干濕循環對可變飽和殘余土邊坡穩定性影響研究

吐爾遜那依·托乎提

(新疆維吾爾自治區塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 概述

由山洪暴發等原因導致的淺層滑坡會對橋梁、道路、排水系統、農田等基礎設施造成破壞，甚至導致人員死亡和失蹤[1]。淺層滑坡的此類問題已受到國內外研究界的廣泛關注[2]。淺層失穩的邊坡一般處于包氣帶內，一年中的大部分時間表現為土吸力或負孔隙水壓力。長時間的降雨和隨后的入滲使邊坡臨界深度處的土壤吸力降低到接近于0，往往成為淺層邊坡破壞的觸發機制[3]。此外，許多快速移動的淺層滑坡和泥石流最終是由正孔隙水壓力上升或靜態液化引起的[4]。在邊坡穩定性和入滲分析中加入非飽和土的性質，可以更好地反映土質邊坡的實際行為[5]。當孔隙水壓力接近于0且臨界深度為正時，坡度相對陡峭(如>45°)的邊坡可能會失效。

因此，本研究的主要目的是研究滑坡區殘余土在飽和和非飽和條件下的剪切和持水特性。為了更好地了解現場孔隙水壓力的變化，還對該區域內的一個典型邊坡進行了測量。此外，研究了干濕循環對土壤剪切特性的影響，以及它們對邊坡穩定性的影響。

2 坡度測量

2.1 站點描述

研究地點位于農業區的山麓附近，有多種果樹種植園，平均坡度約為26°。在5個高程分別安裝了5個張力計測站和測斜儀。張力計安裝在0.5m和1m深度處，可測孔隙水壓力范圍為-80～600kPa。在坡腳處還安裝了1個自動翻斗雨量計。安裝的測斜儀是基于附著在PVC管上的MEMs加速度計，該PVC管埋在相對適宜的基巖深度約1m處。傳感器的讀數被記錄在一個可以將數據無線傳輸到手機的記錄系統中。此外，開挖了一個深度約為1m的試坑，用于肉眼觀察薄壁管取樣和雙環入滲試驗(如圖1所示)。在內襯鉆孔內進行了變水頭試驗，以確定約2m和3m深度處的飽和滲透率。滲透性數據的分散性很大，特別是在深度小于1m的地面，這可能是由于殘余土的非均勻性。滲透率變異性的增強會導致孔隙水壓力的強烈不均勻分布，有時由于滲流的阻礙會導致孔隙水高度正分布。研究區土壤性質見表1，土層越深，土體越粗、越密，比重越大，全風化巖石越深，膠結特征越明顯。將可能參與邊坡破壞的上部材料歸為低塑性粉土。

表1 基本土壤性質和分類

圖1 研究區典型土壤剖面圖

2.2 監控結果

圖2為孔隙水壓力和日降雨量隨時間的變化規律。在0.5m和1m深度處，孔隙水壓力在一年中的大部分時間都保持為負值。盡管2008年11月3日當天降雨量約為68mm，但孔隙水壓力僅維持在0kPa左右，并沒有遠大于此。枯水期孔隙水壓力降低的速率(自2008年11月8日起)隨著孔隙水壓力的降低而變大。在測量過程中，測斜儀的讀數未顯示任何明顯的坡度移動。這一觀測結果與引起邊坡穩定性的土體孔隙水負壓力是一致的。

圖2 孔隙水壓力與日降雨量的變化

3 剪切行為和持水特性

3.1 飽和剪切特性

對直徑約63mm的飽和和非飽和原狀試樣進行了一系列多級和單級直剪試驗，研究其剪切特性。采用常規直剪箱確定了在16、32、64kPa三種正應力條件下進行的慢固結排水多級剪切試驗的有效強度參數(有效黏聚力截距和有效抗剪角)。測試的樣本取自地表及0.3、0.7、0.8、1m深度的農業區域。由于膠結作用，1m深度的土壤具有最高的有效黏聚力截距，這是結構性土壤或完全風化巖石的預期特征。

3.2 非飽和剪切特性

非飽和試樣的吸力監測直剪試驗在恒定法向應力16kPa下進行。該法向應力值對應的土層厚度為0.8～1m，即為預期破壞面。使用的儀器是傳統的直剪箱，為了使張力計可以通過頂帽插入并監測剪切過程中的土壤吸力而進行了改造，如圖3所示。所有剪切試驗均在恒定含水率條件下進行，剪切速率為0.05mm/min，測試結果如圖4所示。

圖3 吸力監測的直剪箱

圖4 0.7m深度試樣在不同吸力條件下的剪切特性

根據圖4可知，吸力越大，試樣的強度越高，膨脹越劇烈。剪切初期，土體體積和吸力略有減小。當試樣開始膨脹并達到峰值強度時，吸力也隨之增大。零吸試樣的測試采用了多級方式，因此對于水平位移較大的試樣，沒有得到任何結果。圖5為0.7m深度處試樣的抗剪強度和吸力變化情況。非飽和抗剪強度擬合公式為：

圖5 試樣在0.7m深度處的剪切強度與吸力的變化

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中，c′—有效黏聚力截距；σ—法向總應力；ua—孔隙氣壓力，對于大氣壓下進行的直剪試驗，ua=0；uw—孔隙水壓力；φ′—有效抗剪角；φb—相對于吸力的抗剪角。表2總結了所有的抗剪強度參數。抗剪強度與吸力之間的變化似乎是非線性的。

表2 剪切強度參數

3.3 土水特征曲線

使用微型張力計和相對濕度傳感器進行了吸力測試。測試過程包括逐漸濕潤和干燥樣品，同時測量每個階段的吸力、重量和尺寸。在潤濕過程中，當土吸力低于1kPa時，將試樣浸入標稱豎向覆蓋層應力1kPa的水中浸泡至少5d。圖6所示的吸力為0.1kPa時的含水率值，實際上是任意選取的，用來表示在對數吸力圖中浸泡樣品的含水率。利用Jotisankasa和Mairaing的簡化方法確定土水特征曲線(式(2))，該土壤水分保持曲線也被用于預測破壞包絡線：

(2)

圖6 土水特征曲線

式中，s—飽和體積含水率；θ33—33kPa吸力或名義田間持水量下的體積含水率。結合上文中圖5可知，當吸力小于30kPa時，Jotisankasa和Mairaing的簡化方法能夠較好地預測抗剪強度下界。然而，這種方法適用于預測只有土壤田間持水量而不是完整的土水特征曲線的非常大的地區的近似非飽和抗剪強度。

3.4 干濕循環的影響

為了明確材料的預期可降解性能，對1m深處的試樣進行了一系列不同干濕循環次數的剪切試驗。對于每個循環，樣品先在水中浸泡幾天，然后在105℃下烘干1d。這代表土壤在田間可以經歷的溫度和水分含量變化的極端情況。值得注意的是，零干濕交替下場地1m深度處的土體表現為結構性土，表現出一定的有效黏聚力。經過5次干濕循環后試樣的有效黏聚力經結構破壞降低至近0(圖7)。隨著循環次數的增加，失效包絡線仍保持相對不變。試樣在不超過5次循環后，已經劣化到幾乎所有的膠結結構都已經被破壞的程度。

圖7 干燥/濕潤循環對失效包絡的影響

4 對邊坡穩定性的影響

為了將所有這些觀察到的行為放在邊坡穩定的背景下，進行了一些簡單的考慮飽和/非飽和抗剪強度的無限邊坡分析。采用式(3)計算飽和和非飽和情況下的安全系數F：

(3)

式中，當uw>0時，φ″=φ′；當uw=0時，φ″=φb。對破壞深度z=0.5和1m，邊坡坡度β=25、45和60°的假想邊坡進行分析。這些斜坡代表了地區遭受滑坡影響的典型地形范圍。對于吸力在0～20kPa范圍內的所有材料，假定φb=27.7度的定值。然后繪制安全系數與孔隙水壓力之間的變化曲線，以找出不同情況下的觸發孔隙水壓力。對于干濕循環次數的影響(圖8)，對于吸力幾乎為0的陡坡(β=60°)，只有5次或更少的極端干濕循環可能會引起邊坡的一些失穩。因此，土體吸力對坡度大于60°左右的劣化邊坡(結構破壞/膠結破壞)具有重要的穩定作用。

圖8 不同干濕循環下邊坡安全系數與孔隙水壓力的變化規律

5 結語

土體的抗剪強度隨著深度的增加而增加，其中1m深度處的土體由于其膠結作用而具有最高的有效黏聚力截距。然而，這種黏聚力可以通過幾次極端的干濕循環而被破壞。抗剪強度與吸力之間的變化似乎是非線性的。簡單無限邊坡分析結果表明，材料劣化和孔隙水壓力增大會導致土體邊坡失穩，土體吸力對坡度大于60°的劣化邊坡具有重要的穩定作用。研究結果可為多雨區工程開發設計提供理論參考價值，本研究只考慮了土體干濕循環對邊坡穩定的影響，在實際工程案例中，邊坡的失穩往往是多種因素共同作用的結果，后續的研究可根據工程實際案例考慮多因素共同作用來分析邊坡穩定性。