干濕循環(huán)下花崗巖殘積土裂隙演化及邊坡穩(wěn)定性

楊雪菲，陳東霞,2*，劉 越

(1.廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 福建 廈門 361005；2.廈門市交通基礎(chǔ)設(shè)施智能管養(yǎng)工程技術(shù)研究中心,福建 廈門 361005)

花崗巖殘積土在我國(guó)福建、廣東、香港等南方地區(qū)廣有分布.這些地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，干濕季節(jié)交替明顯[1].自然狀態(tài)下殘積土反復(fù)經(jīng)歷干燥、濕潤(rùn)的循環(huán)，導(dǎo)致殘積土內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)流失，影響殘積土的力學(xué)性質(zhì)[2].以往的研究表明，殘積土在干濕循環(huán)作用下，土的內(nèi)摩擦角基本不變，但黏聚力下降明顯.這主要是由膠結(jié)物質(zhì)流失導(dǎo)致[3].膠結(jié)物質(zhì)流失使得土顆粒之間的黏結(jié)變得脆弱，在之后的干燥過程中易產(chǎn)生裂隙[4].裂隙削弱了土體強(qiáng)度，增加了土體滲透性，破壞了土體結(jié)構(gòu)的完整性.臺(tái)風(fēng)暴雨天時(shí)雨水沿裂隙入滲加快，邊坡內(nèi)部基質(zhì)吸力降低，邊坡在張拉裂隙處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)一步加速裂隙發(fā)展，降低邊坡穩(wěn)定性[5].因此，研究干濕循環(huán)作用下花崗巖殘積土的裂隙演化規(guī)律及其對(duì)強(qiáng)度的影響，可為考慮裂隙影響下的殘積土邊坡穩(wěn)定性分析提供理論基礎(chǔ).

通過計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)可以獲取裂隙的節(jié)點(diǎn)、條數(shù)、寬度、長(zhǎng)度及面積等參數(shù)，這些參數(shù)是反映裂隙擴(kuò)展規(guī)律的重要指標(biāo).不少學(xué)者對(duì)干濕循環(huán)作用下土體裂隙的演化展開研究.胡東旭等[6]對(duì)干濕循環(huán)下裂隙體積變化采用Logistic函數(shù)預(yù)測(cè)裂隙在試樣局部的發(fā)展及分布情況.王建立等[7]開展自然蒸發(fā)條件下的土體裂隙試驗(yàn)，采用IPP(integrated performance primitives)圖像處理技術(shù)提取數(shù)據(jù)并建立了裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度與含水率的Boltzmann生長(zhǎng)曲線模型.裂隙擴(kuò)展往往伴隨土體強(qiáng)度降低.陳開圣[8]研究了干濕循環(huán)作用下的紅黏土裂隙演化規(guī)律，得到了紅黏土在干濕循環(huán)作用下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與裂隙密度呈二次多項(xiàng)式的關(guān)系.汪時(shí)機(jī)等[9]對(duì)干濕循環(huán)效應(yīng)下膨脹土裂隙演化和土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度展開試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)裂隙擴(kuò)展分為醞釀期、傳播期和平穩(wěn)期3個(gè)階段，裂隙擴(kuò)展致使膨脹土黏聚力大幅降低，其中裂隙面積率與黏聚力衰減相關(guān)度最大.劉俊東等[10]監(jiān)測(cè)了黏性土干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)在干濕循環(huán)中的變化.楊濟(jì)銘等[11]利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對(duì)干濕交替作用下膨脹土邊坡裂隙進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明脫濕開裂過程中邊坡表面裂縫發(fā)育形成裂隙網(wǎng)格，裂隙網(wǎng)格為水分提供入滲通道，進(jìn)而導(dǎo)致裂隙沿深度發(fā)展貫通，降低膨脹土邊坡穩(wěn)定性.周立陽等[12]對(duì)干濕循環(huán)下裂隙性黃土開展單軸壓縮試驗(yàn)，分析黃土的裂隙率、分形維數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，得出單軸抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增大呈減速衰減特征.

當(dāng)某個(gè)部位土的拉應(yīng)力大于土體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙尖端開始產(chǎn)生.關(guān)于裂隙擴(kuò)展理論的研究，Lu等[13]發(fā)現(xiàn)非飽和土抗拉強(qiáng)度主要由土的黏聚力決定，而干濕循環(huán)作用會(huì)降低土的黏聚力，進(jìn)而降低土體抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致裂隙產(chǎn)生并擴(kuò)展.Shi等[14]通過分析干濕循環(huán)作用下非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度降低引起土體抗拉強(qiáng)度下降和裂隙擴(kuò)展的變化規(guī)律，量化裂隙擴(kuò)展和干濕循環(huán)的關(guān)系，推導(dǎo)了干濕循環(huán)作用次數(shù)，土體含水率為主要參數(shù)的裂隙深度計(jì)算公式.隨后，Shi等[15]又從損傷角度推導(dǎo)了裂隙深度計(jì)算公式，進(jìn)而從理論上完善了干濕循環(huán)作用下膨脹土的裂隙擴(kuò)展規(guī)律.Thi等[16]利用有限元程序，將裂隙作為黏彈性損傷單元，對(duì)干燥過程中黏性土體的裂紋擴(kuò)展展開數(shù)值模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證了裂隙擴(kuò)展與土體物理力學(xué)性質(zhì)的密切聯(lián)系.劉越等[17]開展了干濕循環(huán)下殘積土邊坡模型試驗(yàn)，分析了裂隙深度與殘積土強(qiáng)度衰減之間的量化關(guān)系.

綜上可知，土體裂隙演化伴隨抗剪強(qiáng)度的降低，而強(qiáng)度降低又進(jìn)一步加速裂隙的擴(kuò)展.以往的研究主要以膨脹土、黃土或黏性土為研究對(duì)象.花崗巖殘積土因形成條件及礦物成分，其工程特性有別于膨脹土、黃土和黏性土.因此，本文利用邊坡模型試驗(yàn)定量分析干濕循環(huán)作用下花崗巖殘積土的裂隙擴(kuò)展規(guī)律及其對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，進(jìn)而分析裂隙影響下殘積土邊坡的穩(wěn)定性.

1 邊坡模型試驗(yàn)

建立花崗巖殘積土邊坡模型，在邊坡的設(shè)計(jì)深度取環(huán)刀試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測(cè)量邊坡土體的抗剪強(qiáng)度.同時(shí)拍攝觀察邊坡裂隙與變形，記錄邊坡表面的裂隙擴(kuò)展情況，量化干濕循環(huán)下邊坡模型的裂隙發(fā)育，得出不同干濕循環(huán)幅度及干濕循環(huán)次數(shù)下殘積土邊坡的裂隙響應(yīng).

試驗(yàn)采用廈門市某學(xué)生公寓附近花崗巖殘積土，砌筑坡腳30°邊坡展開模型試驗(yàn).邊坡的坡頂寬0.37 m，坡頂處高0.95 m，坡腳寬0.50 m，坡腳處高0.30 m，整個(gè)坡長(zhǎng)2.00 m.將一個(gè)模型箱分成兩個(gè)相同的隔間，分層填筑邊坡，并在8 cm深度處安裝水分傳感器.實(shí)際的邊坡模型如圖1所示.

圖1 花崗巖殘積土邊坡模型Fig.1 Slope model of granite residual soil

對(duì)模型試驗(yàn)采用的殘積土進(jìn)行物理性質(zhì)試驗(yàn)，測(cè)得土的物理性質(zhì)指標(biāo)：土粒相對(duì)密度為2.72，干密度為1.78 g/cm3，飽和含水率為24.2%，塑限為20%，液限為47%，塑性指數(shù)為27.殘積土的顆粒級(jí)配比如表1所示.

表1 花崗巖殘積土粒徑分布

模型試驗(yàn)加濕和干燥裝置如圖2所示.加濕過程由8個(gè)噴頭噴淋加濕，干燥過程由6個(gè)大功率燈泡及4個(gè)花籃式取暖器進(jìn)行干燥.左、右兩個(gè)邊坡分別設(shè)置為12.5%～24.0%的大干濕循環(huán)幅度和17.5%～24.0%的小干濕循環(huán)幅度，進(jìn)行5次干濕循環(huán).當(dāng)8 cm深度處的水分傳感器顯示達(dá)到設(shè)計(jì)含水率時(shí)，停止?jié)駶?rùn)或干燥過程.設(shè)計(jì)邊坡土樣的直剪試驗(yàn)取樣如圖3所示.

圖2 干燥和加濕裝置Fig.2 Drying and humidifying device

圖3 直剪試樣環(huán)刀取樣Fig.3 Direct shear soil sampler

每次干濕循環(huán)結(jié)束后，在坡頂固定位置拍攝裂隙擴(kuò)展情況.分析在干濕循環(huán)過程中邊坡土的強(qiáng)度，裂隙擴(kuò)展與干濕循環(huán)的關(guān)系，討論不同干濕循環(huán)幅度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，得到干濕循環(huán)次數(shù)、干濕循環(huán)幅度、裂隙擴(kuò)展情況和土體強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系.

2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 干濕循環(huán)對(duì)邊坡裂隙發(fā)育影響

每次干燥過程結(jié)束后，拍攝邊坡模型表面照片，記錄頂部裂隙的發(fā)育情況.在邊坡干燥過程中，土體含水率逐漸降低，邊坡表面的土體失水收縮產(chǎn)生裂隙.5次大干濕循環(huán)幅度(BDW)作用下，邊坡模型頂部表面的裂隙如圖4所示.

圖4 大干濕循環(huán)幅度(12.5%～24.0%)邊坡頂部裂隙的擴(kuò)展Fig.4 The crack propagation on the top of slope under large amplitude dry-wet cycle (12.5%～24.0%)

通過對(duì)裂隙圖像的二值化和矢量化處理可得到裂隙的長(zhǎng)度、面積、分布密度等幾何要素，以大循環(huán)幅度下第5次干濕循環(huán)后的坡面裂隙為例，處理結(jié)果如圖5所示.

圖5 裂隙圖像的二值化和矢量化Fig.5 Binarization and vectorization of crack image

采用裂隙的面積率來定義裂隙度：

(1)

式中，δf為裂隙度(%)，A為照片中土體面積，Ai為第i條裂隙所占面積.n表示裂隙數(shù)量.干濕循環(huán)試驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)計(jì)算的裂隙度列于表2，裂隙度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖6所示.

表2 不同循環(huán)幅度下的坡頂裂隙參數(shù)

由圖6可見，裂隙度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而增加，但裂隙度增長(zhǎng)幅度并沒有發(fā)生太大的變化.在不同循環(huán)幅度下，邊坡模型表面的裂隙擴(kuò)展情況有所不同，大循環(huán)幅度下的裂隙度總是比小循環(huán)幅度下的裂隙度高，兩者之間的差值在第2次干濕循環(huán)時(shí)達(dá)到最大，即0.66%.但隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，兩種情況下的裂隙度相差逐漸減小.

圖6 干濕循環(huán)作用下裂隙度的變化Fig.6 The change of crack radios under dry-wet cycles

裂隙的存在相當(dāng)于把土體分割成多個(gè)小塊，縮短了水分消散的路徑，加快水分的蒸發(fā).相比小循環(huán)幅度，大循環(huán)幅度下不僅水分蒸發(fā)的路徑變短，含水率的變化更大，造成土體的含水率隨路徑變化的梯度更大，水分蒸發(fā)的速率更快，土體的張拉程度也越大，進(jìn)一步加速裂隙擴(kuò)展.

利用曲線擬合得到干濕循環(huán)次數(shù)與裂隙度的關(guān)系式.由圖6(a)可以看出，干濕循環(huán)次數(shù)和裂隙度之間基本呈線性相關(guān)，利用線性公式對(duì)曲線進(jìn)行擬合，可得：

δf=k(n-1),

(2)

式中：k為裂隙度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)速率，其受含水率變化幅度影響較大；n為干濕循環(huán)次數(shù).兩條曲線相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9，擬合效果較好.

2.2 干濕循環(huán)作用對(duì)土體強(qiáng)度的影響

每次加濕過程完成后在邊坡模型上均切取6個(gè)環(huán)刀樣，利用四聯(lián)直剪儀進(jìn)行慢剪試驗(yàn)，得到不同垂直荷載下(50，100，200，300，400 kPa)坡面下8 cm深度處的抗剪強(qiáng)度，計(jì)算整理得到土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角(圖7).

圖7 裂隙度和黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig.7 The relationship between crack ratios and cohesion, internal friction angle

由圖7可知，隨著裂隙的擴(kuò)展，大循環(huán)幅度與小循環(huán)幅度相比，前者的黏聚力下降幅度更大.第5次干濕循環(huán)后，黏聚力達(dá)到最小，且大循環(huán)幅度的黏聚力小于小循環(huán)幅度的黏聚力；裂隙的擴(kuò)展對(duì)于土體內(nèi)摩擦角的影響比較小.因此可以利用初始黏聚力c0、循環(huán)幅度Δw、裂隙度δf，干濕循環(huán)次數(shù)n等對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，推導(dǎo)裂隙度和土體黏聚力的關(guān)系：

首先根據(jù)試驗(yàn)條件擬合曲線得到黏聚力和干濕循環(huán)次數(shù)、干濕循環(huán)幅度的關(guān)系：

c=c0[1-pΔwln(qn-q+1)]，

(3)

式中p、q為擬合參數(shù).本次試驗(yàn)中大循環(huán)幅度取Δw=11.5，小循環(huán)幅度取Δw=6.5.初始循環(huán)次數(shù)為1，n=1時(shí)，c=c0，符合黏聚力隨循環(huán)次數(shù)變化的物理含義.然后計(jì)算得到大循環(huán)幅度擬合參數(shù)為：p=0.013 8;q=18.8，小循環(huán)幅度擬合參數(shù)為：p=0.013 8;q=5.44，可得

大循環(huán)幅度黏聚力變化：

c=c0[1-0.16ln(18.8n-17.8)],

(4)

小循環(huán)幅度黏聚力變化：

c=c0[1-0.09ln(5.44n-4.44)],

(5)

式中：c0為初始黏聚力(kPa);n為干濕循環(huán)次數(shù)，n取1,2,3,4,5.

兩條擬合曲線的方程相關(guān)系數(shù)大于0.99，擬合效果較好.利用公式(2)和(3)可以得出，土體黏聚力和裂隙度的關(guān)系式：

(6)

式中：p,q,k為干濕循環(huán)作用下，黏聚力隨裂隙度變化的參數(shù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出.其中p,q分別反映干濕循環(huán)幅度和干濕循環(huán)次數(shù)的影響；k反映了干濕循環(huán)過程中裂隙擴(kuò)展對(duì)黏聚力的影響.

從式(6)中得知，大循環(huán)幅度下邊坡土體的含水率變化梯度更高，邊坡表面裂隙更多更寬，導(dǎo)致膠結(jié)物質(zhì)流失增加.同時(shí)由于裂隙存在，土粒之間相互膠結(jié)的面積減小，膠結(jié)作用變?nèi)酰瑢?dǎo)致黏聚力下降幅度增加.內(nèi)摩擦角的變化不大且無規(guī)律，這里不做討論.

2.3 干濕循環(huán)作用下裂隙深度的確定

裂隙擴(kuò)展時(shí)，裂隙尖端的水平應(yīng)力超過土體抗拉強(qiáng)度，而土體的抗拉強(qiáng)度主要來源于顆粒間的黏結(jié)和分子引力形成的黏聚力、膠結(jié)物質(zhì)的形成膠結(jié)力和表面張力形成顆粒間的吸附力等3種作用力，它與土體含水率、飽和度、基質(zhì)吸力等有著密切的關(guān)系.干濕循環(huán)作用下，土顆粒之間膠結(jié)物質(zhì)逐漸流失，土體內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙，導(dǎo)致表面張力和吸附力減小甚至消失.

根據(jù)非飽和土的摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論[18]：

(7)

利用試驗(yàn)結(jié)果，得到干濕循環(huán)作用下黏聚力和裂隙度的關(guān)系如式(8)所示：

(8)

式中：c′0為未經(jīng)過干濕循環(huán)且土體基質(zhì)吸力和凈法向應(yīng)力均為0時(shí)的黏聚力.

Lu等[13]認(rèn)為土體受拉狀態(tài)下，正應(yīng)力和剪應(yīng)力比值和受壓狀態(tài)下保持一致，土體破壞是正應(yīng)力與剪應(yīng)力之比達(dá)到了極限時(shí)剪切破壞的一種表現(xiàn)，此時(shí)土體實(shí)際的抗拉強(qiáng)度：

(9)

其中σtua為土體實(shí)際的抗拉強(qiáng)度.

引入干濕循環(huán)影響下黏聚力的變化：

(10)

其中c′為干濕循環(huán)影響下，含有裂隙土體的黏聚力.

由Hooke定律可知：

(11)

(12)

其中：σv、σh分別為豎直、水平方向上的應(yīng)力；μ為泊松比；E為土體的彈性模量；ua、uw分別為孔隙氣壓力、孔隙水壓力.

當(dāng)土體處于靜止或K0狀態(tài)時(shí)：

(13)

(14)

可得

(15)

(16)

(17)

其中：D為損傷變量，為簡(jiǎn)便計(jì)算令其等于裂隙度.因此，水平應(yīng)力可以表示為：

(18)

水平應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)：土體發(fā)生張拉破壞，裂隙開始擴(kuò)展，因此：

σh-ua=σtua,

(19)

即：

(20)

式中的負(fù)號(hào)表示規(guī)定拉應(yīng)力方向?yàn)樨?fù).

假定ua=0，則σv-ua=γ(z-z0)，其中z0表示地下水位深度，γ為土的容量，式(20)可以表示為：

(21)

令與土體性質(zhì)有關(guān)的參量：

(22)

由于土體內(nèi)部裂隙的損傷參量：

(23)

最后公式化簡(jiǎn)為：

(24)

利用上述公式確定模型坡頂裂隙深度，以方便后面數(shù)值模擬計(jì)算.地下水深度和邊坡土體尺寸的取值按照模型試驗(yàn)尺寸等比例放大，其他有關(guān)土性參數(shù)取值與模型試驗(yàn)相同：地下水位深度z0=9.5 m，μ=0.3.由于干濕循環(huán)對(duì)內(nèi)摩擦角影響比較小，所以取φ′=26°.分別采用上述推導(dǎo)的裂隙深度計(jì)算公式和文獻(xiàn)[19]計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，所得對(duì)比結(jié)果如圖 8所示(其中小干濕循環(huán)幅度記為SDW)，本文裂隙深度計(jì)算結(jié)果與參考文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果相近，說明本文裂隙擴(kuò)展深度的計(jì)算公式合理.

圖8 干濕循環(huán)次數(shù)裂隙深度的關(guān)系Fig.8 The relationship between crack depths with dry-wet cycles

由圖8可知：裂隙深度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且大循環(huán)幅度的影響比小循環(huán)幅度更加明顯.經(jīng)歷幾次干濕循環(huán)后，裂隙擴(kuò)展速率變低，裂隙深度趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)橥馏w的抗拉強(qiáng)度主要由黏聚力提供，而干濕循環(huán)影響下黏聚力降低，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度下降.由前文可知，相對(duì)于小循環(huán)幅度，大循環(huán)幅度下的黏聚力下降更大，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度降低更加顯著，相同抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的土體所處部位更深.同時(shí)大循環(huán)幅度含水率變化梯度大，脫濕過程中相同位置產(chǎn)生更大的基質(zhì)吸力，在土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，也就更快達(dá)到抗拉強(qiáng)度使得土體開裂，最終導(dǎo)致裂隙的擴(kuò)展.當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)不斷增加，土中膠結(jié)物質(zhì)流失達(dá)到最大，黏聚力下降趨于穩(wěn)定，裂隙擴(kuò)展也將逐漸穩(wěn)定.

3 邊坡穩(wěn)定性分析

采用Geo-studio軟件，以模型試驗(yàn)結(jié)果為計(jì)算參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析.以廈門地區(qū)氣候條件為例[20]，計(jì)算暴雨條件下10 h后，經(jīng)歷不同干濕循環(huán)后邊坡的含水率變化及邊坡安全系數(shù)，討論干濕循環(huán)造成的裂隙擴(kuò)展和強(qiáng)度降低對(duì)花崗巖殘積土邊坡穩(wěn)定性的影響.

3.1 計(jì)算模型

采用模型試驗(yàn)測(cè)得的土體物理力學(xué)參數(shù)建立計(jì)算模型，幾何尺寸按照實(shí)際模型試驗(yàn)的尺寸等比例放大10倍，具體尺寸如圖9所示：

圖9 計(jì)算模型示意圖Fig.9 Schematic diagram of calculation model

考慮隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加，裂隙不斷擴(kuò)展，黏聚力不斷降低，會(huì)使得土的飽和滲透系數(shù)發(fā)生變化.根據(jù)劉宏泰等[21]的研究成果，確定進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)每次干濕循環(huán)的滲透系數(shù)，如表3所示.

表3 干濕循環(huán)作用下土體的滲透系數(shù)

3.2 邊界條件

1) 降雨邊界條件：模擬降雨強(qiáng)度為暴雨，在邊坡表面節(jié)點(diǎn)施加0 m的孔隙水壓，計(jì)算中降雨歷時(shí)10 h.

2) 地下水位邊界條件：地下水位在邊坡底部，設(shè)置模型右邊界為透水邊界，模擬滲流過程.

3) 裂隙的處理：花崗巖殘積土常見的滑坡孕育過程中坡頂幾乎都產(chǎn)生張拉裂縫[22]，裂隙所在單元不具有水平抗拉強(qiáng)度.裂隙單元的土體豎直方向的滲透系數(shù)相比水平方向的滲透系數(shù)擴(kuò)大3個(gè)數(shù)量級(jí)來模擬裂隙的滲透特性[23].考慮暴雨條件下，土體裂隙中會(huì)存在積水，認(rèn)為雨水充滿豎向張裂隙，裂隙范圍內(nèi)存在一個(gè)最大影響深度的靜水壓，作為入滲邊界條件施加在模型上.同時(shí)，由于裂隙度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈線性關(guān)系，所以利用增加或者減少?gòu)埨严兜臈l數(shù)，達(dá)到干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的裂隙面積，以此考慮裂隙影響來計(jì)算邊坡安全系數(shù).各種工況下的裂隙參數(shù)取值如表4所示.

表4 干濕循環(huán)作用下裂隙參數(shù)

表4中裂隙寬度計(jì)算由裂隙度和坡頂土體面積共同決定，裂隙寬度：

W=A坡頂×δf,

(25)

其中：W為裂隙寬度，A坡頂為邊坡頂部面積.數(shù)值模擬采用二維模型，邊坡寬度取單位長(zhǎng)度，面積取值為3.7 m2.裂隙深度按照上文所述計(jì)算.

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

1) 含水率變化

對(duì)比不同干濕循環(huán)幅度、不同干濕循環(huán)次數(shù)的含水率變化如圖10所示.經(jīng)過5次干濕循環(huán)，邊坡土體經(jīng)歷了反復(fù)收縮膨脹，表層土粒重新排列，各個(gè)位置的密實(shí)度也逐漸趨于一致.隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，各個(gè)傳感器測(cè)得的含水率變化趨向一致，且邊坡干燥速率逐漸加快.這主要是由于干濕循環(huán)過程中，邊坡表面逐漸開展出一些細(xì)小裂縫，并逐漸加寬加深延伸至邊坡內(nèi)部，水分蒸發(fā)通道增多，蒸發(fā)速率加快.對(duì)比數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的結(jié)果，兩者變化趨勢(shì)吻合度較高，可認(rèn)為數(shù)值模擬的結(jié)果準(zhǔn)確.

圖10 邊坡含水率變化Fig.10 Change of slope moisture content

2) 潛在滑裂面位置

由圖11所示，干濕循環(huán)導(dǎo)致土體發(fā)生張拉破壞，潛在滑裂面位置總是沿著張裂隙發(fā)展，所有邊坡的上滑點(diǎn)都在張裂隙所在的位置.

圖11 潛在滑裂面位置Fig.11 Location of potential slip plane

3) 安全系數(shù)

利用以上條件計(jì)算得到暴雨條件下的邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖12所示.由圖12可知，降雨過程中，邊坡的安全系數(shù)不斷下降，大循環(huán)幅度影響下的安全系數(shù)總是低于小循環(huán)幅度；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙擴(kuò)展對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響增大，在第3次循環(huán)達(dá)到最大，但當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)增加到第5次時(shí)，干濕循環(huán)幅度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響逐漸降低.隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，不同循環(huán)幅度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響趨于相同.

圖12 不同工況下安全系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.12 The safety coefficient with time under dry-wet cycles

第5次干濕循環(huán)作用后，邊坡在降雨8 h后出現(xiàn)安全系數(shù)突然下降，這主要是由于土體滲透系數(shù)的增大和裂隙的擴(kuò)展，雨水入滲加快，邊坡的非飽和區(qū)在降雨8 h后消失，邊坡穩(wěn)定性突然降低，說明降雨影響邊坡穩(wěn)定性的最危險(xiǎn)條件為雨水全部浸潤(rùn)整個(gè)邊坡時(shí)，干濕循環(huán)作用導(dǎo)致裂隙的擴(kuò)展，土體強(qiáng)度的降低和滲透性的增加，會(huì)加速雨水浸潤(rùn)邊坡過程，從而降低邊坡的安全儲(chǔ)備.

4 結(jié) 論

1) 干濕循環(huán)主要影響的花崗巖殘積土的力學(xué)性質(zhì)為黏聚力，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響比較小.土體強(qiáng)度降低會(huì)加速裂隙的擴(kuò)展，而裂隙的擴(kuò)展又導(dǎo)致土體強(qiáng)度進(jìn)一步降低，兩者相互作用，相互促進(jìn).

2) 裂隙擴(kuò)展與土體物理力學(xué)性質(zhì)、含水率變化梯度和干濕循環(huán)作用有關(guān).裂隙度與干濕循環(huán)次數(shù)呈線性關(guān)系，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)和幅度的增大，裂隙寬度和深度增大，土體強(qiáng)度降低.但裂隙深度增長(zhǎng)受干濕循環(huán)作用的影響有限，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，裂隙深度的增長(zhǎng)趨于平穩(wěn).

3) 滑裂面上滑點(diǎn)位于張裂隙處，在經(jīng)歷3次干濕循環(huán)后，邊坡安全系數(shù)會(huì)發(fā)生大幅下降.當(dāng)雨水全部浸潤(rùn)邊坡時(shí)，邊坡的安全系數(shù)會(huì)出現(xiàn)突變，容易發(fā)生邊坡失穩(wěn).干濕循環(huán)作用下裂隙不斷擴(kuò)展，土體強(qiáng)度降低，滲透系數(shù)的增加加速雨水浸潤(rùn)邊坡，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低.