圍分別為14%～30%。

(2) 隨著含水率的增加，寶蓋山邊坡下蜀土抗剪強度的減小具有顯著的階段性，先大幅減小再小幅減小。

(3) 隨著含水率的增加，寶蓋山邊坡下蜀土的黏聚力先小幅減小，而后急劇減小，最后再小幅減小并最終保持穩(wěn)定；下蜀土的內(nèi)摩擦角則為先急劇減小，再小幅減小并最終保持穩(wěn)定。

(4) 隨著降雨滲入下蜀土邊坡后，下蜀土邊坡的安全系數(shù)近似呈線性趨勢減小。