考慮抗滑樁及擋土墻支護結構影響的降雨誘導邊坡失穩模型試驗研究

嚴秋榮，喬東華，楊 兵，楊 濤，馮 君

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550001；3. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

考慮抗滑樁及擋土墻支護結構影響的降雨誘導邊坡失穩模型試驗研究

嚴秋榮1，喬東華2，楊 兵3，楊 濤3，馮 君3

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550001；3. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

在無支護和有支護(加設抗滑樁及擋土墻)的條件下開展了降雨對邊坡穩定性影響的模型試驗研究。以實際工程邊坡為原型，在常規重力1 g條件下設計了試驗模型。試驗結果表明：在有支擋結構條件下，降雨對坡體豎向和水平位移的影響均很小，表明支擋結構對邊坡坡面位移的限制作用明顯。通過比較降雨對坡面和內部位移的影響，發現坡面位移變化遠大于內部位移變化，加設支擋結構以后坡體變形主要是雨水對坡面的沖刷造成的。

道路工程；降雨；邊坡失穩；模型試驗；支擋結構

邊坡失穩的主要原因包括降雨、地震和人為不當開發等，其中降雨因素是引起邊坡失穩的最常見因素[1]。雨水進入邊坡，坡內土體含水量增加，土體軟化而強度降低，同時土體容重增大，這樣坡體內應力超過坡體強度的可能性增大，當該狀態達到一定程度時，邊坡失穩破壞。對此問題，研究人員進行了卓有成效的研究[2-8]。當邊坡有支檔結構存在時，坡體變形會受到一定程度約束，阻止邊坡失穩。降雨作用下，有無支擋結構時，邊坡變形特征和失穩形態是筆者研究的主要內容。

1 試驗模型簡介

1.1 試驗模型

以貴州畢威高速公路某邊坡為原型，該原型邊坡上覆土層為黏土夾少量碎石，厚度為7～10 m，下部為強風化破碎褐黃色泥質粉砂巖，厚度為35～70 m。邊坡最底部為較完整的玄武巖，厚度100 m以上。根據現場資料分析可知，邊坡易于失穩的土層為上覆蓋層和強風化層。因此試驗中主要模擬該兩層土體的失穩規律。根據現場地質資料，概化出現場邊坡縱斷面長約100 m,高42 m, 邊坡大致呈1級臺階分布，邊坡上部坡體傾角約為34°，下部坡體傾角約為10°。根據室內試驗條件，試驗幾何縮尺取Cl=84。試驗在長1.2 m×1.1 m×0.3 m的模型箱里進行，邊坡模型長1.2 m、高0.8 m、寬0.3 m，底部為厚0.3 m的基巖，基巖上部為含碎石黏土和強風化泥質粉砂巖邊坡。試驗考慮無支擋邊坡和加設抗滑樁及擋土墻支擋結構的邊坡，如圖1。在試驗中保持兩種邊坡剖面形狀不變，然后進行降雨使邊坡失穩。試驗中將對坡體表面位移和內部位移進行測量。坡體表面位移設置12個測點，布置如圖2。

圖1 邊坡模型Fig.1 Slope model

圖2 坡面測點布置俯視Fig.2 Orerlooking the layout of measuring points on the slope surface

邊坡表面測點在豎直方向上的間距為4 cm，最頂上測點距坡頂高度為4 cm。采用2 cm×2 cm正方形帶彎鉤鐵皮薄片在中心位置用紅漆標志作為觀測的測點。土體內部測點布置在邊坡坡體中央位置處。測點編號依次為由下至上1，2，3，三個點距坡頂的距離依次為：25，15，5 cm。試驗中降雨強度為中雨。

1.2 試驗材料

試驗在常規重力下進行，即Cg=1,試驗材料也采用常規土配置，即Cρ=1。根據相似關系可知，Cc=1/Cl，即試驗模型材料的黏聚力應為原型材料的1/84。經過現場勘察分析得知，現場邊坡在降雨作用下最可能失穩的是上覆黏土層。因此，在試驗中重點模擬黏土層，強風化層也用黏土層模型材料進行模擬，避免產生太大誤差。坡體材料采用石英砂(d50=0.45 mm)與膨脹土兩種材料進行配置，石英砂與膨脹土的重量配比為300∶75。土樣分層填筑，每10 cm為一層，每層用滾子碾壓至中等密實程度。土體初始含水量為5%，初始容重為19.65 kN/m3。

1.3 測量設備

1.3.1表面位移測量

對于邊坡表面位移，采用德國米依公司生產的激光位移傳感器進行非接觸式測量。激光位移傳感器型號為ILD1401系列。豎直方向采用量程為20 cm、動態分辨力為0.25 mm的ILD1401-200的傳感器，水平方向采用量程為5 cm、動態分辨力為0.025 mm的ILD1401-50的傳感器。

1.3.2邊坡內部位移測量

內部位移的測量采用日本KYOWA公司生產的電阻應變式傳感器進行測量，并通過數據采集儀進行數據采集。在實驗過程中間隔10 s采集一組數據，再對采集記錄下的數據通過位移計自身的標定系數即可換算出位移變化大小。

本次試驗在模型側面設置紅色軟線以便于肉眼定性觀察坡體位移變化情況。

2 試驗結果及分析

2.1 典型試驗現象

2.1.1無支護邊坡

在本組試驗中，在沒有支護的情況下，隨著降雨的持續，模型發生了明顯的位移變化，表現在邊坡坡頂出現縱向貫通裂縫，在模型箱側面預先安裝的位移觀測線發生明顯的滑移，坡體整體發生明顯滑動，如圖3、圖4。

圖3 坡頂出現裂縫Fig.3 Cracks on the top of the slope

圖4 坡面側壁發生明顯滑動Fig.4 Sliding on the sidewall of the slope

2.1.2有支護邊坡

本組實驗采用了坡面支擋結構進行坡面加強，在平臺較陡處采用片石作為擋土墻對邊坡進行加固。坡腳位置設置抗滑樁，擋土墻之間采用碎石模擬樁間擋土墻。抗滑樁采用杉木制作而成。抗滑樁尺寸為：2.6 cm×2.6 cm×16 cm，其中懸臂段長為8 cm，埋深8 cm。抗滑樁間距為6 cm。

在有支擋的情況下，邊坡位移變化并不明顯，邊坡模型除了會發生略微的沉降外并不會發生太大變化，相比沒有支擋情況下邊坡坡頂形成明顯的縱向裂縫以及坡面側向明顯滑動，而有支擋情況下邊坡變形微小。圖5是典型的加設支擋結構后邊坡模型在降雨后的變化情況。

圖5 有支檔邊坡變形情況Fig.5 Deformation of the slope with support structures

2.2 影響規律分析

2.2.1 無支護邊坡位移變化規律

1)豎直位移變化

圖6給出了坡面各測點豎直位移隨降雨持續時間的變化規律。由圖6可以看出，隨著降雨量的增加，坡面各測點豎直位移曲線總體變化趨勢為開始增長較快，中期大致平緩增長，而在后期增長速率加快直至破壞。在降雨的前30 min內，豎向位移的整體變化率較快，約為0.7 mm/min。表明隨著降水的增加，水開始滲入孔隙，并向坡體深部入滲，同時增加了坡體的重量，增大了下滑力。持續降雨30～195 min內，豎向位移變化速率總體較穩定，約為0.3 mm/min，此階段雨水不僅沖刷坡體表面,造成坡面土的緩慢流失，而且雨水的滲入量增大和滲入深度加深，使得坡體一定深度范圍內的含水量發生變化，改變了土的孔隙水壓力，土的抗剪強度減小。當坡體下滑力超過土體最大抗剪強度，坡體失去穩定。另外，除去最終破壞的測點1，7外，位移變化最大的為靠近坡頂的測點12，約為84.9 mm，最小的為靠近坡腳的測點2，為53.4 mm，靠近坡頂的測點豎向位移比靠近坡底的大。

圖6 坡面各測點豎直位移-時間曲線Fig.6 Vertical displacement-time curve of the measuring points on the slope surface

2)水平位移變化

圖7給出了無支護邊坡水平位移隨降雨持續時間的變化曲線。在降雨的前30 min，水平位移變化速率也較快，約為0.35 mm/min。降雨30～160 min期間，水平位移變化速率平緩，降雨沖刷坡體表面造成坡表土緩慢流失，速率約為0.2 mm/min。第160 min后增速較快，水平位移滑移量增大，直至邊坡破壞。此外，同豎直位移的變化，靠近坡頂的測點位移比靠近坡腳的測點位移大，除去最終破壞的測點1，7外，位移變化最大的為測點6，為45.8 mm，最小的為測點2，為43.4 mm，總體上也是呈現靠近坡頂的測點水平位移比靠近坡底的大。

圖7 坡面各測點水平位移-時間曲線Fig.7 Horizontal displacement-time curve of the measuring points on the slope surface

3)坡體內部位移變化規律

圖8給出了土體內部3個測點的位移變化曲線。由圖8可看出，在沒有支護結構的條件下，內部位移變化的總體趨勢是變大的，大小在0～15 mm之間變化。測點1在降雨前125 min內位移均較小，在150 min附近位移增長較快。而測點2和測點3在150 min時位移沒有發生較快增長，說明在此刻坡體主要在上部發生破裂。另外，在降雨前50 min內，測點2和測點3處土體位移幾乎為0，而在50～75 min內兩測點處土體位移急劇增大，測點2處土體位移增大到14 mm，測點3處土體位移增大到11 mm，而在50～70 min內測點1處土體位移緩慢變化，增長不多。上述現象表明當降雨持續到50～70 min時，邊坡坡體內部土體強度可能降低很多，造成內部土體發生失穩破壞。

圖8 坡體內部測點位移-時間曲線Fig.8 Displacement-time curve of the measuring points inside the slope

通過降雨對坡體表面和內部位移最終影響量的比較，可以看到對坡面影響的最終范圍是45～80 mm，而對內部的影響僅為0～15 mm，前者比后者大近3～5倍，表明降雨對坡面位移的影響遠大于內部位移的影響。另外，還可以看到靠近坡頂測點的水平和豎向位移均比靠近坡底測點的位移大，邊坡的頂部首先被拉壞，表現為坡體頂部出現大小不等的5條裂縫并縱向貫通(圖3),坡體上部開始滑動，且上部位移大,下部位移小,上部滑動產生的壓力由下部承擔,導致下部應力增大，坡腳應力集中,促使坡體下部產生變形破壞，整體失穩，可見此無支護邊坡降雨后的破壞為推移型滑坡。

2.2.2 有支擋邊坡位移變化規律

圖9為坡面位移變化規律，由圖9可見，無論測點的豎直位移還是水平位移，其位移變化量均不大。豎直位移變化量在-1.0～2.5 mm范圍內，總體變化速率為0.006 5 mm/min，呈現一定的上升趨勢。水平位移變化量在0～5 mm范圍內，水平位移整體變化趨勢并不是很明顯，但是總體達到0.5 mm后仍然呈現緩慢的上升趨勢，變化速率甚小。在水平位移變化上,大部分測點變化比較小，在0～2 mm之間。通過對比可知，降雨作用下有支擋結構時水平位移變化量為1.5 mm，與無支擋結構水平位移變化量的最小值43.4 mm比較，減少了近30倍，充分表明支擋結構對坡體的限制作用明顯。

圖9 坡面各測點位移-時間曲線Fig.9 Displacement-time curve of the measuring points on the slope surface

圖10為坡體內部位移變化規律。由圖10可以看出，內部測點位移總體變化曲線開始呈上升趨勢，后出現臺階狀突變，最后逐漸趨于穩定。由圖可見，各內部測點位移變化幅值很小。測點1和測點2的位移不超過0.2 mm, 測點3處土體位移不超過0.3 mm。

圖10 坡體內部測點位移-時間曲線Fig.10 Displacement-time curve of the measuring points inside the slope

結合加了支擋結構的坡面位移變化曲線，可以看出降雨作用下有支擋結構邊坡內部位移變化量(約0.25 mm)遠小于坡面豎直位移(約2 mm)和水平位移(約1.5 mm)，造成這種現象的原因在于坡面位移和坡體內部位移在有支擋結構存在時均較小，而在雨水的作用下，邊坡表面存在沖刷破壞，從而增大了坡面的位移量，因此坡面位移比坡體內部位移要大。另外，雖然坡體測點不管表面還是內部的變化量都不大，但是通過測量曲線可以看到位移總體的變化量靠近坡頂處大于靠近坡腳處，且這些位移的方向大都主要指向坡腳處。由于坡頂為受拉區，持續降雨，將使拉應力增大，頂部位移變化增加，坡體可能先從頂部出現局部破壞。

3 結 論

通過模型試驗，對無支護和有支護的情況下降雨對邊坡穩定性的影響進行了研究，得到以下結論：

1)無支護時，隨著降雨的持續，邊坡坡頂出現縱向貫通裂縫，坡體整體發生明顯滑動。無支護時，隨著降雨量的增加，坡面各測點豎直位移初期增長較快，中期平緩增長，而后期增長速率加快直至破壞。無支護時邊坡內部位移總體呈增大趨勢。當降雨持續一定時間時，邊坡坡體內部土體強度降低較多，內部土體發生失穩破壞。

2)在有支護條件下，降雨對豎向和水平位移的影響均很小，表明支護結構對坡面位移的限制作用明顯。對內部位移而言，邊坡深層滑動極小，表明支護結構也對限制坡體內部滑動的效果顯著。

3)對比降雨對坡面和內部位移的影響，坡面位移變化遠大于內部位移變化，加設支擋結構以后坡體變形主要是雨水對坡面的沖刷造成的。坡體位移變化的方向大都指向坡腳處，坡體可能先從頂部出現局部破壞。

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Failure of the Slope Induced by Rainfall Considering the Influence ofAnti-Slide Pile and Retaining Wall

YAN Qiurong1, QIAO Donghua2, YANG Bing3, YANG Tao3, FENG Jun3

(1. China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co.,Ltd., Chongqing 400067, P.R.China; 2. Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academe Co.,Ltd., Guiyang 550001, Guizhou, P.R.China; 3. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, P.R.China)

The experimental study on the model of the influence of rainfall on the slope stability was conducted under the condition with existence of support structure (i.e. anti-slide pile and retaining wall) and lack of support structure. A practical engineering slope was taken as a prototype, and the experimental model was designed under the condition of conventional gravity 1g. Test results show that the vertical and horizontal displacements of the slope are slightly influenced by the rainfall with the support structure, which indicates that the support structure has notable limitation to the displacement of the slope. It is found that the surface displacement is much larger than the inner displacement of the slope, by comprising the influence of rainfall on the slope surface displacement and the slope inner displacement. And after setting up the support structure, the deformation of the slope is mainly resulted from the scour of the rain on the slope.

highway engineering; rainfall; failure of slope; model test; support structure

2014-07-31；

2014-10-17

貴州省交通科技項目(2010-122-002)

嚴秋榮(1978—)，男，福建仙游人，副研究員，博士研究生，主要從事公路路基巖土科研、檢測方面的工作。E-mail：yanqiurong@cmhk.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.13

U416.1+4;TU444

A

1674-0696(2016)01-066-04