降雨條件下加筋對土質邊坡破壞模式影響試驗研究

王丙龍 潘昌樹

(1.重慶川東南地質工程勘察設計院，重慶 400038; 2.重慶市高新工程勘察設計院有限公司，重慶 401121)

邊坡是自然或人工形成的斜坡，是人類工程活動中最基本的地質環境之一，也是工程建設中最常見的一種工程形式。邊坡的存在常伴有一定的安全隱患，在外界作用下會發生滑坡事故，若不及時處理會造成嚴重的經濟損失。眾多誘因中降雨作用占據主導地位，同時土質邊坡受雨水作用非常明顯。為此諸多學者對降雨工況下的邊坡穩定性進行了研究。如Jing[1]、左自波[2]、林鴻州[3]等人通過室內模型試驗發現當濕潤鋒形成后，土體的體積含水率和孔隙水壓力均表現出增長趨勢而基質吸力呈現減小趨勢；且不同級配邊坡的破壞模式不同，含石量越小，土體顆粒流失量越大，滑裂面也越為明顯。Jing[4]、王亮[5]、沈水進[6]、徐憲立[7]等人通過沖刷試驗發現風速會嚴重影響雨水在坡面的侵蝕程度，坡面徑流與雨水入滲共同造成了邊坡的破壞。金怡軒[8]、何忠明[9]、曾鈴[10]等人通過數值模擬發現隨著非飽和帶深度的增加，土壤的孔隙水壓力逐漸增大；且孔壓在降雨入滲階段逐漸增大，在停止降雨后逐漸恢復。

由于邊坡易在外界作用下發生破壞，可在坡體內加入加筋材料或修建擋土墻[11,12]，以提高邊坡的穩定。因此王志斌[13]、李永華[14]等人采用土工格柵對邊坡進行加固，發現土體經加固后其承載力顯著增大，且邊坡坡度越小、筋帶密度越大，則邊坡的變形越小。以上研究相對比較單一，并未將降雨工況與加筋加固相結合。

基于此，本文采用自行研制的模型試驗裝置，通過改變雨強大小及筋帶密度對加筋邊坡進行研究，為加筋邊坡的防災減災工作提供參考。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

試驗設備為自行研制的模型試驗裝置，包括降雨裝置、模型槽以及高分辨率攝像機，為便于觀察邊坡的變化情況，整個模型槽由透明亞克力板制成。模型試驗裝置的示意圖如圖1所示，該裝置既可觀察邊坡坡面的宏觀侵蝕情況，也可觀測側面濕潤鋒的變化情況。

1.2 試驗材料

采用重慶科技學院附近某邊坡的現狀土作為模型試驗的試驗土。通過室內土工試驗獲得試驗用土的物理力學參數，如表1所示。經敬小非[15]、趙一姝[16]等人研究，發現玻璃纖維窗紗具有良好的加筋效果，故本研究采用玻璃纖維作為加筋材料對土質邊坡進行加固。

表1 試驗土的主要物理性質指標

1.3 試驗方案

邊坡的模型尺寸為45 cm×35 cm×20 cm，坡度為45°，分別在三種降雨強度、三種加筋密度條件下開展9組模型試驗。根據重慶地區10年一遇、50年一遇、100年一遇的降雨情況，將雨強定為50 mm/d,115 mm/d,262 mm/d三種，筋帶密度分別為1層、2層、3層，具體試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 濕潤鋒變化情況

由于邊坡土壤成非飽和狀態，因此在降雨過程中雨水會逐漸滲入土體，并逐漸使土體飽和化。雨水入滲過程中會出現一條干濕分明的分界線，稱為濕潤鋒。濕潤鋒的變化情況能很好的反映雨水的入滲過程，因此有必要對濕潤鋒進行分析。

圖2為加筋邊坡在不同降雨強度作用下的濕潤鋒變化情況。濕潤鋒深度為濕潤部分垂直于坡面中部的濕潤長度。如圖2所示，在相同加筋條件下，濕潤鋒入滲深度隨雨強的增大而增加；相同雨強條件下，濕潤鋒的入滲深度隨筋帶密度的增加而減小；說明雨強越大邊坡更容易發生破壞，筋帶的增設使顆粒與顆粒間的咬合力增強，從而使其抵抗雨水軟化作用的能力增大，雨水在筋帶處的下滲受到筋帶的限制，故濕潤鋒下滲深度隨筋帶密度的增大而減小。

從圖2中還可以看出，在相同的降雨強度下，邊坡的筋帶越多，雨水的入滲速率越慢。降雨初期，雨水入滲速度最快，隨著降雨持續，雨水入滲速度越來越慢，而且入滲速度減慢的速率隨時間的增長而逐漸減小。這是因為降雨初期，土壤處于非飽和狀態，基質吸力較大，而隨著雨水的持續入滲，土壤逐漸由非飽和土轉變為飽和土，基質吸力逐漸降低，故吸收雨水的能力逐漸減弱。而且從圖中還發現降雨結束時，盡管降雨強度不同，但是雨水的入滲速度幾乎都為零。這是因為試驗結束時，滲流水已浸入坡體大半以上，此時雨水更多的以徑流的形式存在于坡面，而下滲的量相對較少。

2.2 坡面侵蝕情況

當雨量小于土壤的滲透系數時，雨水會全部滲入土體；而當雨量大于土壤的滲透系數時，雨水部分以滲流水的形式滲入土體，部分以徑流的形式存在于坡面，且雨量越大，徑流量越大、滲流量越小。而坡面徑流會對坡面進行沖刷侵蝕，造成坡面破壞，它是邊坡土壤流失的主要施力者。

圖3是加筋邊坡(N=1)在115 mm/d的雨強作用下，其坡面破壞程度隨時間的變化情況。從圖中可以看出降雨對邊坡的破壞首先是從坡腳開始的，在持續降雨下，坡腳很容易被沖刷，坡腳的粘土被雨水沖走，造成水土流失。這是因為坡面的徑流水最終都會流向坡腳，此處土壤遭受水的軟化作用最為明顯，在水的作用下，土壤間的分子作用力逐漸喪失，從而破壞土骨架，當土骨架遭受破壞后，土體便會發生垮塌。當坡腳土體垮塌后便會形成空腔，上部土體在重力作用、徑流沖刷作用下依次發生垮塌，從而形成如圖所示的牽引式破壞現象。

圖4為115 mm/d雨強作用下，不同加筋密度邊坡在50 min時的坡面破壞程度。從圖中可以發現在降雨強度及歷時相同的條件下，坡面的破壞程度隨筋帶數量的增加而減小。說明筋帶的布設很好地改善了邊坡的穩定性。通過記錄加筋邊坡出現裂縫時的時間發現，一層、兩層、三層筋帶加筋邊坡的裂縫出現時刻分別為6 min,7 min,9 min。說明加筋邊坡在降雨作用下產生裂縫的時候隨筋帶密度的增加而增大。

3 結語

1)降雨強度越大，徑流量越大，坡面遭受的沖刷作用越為明顯，其破壞程度越大；筋帶密度越大，邊坡的穩定性越強，抵抗雨水作用的能力越大。2)無論雨強多大、筋帶密度多大，邊坡的破壞總是從坡腳開始，逐漸往上部發展，呈現出“牽引式”破壞現象。3)雨強越大，筋帶密度越小，濕潤鋒的下滲速率越大；整個降雨過程中濕潤鋒的變化由快到慢。