蔡宇宸 劉順青 鄭力銘 周 萍 梅鵬飛 何思節(jié)

（1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212100；2.江蘇省地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害防治及修復(fù)工程研究中心，江蘇鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

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(qiáng)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]。

每年雨季鎮(zhèn)江及南京地區(qū)是江蘇省內(nèi)滑坡發(fā)生最頻繁的地區(qū)，嚴(yán)重威脅了滑坡周邊居民、工廠職工及游客的生命與財(cái)產(chǎn)安全，這與鎮(zhèn)江及南京地區(qū)廣泛分布的下蜀土邊坡密切相關(guān)[8]，可見下蜀土具有顯著的水敏感性。近年來，國內(nèi)很多學(xué)者開展了下蜀土特性方面的相關(guān)研究，如王永璐等[9]通過非飽和直剪試驗(yàn)研究了含水率及吸力對下蜀土強(qiáng)度的影響；劉順青等[7]研究了干濕循環(huán)條件下下蜀土的抗剪強(qiáng)度特性；劉 鵬等[10]分析研究了含水率、密度等因素對南京下蜀土導(dǎo)熱系數(shù)的影響；顧 凱等[11]通過一系列無荷膨脹試驗(yàn)研究了下蜀土-膨潤土的膨脹機(jī)理；Lu等[12]測試了干濕循環(huán)條件下作為填埋場覆蓋層下蜀土的滲透特性。

從上述的分析可知，目前為止針對下蜀土的研究主要集中在物理力學(xué)特性方面，而對下蜀土在實(shí)際降雨入滲條件下的抗剪強(qiáng)度規(guī)律還缺少系統(tǒng)研究。本文以鎮(zhèn)江兩處典型邊坡中的下蜀土為研究對象，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(qiáng)度演化規(guī)律的試驗(yàn)研究，獲得了下蜀土在實(shí)際降雨入滲下的強(qiáng)度特性規(guī)律。研究結(jié)果對降雨入滲條件下下蜀土邊坡的長期變形穩(wěn)定評價(jià)具有較大的參考意義，相關(guān)分析方法也可以為類似研究提供參考。

1 降雨入滲條件下下蜀土含水率的現(xiàn)場測試

1.1 鎮(zhèn)江寶蓋山邊坡下蜀土含水率的現(xiàn)場測試

降雨入滲后會導(dǎo)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(shè)土壤濕度一體化傳感器（見圖1），可監(jiān)測實(shí)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2為土壤濕度一體化傳感器現(xiàn)場埋設(shè)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(shè)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(shè)情況如圖3所示。圖3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、0.5m、1.0 m、2.0 m及3.0 m。

圖1 土壤濕度一體化傳感器

圖2 土壤濕度一體化傳感器現(xiàn)場安裝圖

圖3 寶蓋山邊坡剖面中土壤濕度傳感器的埋設(shè)位置

將各個(gè)土壤濕度一體化傳感器接入到遠(yuǎn)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（見圖4）。前期探槽法埋設(shè)好土壤濕度傳感器后需回填下蜀土，回填時(shí)表層一定深度處有虛土，導(dǎo)致開始一段時(shí)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4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%區(qū)間變化。

圖4 寶蓋山邊坡剖面中不同位置處的含水率變化曲線

1.2 鎮(zhèn)江獾山邊坡下蜀土含水率的現(xiàn)場測試

獾山邊坡埋設(shè)的土壤濕度一體化傳感器同寶蓋山邊坡。分別在獾山邊坡的坡頂、坡中及坡腳一定深度處埋設(shè)土壤濕度一體化傳感器，獾山邊坡剖面中的含水率傳感器的埋設(shè)情況如圖5所示。圖5中，含水率傳感器1-1-1-5的埋深分別為0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m及4.0 m；含水率傳感器2-1-2-5的埋深分別為0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m及4.0 m；含水率傳感器3-1-3-5的埋深分別為0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m及4.0 m。

圖5 獾山邊坡剖面中土壤濕度傳感器的埋設(shè)位置

將各個(gè)土壤濕度一體化傳感器接入到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，得到了獾山邊坡剖面中各土壤濕度傳感器中的數(shù)據(jù)圖（見圖6）。去除表層回填虛土這一影響后，通過分析圖6中不同位置處的含水率數(shù)據(jù)可知，獾山邊坡不同深度處的下蜀土含水率在18%～30%區(qū)間變化。

圖6 獾山邊坡剖面中不同位置處的含水率變化曲線

2 試驗(yàn)土料及測試方法

2.1 試驗(yàn)土料的基本特征

試驗(yàn)所用土樣分別取自鎮(zhèn)江寶蓋山邊坡和獾山邊坡2.0～3.0 m深度處。將所取土樣進(jìn)行風(fēng)干處理，待土樣含水率穩(wěn)定后測定其風(fēng)干含水率，之后碾碎過2 mm篩封存?zhèn)溆?。取部分土樣進(jìn)行基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別如表1、表2所示。

由表1可知，寶蓋山及獾山土樣的塑性指數(shù)分別為16.6及16.7，結(jié)合表1、表2及《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112-2013)[13]，判斷本次試驗(yàn)所用下蜀土都為弱膨脹性粉質(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 試樣制備及剪切試驗(yàn)

寶蓋山邊坡的下蜀土制樣干密度按現(xiàn)場實(shí)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(yàn)時(shí)分別取含水率為14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%、28%、30%，每組制備4個(gè)樣，共制備試樣9組。

獾山邊坡的下蜀土制樣干密度按現(xiàn)場實(shí)際情況取1.63 g/cm3，制樣含水率變化范圍取現(xiàn)場監(jiān)測所得的18%～30%，試驗(yàn)時(shí)分別取含水率為18%、20%、21%、22%、24%、25%、26%、28%、30%，每組制備4個(gè)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(jìn)行剪切，施加的豎向壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。整個(gè)試驗(yàn)嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]的要求進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗剪強(qiáng)度特性分析

圖7、圖8分別為不同含水率下寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的抗剪強(qiáng)度包線。從圖中可以看出，寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的抗剪強(qiáng)度均具有顯著的水敏感性，含水率越大則相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度越小。同時(shí)也可看出隨著含水率的增加，寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土抗剪強(qiáng)度的減小具有顯著的階段性，兩者都是先大幅減小再小幅減小，出現(xiàn)抗剪強(qiáng)度變化趨勢不一致的拐點(diǎn)含水率都為22%。

圖7 不同含水率下寶蓋山邊坡下蜀土的抗剪強(qiáng)度包線

圖8 不同含水率下獾山邊坡下蜀土的抗剪強(qiáng)度包線

3.2 含水率對下蜀土黏聚力的影響

圖9為寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的黏聚力與含水率的關(guān)系曲線。從圖9可以看出，當(dāng)寶蓋山邊坡的下蜀土含水率在14%～30%變化時(shí)，其黏聚力在61.0～13.6 kPa變化；當(dāng)獾山邊坡的下蜀土在18%～30%變化時(shí)，其黏聚力在58.5～13.7 kPa變化。寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土黏聚力隨著含水率的增加減小趨勢一致，都為先小幅減小，而后急劇減小，最后再小幅減小并最終保持穩(wěn)定。

圖9 下蜀土的黏聚力與含水率的關(guān)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(jié)與顆粒間的膠結(jié)作用為土體黏聚力的三個(gè)主要來源[15-16]。當(dāng)下蜀土的含水率達(dá)到其塑限前，因土顆粒間存在基質(zhì)吸力，所以此時(shí)黏聚力隨著含水率的增加小幅減小。隨著含水率的進(jìn)一步增大，土顆粒之間的弱結(jié)合水膜增厚，粒間距離變大，進(jìn)而導(dǎo)致聯(lián)結(jié)力減弱，到土體飽和時(shí)則聯(lián)結(jié)作用完全消失。顆粒間的膠結(jié)物只有當(dāng)下蜀土中的自由水增加到某個(gè)數(shù)值后才開始被溶蝕，此時(shí)的膠結(jié)作用才逐漸喪失。所以當(dāng)下蜀土的含水率達(dá)到某一值時(shí)，其黏聚力會明顯下降；當(dāng)土體飽和后，黏聚力則已相對穩(wěn)定。

3.3 含水率對下蜀土內(nèi)摩擦角的影響

圖10為寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線。從圖10可以看出，當(dāng)寶蓋山邊坡的下蜀土含水率在14%～30%變化時(shí)，其內(nèi)摩擦角在26.5°～5.4°變化；當(dāng)獾山邊坡的下蜀土在18%～30%變化時(shí)，其內(nèi)摩擦角在23.3°～5.9°變化。寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加減小趨勢一致，都為先急劇減小，再小幅減小并最終保持穩(wěn)定。

圖10 下蜀土的內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線

土體的內(nèi)摩擦角與其顆粒結(jié)構(gòu)、大小形狀及密實(shí)度緊密相關(guān)[17]。寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土具有失水收縮及吸水后的弱膨脹特性，隨著含水率的增大，下蜀土內(nèi)部的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)會在水的潤滑作用下孔隙結(jié)構(gòu)逐漸增大，顆粒之間的咬合度逐漸降低，從而表現(xiàn)為內(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(dǎo)致土顆粒間的擠壓作用也逐漸消失，相應(yīng)的土顆粒間摩擦作用也就逐漸減小，直至消失[18]。綜合上述原因，寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的內(nèi)摩擦角都呈現(xiàn)為先急劇減小，再小幅減小并最終保持穩(wěn)定的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

（1）通過土壤濕度傳感器的自動化監(jiān)測，測得寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的含水率變化范圍分別為14%～30%和18%～30%。

（2）隨著含水率的增加，寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土抗剪強(qiáng)度的減小都具有顯著的階段性，都為先大幅減小再小幅減小。

（3）隨著含水率的增加，寶蓋山邊坡及獾山邊坡下蜀土的黏聚力都為先小幅減小，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。