考慮滲透作用的黏性土坡失穩機理研究

【摘 要】以陜西省漢中市秦巴山區某黏土邊坡為研究對象，在改變黏土的干密度和含水率的條件下進行直剪試驗和滲透試驗，測定其黏聚力、內摩擦角和滲透系數等力學指標。采用固結試驗求得在不同大小的壓力作用下不同密度的黏土壓縮變形量的變化規律。采用數值模擬軟件Geo-studio對于不同干密度下的坡體進行分析。研究結果表明：黏土干密度越大抗剪強度越強，抗剪強度隨含水率的增加先變大后變小，滲透系數和孔隙比均隨干密度的增加而減小，壓縮曲線隨固結壓力的增大而減小。分析模擬結果得出結論，土體干密度越小，其安全系數就越小，邊坡失穩的可能性增大。

【關鍵詞】抗剪強度； 滲透作用； 壓縮曲線； 邊坡穩定性

【中圖分類號】P642.22【文獻標志碼】A

［定稿日期］2022-12-02

［基金項目］大學生創新創業計劃項目（項目編號：S202210720001，2022-TJDC-04）

［作者簡介］張宇航（2001—），男， 本科，研究方向為巖土工程。

［通信作者］郭鴻（1984—），男， 博士，副教授，研究方向為顆粒物質力學、巖土工程理論及數值模擬。

0 引言

長時間持續降雨是引起黏性邊坡失穩破壞的主要因素之一。正常情況下，黏土常常處于硬塑狀態，此狀態下土體中的顆粒之間存在較大的黏聚力，使黏性土坡處于穩定狀態，具有較高的抗剪強度。當雨季來臨時，大量的雨水入滲使邊坡土體飽和度增加，黏土顆粒之間的黏聚力會逐漸降低，土體由原來的硬塑狀態向流塑狀態發生改變，使土體抗剪強度下降，從而導致邊坡失穩，出現滑坡災害現象［1］。降雨入滲是一個隨時間和空間變化的動態過程，由于巖土介質的復雜性，土中存在孔隙，隨著降雨的發生，便形成了復雜的滲流場［2］。降雨入滲過程實際上是水分從地表非飽和區向坡體內飽和區的流動過程。降雨入滲就是一個流量邊界，但入滲流量并不是一直未變，而是在滲流模擬計算中須根據地表含水率變化而不斷調整入滲流量，從而實現降雨入滲的模擬分析［3］。

目前國內外一些專家學者分別從土體滲透性和抗剪強度、飽和-非飽和土體滲透理論、降雨強度和有限元數理計算等方面對該問題進行了相應的研究。孫永帥［4］進行了降雨對邊坡穩定性的模型研究。張棟等［5］進行了在飽和-非飽和土體滲透理論基礎上，降雨滲入對公路邊坡穩定的影響。姚云琦等［6］使用Comsol Multiphysics對降雨條件下優勢入滲做數值求解，利用無限邊坡模型計算邊坡安全系數，并應用改進Cholesky分解法生成空間相關隨機場，使用蒙特卡洛方法分析降雨過程中邊坡的可靠度。Shi-guo Ma等［7］采用格林和安培滲透模型研究了強降雨對無窮梯田邊坡滲透過程。Won Taek Oh和Sai K. Vanapalli［8］通過使用常規和改良的三軸剪切裝置進行雨水滲透對壓實土坡穩定性的影響。王凱等［9］采用MIDAS GTS NX有限元軟件研究了降雨入滲對隧道邊坡塑性區、整體位移及安全系數的影響，并根據數值分析結果探討了不同支護措施的加固效果。然而，目前對滲流作用下漢中地區黏性土邊坡的穩定性研究成果還非常有限，需要進一步研究。

本文采用滲透和抗剪強度試驗，模擬在不同降雨條件下邊坡的穩性性，對研究漢中地區的黏性土坡穩定具有重要的理論和工程意義。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗取得陜西省漢中市秦巴山區某黏土邊坡覆蓋層，土體主要以黃褐色黏土為主，天然黏土顆粒粒徑分布主要為 2～5 mm。試樣制備時，將黏土自然風干，碾碎，過2 mm篩，測出土體的部分物理指標，如表1。

1.2 試驗方法

對于剪切試驗，本文所采用的儀器為南京土壤儀器廠有限公司生產的 ZJ 型應變控制式直剪儀。用壓樣法制備5組含水率分別為12%、15%、18%、21%、24%的黏土試樣。每組做3個試樣，3個試樣各項性質相同，分別在不同的垂直壓力（100 kPa、200 kPa、300 kPa）作用下施加水平剪，然后根據抗剪強度公式見式（1）。

τ=C+σtanφ（1）

得到τf、φ、C。式中：C為土的黏聚力，φ為土的內摩擦角。

滲透試驗采用TST-55型土壤滲透儀，所有試樣均采用浸水抽氣飽和法后進行滲透試驗。

固結試驗采用WG型單杠桿固結儀，使用壓樣法進行制樣，共5個試樣，含水率取最優含水率16%，固結壓力P設置為12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、800 kPa。

3個試驗所用的試樣直徑均為61.8 mm，高度20 mm，壓實度取值分別為86%、89%、92%、95%和98%。

2 試驗結果

2.1 直剪試驗結果分析

通過處理實驗數據，計算出在不同壓實度情況時黏土的內摩擦角和黏聚力，如圖1所示。可以看出，黏土壓實度與抗剪強度指標大致呈線性函數關系，表現為黏聚力和內摩擦角均隨干密度的增大而增大。

黏土強度指標與含水率的關系，見圖2?？梢钥闯觯馏w在相同的干密度條件下，隨含水率的增大，黏聚力呈現出持續減小的規律，內摩擦角呈現先增大后減小的規律，與文獻［10］中含水率對紅黏土黏聚力與內摩擦角的影響分析研究結果一致。當含水率增大時，黏土的飽和度隨之增大，土體顆粒間的孔隙被水填滿，孔隙水壓力增大，基質吸力減小土粒之間的相互吸引力變小，所以導致紅黏土的粘聚力下降。在含水率較低時，土體中的微小顆粒在土顆粒的由于土顆粒的膠結作用形成團粒結構，團粒結構具有一定的水穩性，在一定的含水率范圍內，內摩擦角隨著含水率的增大緩慢增加；但當含水率繼續增加時，土體的飽和度增加，土顆粒之間的孔隙在水的作用下逐漸增大，團粒與團粒之間的膠結作用降低，表現出內摩擦角減小的趨勢。

進一步分析可知，黏土試樣在相同干密度的條件下，黏聚力和內摩擦角均對含水率多少變化明顯，黏聚力相比于內摩擦角變化幅度更大，說明該黏土的抗剪強度主要是由黏聚力來控制的。

2.2 滲透試驗結果分析

黏土在相同條件下滲透系數K隨干密度變化的曲線由圖3所示?？梢钥闯?，黏土的滲透系數隨壓實度的增大而減小，說明壓實度相對較大的土體，其滲透能力越弱。

2.3 固結試驗結果及分析

根據公式可得試樣在固結過程中的孔隙比、壓縮系數和壓縮模量等變形參數。從固結試驗得到了反應孔隙比與固結壓力之間的關系曲線，如圖4所示。

可以看出，干密度小的土體在較小的固結壓縮階段，內部的孔隙占比較多，孔隙體積被壓縮導致土體產生變形。在壓縮初期，在較小的荷載壓力變化下土樣會產生較大的孔隙比變化量和位移變化量，隨著荷載壓力的變大，孔隙比變化量與位移變化量減小。在壓縮中期，孔隙水的比例變大，在壓力荷載下試樣優先排出其水分，孔隙體積被進一步壓縮導致土體產生更大的變形。當固結穩定后，由于孔隙體積是土體產生變形的主要原因，此時土體所受到的應力主要由土骨架承擔。所以在荷載壓力增大到一定值時，壓縮曲線的斜率將會逐漸趨于平緩。

3 邊坡案例分析

3.1 模型的建立

根據試驗結果建立二維黏性土邊坡模型［11-12］，并依據不同干密度取得不同內摩擦角和黏聚力，作為數值模擬參數（表2）。

本文基于Geostudio模擬軟件［13-14］，建立邊坡模型。，坡高為18 m，壓實度分別為98%，95%，92%，89%，86%，模型選擇采用Morgenstern-Price（莫根施特恩-普瑞斯）法，如圖5所示。

3.2 計算結果分析

不同密度下安全系數趨勢變化如圖6所示，由圖可知安全系數與壓實度呈線性變化。壓實度越大，其安全系數越大，穩定性也更高。這給工程的啟示是要嚴格控制壓實度。

4 結論

（1）在相同的含水率條件下，黏土的抗剪強度隨著密度的增大而增大，內摩擦角和黏聚力均增大，但內摩擦角的增長趨勢相對較??；在相同的密度條件下，黏土的抗剪強度隨著含水率的增加先增大后減小，在含水率達到最優含水率16%時，其抗剪強度最高。黏聚力呈降低趨勢，內摩擦角呈先增大后減小的趨勢，其中黏聚力變化幅度更大，得出黏土的抗剪強度主要由黏聚力來控制。

（2）在相同密度條件下，不同初始含水率的土樣壓縮曲線差異較小，但隨著固結壓力的增加，孔隙比均呈減小趨勢?？紫扼w積是土體產生壓縮的主要原因，在孔隙較大時，土體壓縮優先壓縮孔隙。當孔隙水的比例增大至某一值時，土體壓縮會優先排出水分。最終土體穩定時，荷載壓力均由土骨架自身承擔。

（3）數值模擬結果表明，壓實度對邊坡安全系數影響幾乎呈線性關系，說明修筑黏土構筑物的時候要嚴格控制壓實度。

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