吳國鵬, 于翔鵬, 崔凱, 高虹

(1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室， 甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000)

白龍江中游山區(qū)屬青藏高原向黃土高原過渡帶，地層破碎，是中國地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。區(qū)內(nèi)降雨量大、集中、蒸發(fā)強烈、地表溫度較高。尤其以降雨為主而產(chǎn)生的滑坡、泥石流等災(zāi)害，時刻威脅著該地區(qū)公路等基礎(chǔ)設(shè)施的安全。化馬滑坡位于甘肅宕昌縣境內(nèi)，該滑坡由斷裂帶控制，坡體目前處于勻速蠕變階段[1]，長期威脅國道212線的安全。該地區(qū)巖土體受長時暴曬后又遇暴雨，使該地區(qū)巖土體性質(zhì)迅速發(fā)生變化，影響滑坡體穩(wěn)定性[2]，成為影響該地區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一。

研究表明：邊坡土體物理性質(zhì)、水理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律的相關(guān)研究對山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要。剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的相關(guān)研究更是其中重要一環(huán)，邊坡土體破壞以剪切破壞為主，剪應(yīng)力到達(dá)其抗剪強度時，即發(fā)生剪切破壞[3]，此時，坡體滑帶土黏聚力趨近于0[4]；土體剪應(yīng)力大于自身殘余強度[5]，其臨界剪應(yīng)力與正應(yīng)力呈正相關(guān)[6]。其次，邊坡土體物理、水理性質(zhì)的變化影響土體力學(xué)性能，隨著塑性指數(shù)增大，土體殘余強度亦隨之增大[7]，黏粒含量、孔隙水含量、有效法向應(yīng)力[8]、礦物成分及其含量都會影響其剪切強度[9]。外界環(huán)境變化亦會引起土體內(nèi)摩擦角和黏聚力發(fā)生改變，邊坡土體在酸性、堿性環(huán)境中力學(xué)性能發(fā)生明顯改變[10-11]，凍融作用下使滑帶土發(fā)生明顯應(yīng)變硬化效應(yīng)，凍融前期相關(guān)參數(shù)變化較小，后期變大[12]。呂光東[13]采用UU試驗探究了干濕作用下土體黏聚力和內(nèi)摩擦角劣化規(guī)律；李長貴[14]采用動態(tài)回彈模量試驗探索干濕循環(huán)后動態(tài)回彈模量變化規(guī)律。

關(guān)于降雨對邊坡的影響，大部分學(xué)者將目光集中于邊坡穩(wěn)定性。倪梅三等[15]在雨中模擬了一個內(nèi)部滲流場，并使用液-固關(guān)系分析確定斜坡的穩(wěn)定性；陳浩等[16]使用有限元模擬雨中邊坡的內(nèi)部滲流場，并系統(tǒng)分析了不同降雨時間下的飽和、地下水線和壓力；段炎沖等[17]以整治前后某公路土質(zhì)邊坡為研究對象，對該邊坡滲流場及其壩坡抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)分析，驗證了該邊坡整治措施的合理性；楊柳[18]采用有限元軟件，模擬了不同降雨條件，分析了不同降雨條件下邊坡的安全系數(shù)、塑性區(qū)位置和范圍；王峻嶺等[19]采用有限元軟件，簡要分析了黃河大堤的滲流穩(wěn)定性；林悅奇[20]通過Geostudio軟件分析了土壩的滲流穩(wěn)定性。由此可見，國內(nèi)外學(xué)者對滑帶土在集中式降雨和普通降雨前后相關(guān)指標(biāo)對比研究較少，尚缺乏較為系統(tǒng)的研究。

基于以上認(rèn)識，該文選取白龍江中游化馬滑坡邊坡土體為研究對象，采用顆粒級配、密度、液塑限、抗剪強度、單軸抗壓強度等試驗對經(jīng)歷多次集中式降雨與普通降雨作用后邊坡土體的工程地質(zhì)相關(guān)性指標(biāo)進(jìn)行測試，以揭示化馬邊坡土體在集中式降雨和普通降雨形成的兩種干濕作用下土體工程地質(zhì)相關(guān)指標(biāo)的劣化規(guī)律，為該地區(qū)公路建設(shè)和地質(zhì)災(zāi)害防治提供有益參考。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

試樣選自化馬滑坡邊坡土體，由于該滑坡邊坡土體出露于地表，極易受該地區(qū)集中式降雨與較高地表溫度共同作用下形成的強烈干濕作用影響[2]，同時，該邊坡土體雖然出露于地表，但成型采樣較為困難。因此，試驗采取該邊坡土體的重塑樣品，來研究多次強烈干濕作用后該邊坡土體的顆粒級配、密度、液塑限含水率、抗剪強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、單軸抗壓強度的變化規(guī)律。

1.2 研究區(qū)干濕環(huán)境特征

集中式降雨為西北地區(qū)常見的一種形式，持續(xù)干旱后，突降暴雨，使原本干旱高溫的土體溫度迅速下降，土體性質(zhì)發(fā)生快速改變，是該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的主要原因，也是舟曲“8·8”特大泥石流爆發(fā)的主要原因之一[19]。根據(jù)研究區(qū)氣象站30年地表溫度數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計，該地區(qū)夏季地表溫度最高為72.4 ℃，最低為7.3 ℃、平均地表溫度為21.1 ℃。為采集不同降雨前后地表溫濕度變化，研究采用溫濕度儀對區(qū)內(nèi)多個邊坡進(jìn)行監(jiān)測。研究發(fā)現(xiàn)：在集中式降雨前，該地區(qū)公路邊坡地表最高平均溫度為73 ℃，空氣平均濕度為26.6%，降雨后地表平均溫度為30 ℃，空氣平均濕度為98%，歷時2 h；在普通降雨前，該邊坡土體地表平均溫度為55 ℃，空氣平均濕度為48.6%，降雨后地表溫度為30 ℃，空氣濕度為98%，歷時2 h。

1.3 試樣制備

① 通過液塑限聯(lián)合測定儀測定該滑帶土液限含水率為14.8%，配置含水率分別為10%、12%、14%、16%、18%的濕土各5 kg，在保濕器內(nèi)靜置24 h；② 將上述配置好的土，通過輕型擊實試驗，制成土工試驗標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，確定該土體最優(yōu)含水率為14%、最大干密度為2.05 g/cm3；③ 最大限度節(jié)約樣品，試驗以最大干密度與最優(yōu)含水率將該滑帶土樣品進(jìn)行配置，將試樣制成邊長為7.07 cm的立方體進(jìn)行不同干濕循環(huán)試驗；④ 公路邊坡土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用無側(cè)限抗壓試驗測定；通過環(huán)刀對標(biāo)準(zhǔn)立方體進(jìn)行加工，測定試樣剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系及其黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ值變化規(guī)律。

1.4 試驗過程

為探究邊坡土體在兩類干濕循環(huán)過程中的物理、力學(xué)相關(guān)參數(shù)變化，試驗采用可程式恒溫恒熱試驗機，設(shè)置溫度、濕度、時間分別為73 ℃、26.6%、10 h，30 ℃、98%、2 h為一次干濕循環(huán)，稱為強烈干濕；設(shè)置溫度、濕度、時間分別為55℃、48.6%、10 h，30 ℃、98%、2 h為一次干濕循環(huán)，稱為日常干濕。依據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，對分別完成0、3次、6次、9次、12次的強烈干濕和日常干濕循環(huán)后的試樣進(jìn)行顆粒級配、密度、液塑限含水率、抗剪強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、單軸抗壓強度等相關(guān)工程指標(biāo)的測定分析。

2 試驗結(jié)果

2.1 顆粒級配分析

采用篩分法和量筒法對兩種不同干濕作用、不同養(yǎng)護(hù)次數(shù)滑帶土進(jìn)行粗顆粒和細(xì)顆粒的統(tǒng)計。結(jié)果如圖1所示。

圖1表明：兩種干濕作用都對土體顆粒粒徑有比較明顯的影響，且強烈干濕影響較日常干濕嚴(yán)重；粒徑大于2 mm時，兩種養(yǎng)護(hù)作用下顆粒含量表現(xiàn)為上升趨勢；粒徑為2～0.075 mm、0.075～0.005 mm與小于0.005 mm時，兩種養(yǎng)護(hù)作用下，顆粒含量均表現(xiàn)為下降趨勢。

圖1 兩種干濕作用下試樣顆粒級配

試驗同樣反映出試樣顆粒粒徑含量對兩種不同次數(shù)干濕循環(huán)有不同的響應(yīng)速度，以粉粒為例，兩種干濕條件下粉粒含量均呈下降趨勢，3～6次循環(huán)下降速度最快，9～12次下降速度次之，0～3次下降速度最慢，且強烈干濕作用下，下降速度大于日常干濕。

2.2 密度分析

為研究邊坡土體在兩種不同干濕作用下密度的變化規(guī)律，采用環(huán)刀法對兩種不同干濕作用下試樣的密度進(jìn)行測試，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 不同干濕循環(huán)后密度

圖2表明：兩種干濕作用都對滑帶土密度有比較明顯的影響，強烈干濕循環(huán)影響較日常干濕嚴(yán)重；兩種試驗方案中，密度均呈下降趨勢，強烈干濕循環(huán)后試樣密度變化較大，同時，兩種方案中試樣密度改變呈相同趨勢，表現(xiàn)為6～9次下降速度最大、0～3次下降速度次之、3～6次下降速度最慢的變化特征。

2.3 液塑限分析

為研究邊坡土體在兩種不同干濕作用下液、塑限的變化規(guī)律，采用液塑限聯(lián)合測定儀測量，分析試樣經(jīng)歷不同干濕作用后的塑限、液限，結(jié)果如圖3所示。

圖3表明：兩種干濕作用都對邊坡土體液塑限有比較明顯的影響，強烈干濕循環(huán)影響較日常干濕循環(huán)嚴(yán)重；兩種試驗方案中，試樣液塑限均呈下降趨勢，強烈干濕循環(huán)后試樣液塑限變化均要大于日常干濕循環(huán)，且液限變化速度較塑限變化速度低，強烈干濕循環(huán)后試樣液塑限變化速度均高于日常干濕。

圖3 不同干濕循環(huán)后試樣液、塑限試驗結(jié)果

2.4 剪應(yīng)力與剪切位移

為研究邊坡土體在兩種不同干濕作用下抗剪強度的變化規(guī)律，采用直剪試驗對兩種不同干濕作用下試樣的抗剪強度進(jìn)行測試(抗剪試驗選取不同次數(shù)兩種干濕作用后，豎向壓力為400 kPa的試樣峰值剪切強度及其對應(yīng)位移進(jìn)行比較)，直剪試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 直剪試驗結(jié)果

圖4表明：試樣剪切強度對試驗設(shè)計的兩種干濕循環(huán)方案有明顯劣化響應(yīng)，同時試樣對強烈干濕循環(huán)后試樣的劣化響應(yīng)要明顯大于日常干濕。兩種試驗方案中，試驗剪應(yīng)力峰值強度呈下降趨勢，峰值強度對應(yīng)的剪切位移則呈上升趨勢，強烈干濕循環(huán)后試樣剪應(yīng)力峰值強度要小于日常干濕。表明兩種干濕作用下，試樣的剪切強度隨循環(huán)次數(shù)增大而減小，剪切強度對應(yīng)的剪切位移則隨之增大；同一豎向荷載作用下，強烈干濕作用下的剪切強度小于日常干濕，所對應(yīng)的剪切位移則大于日常干濕；兩種干濕作用下峰值強度變化規(guī)律相似。

2.5 c、φ值變化規(guī)律分析

為研究邊坡土體在兩種不同干濕作用下黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律，通過對上述剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行研究，得出兩種不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律見圖5。

圖5 不同次數(shù)干濕循環(huán)后邊坡土體c、φ值

圖5表明：試樣黏聚力與內(nèi)摩擦角對兩種干濕循環(huán)方案有明顯劣化響應(yīng)，同時，試樣對強烈干濕作用的劣化響應(yīng)要明顯大于日常干濕。兩種試驗方案中，黏聚力隨循環(huán)次數(shù)增加而減小，循環(huán)6次后，黏聚力減小出現(xiàn)明顯拐點；內(nèi)摩擦角則隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，循環(huán)9次后才出現(xiàn)明顯拐點。

強烈干濕循環(huán)后試樣黏聚力、內(nèi)摩擦角的變化速率均大于日常干濕，兩種干濕方案作用下黏聚力均表現(xiàn)出前9次干濕循環(huán)黏聚力下降速度不斷增大，而在9次后減小速率開始變??；而內(nèi)摩擦角均表現(xiàn)出前3次干濕循環(huán)內(nèi)摩擦角上升速率大于3～6次，3～12次循環(huán)中試樣內(nèi)摩擦角變化速率不斷增大。

2.6 單軸抗壓強度變化

采用單軸抗壓試驗對比分析兩種不同干濕作用下試樣抗壓強度的變化規(guī)律(圖6)，結(jié)果顯示：兩種干濕作用下，試樣單軸抗壓強度變化規(guī)律出現(xiàn)明顯不同，在強烈干濕作用下，表現(xiàn)為0～3次試樣抗壓強度下降速率小于3～12次，3～12次試樣抗壓強度下降速率基本相同，最后下降至3.84 MPa；而在日常干濕作用下，則表現(xiàn)出抗壓強度下降速率不斷增大的趨勢，最后下降至3.97 MPa。無側(cè)限單軸抗壓試驗同時反映出試樣在強烈干濕作用下單軸抗壓強度變化率大于日常干濕的試驗規(guī)律。

圖6 不同干濕循環(huán)后邊坡土體抗壓強度

3 分析與討論

3.1 分析

以上結(jié)果充分表明：該公路邊坡土體顆粒粒徑、密度、液塑限、抗剪強度、c、φ值、單軸抗壓強度在夏季集中式降雨與日常降雨這兩種工況中產(chǎn)生明顯變化：邊坡土體砂粒含量、黏粒含量增加，粉粒含量減小，密度減小；對其液塑限變化而言，兩種干濕循環(huán)下塑限和液限均有不同程度的降低，其中液限下降幅度大于塑限；對其強度性質(zhì)而言，峰值抗剪強度、單軸抗壓強度、黏聚力發(fā)生下降，峰值抗剪強度對應(yīng)位移、內(nèi)摩擦角則出現(xiàn)增大現(xiàn)象。

對比兩種干濕循環(huán)，試驗結(jié)果表明：集中式降雨作用下化馬滑坡邊坡土體物理、水理、力學(xué)性質(zhì)變化均大于日常降雨工況，但由于循環(huán)次數(shù)有限或者試樣在養(yǎng)護(hù)箱中未能完全再現(xiàn)集中式降雨與日常降雨這兩種工況，導(dǎo)致兩種工況下該邊坡土體物理、水理、力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律都基本相似，未出現(xiàn)明顯不同。

3.2 討論

研究所選取的干濕作用對邊坡土體最重要的評價指標(biāo)c、φ值隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加發(fā)生明顯變化，集中式降雨和日常降雨作用下，黏聚力分別下降了9.2%、7.9%，內(nèi)摩擦角分別上升了25.4%、20.6%。其中，兩種干濕作用下黏聚力曲線與內(nèi)摩擦角曲線趨勢基本一致，曲線拐點均出現(xiàn)在6次循環(huán)，而內(nèi)摩擦角在兩種干濕循環(huán)9次時，出現(xiàn)第2個拐點，兩者均呈變化速率不斷增加的指數(shù)變化趨勢。同時，該邊坡土體粉粒含量變小，部分轉(zhuǎn)換為黏粒，但試樣內(nèi)部孔隙在強烈的干濕作用下越來越大，使試樣黏聚力緩慢減小。干濕作用下試樣內(nèi)部發(fā)生反復(fù)失水與吸水，產(chǎn)生反復(fù)的內(nèi)部機械摩擦，這種摩擦不僅使較大的粉粒含量減少，也使粉粒的磨圓度變差，增加了機械咬合力即增大了內(nèi)摩擦角。試樣含水率、抗剪強度、抗壓強度等指標(biāo)的降低為其提供了有力的佐證，12次干濕循環(huán)后邊坡土體電鏡照片為試樣干濕循環(huán)作用下孔隙增大提供了直接證據(jù)(圖7)。圖7表明：未經(jīng)干濕循環(huán)土體中顆粒粒徑分布分散，顆粒均勻性較差，但顆粒較為密實，磨圓度較好，孔隙較少；多次干濕后試樣顆粒均勻性增加，但顆粒較為疏松，磨圓度變差，孔隙較大。

圖7 12次干濕循環(huán)后邊坡土體電鏡照片

4 結(jié)論

(1) 化馬滑坡邊坡土體物理、水理、力學(xué)性質(zhì)在夏季集中式降雨與日常降雨兩種干濕工況下產(chǎn)生明顯變化，具體表現(xiàn)為：邊坡土體砂粒含量、黏粒含量、峰值抗剪強度對應(yīng)位移、內(nèi)摩擦角增加；粉粒含量、密度、塑限和液限、峰值抗剪強度、單軸抗壓強度、黏聚力均有不同程度降低。兩種干濕作用下邊坡土體最重要的評價指標(biāo)c、φ值隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加發(fā)生明顯變化，集中式降雨和日常降雨作用下，黏聚力分別下降了9.2%、7.9%，內(nèi)摩擦角分別上升了25.4%、20.6%，兩者均呈變化速率不斷增加的指數(shù)變化趨勢。

(2) 多次干濕作用下，土體內(nèi)部砂粒含量降低，黏粒含量增多，孔隙增大致使試樣顆粒均勻性增加，疏松度增大，磨圓度變差，加之該地區(qū)降雨前后較大的溫度、濕度差使得土體迅速劣化，影響滑坡體穩(wěn)定性，成為引起該地區(qū)滑坡頻發(fā)的主要原因之一。