降雨條件下黃土填方邊坡促滑機(jī)理研究

摘" 要：為了解降雨條件下黃土路基填方邊坡的促滑機(jī)理，以G310號公路路基填方邊坡為研究對象進(jìn)行降雨數(shù)值模擬，分析孔邊坡內(nèi)部隙水壓力、有效飽和度和位移等參數(shù)的響應(yīng)情況，隨著時間的增加，在降雨初期邊坡的安全系數(shù)變化較慢，隨著降雨的不斷入滲，安全系數(shù)不斷減小，8～24 h安全系數(shù)變化較大，減小趨勢顯著，隨后變化不大。促滑機(jī)理概括為降雨過程黃土填方邊坡強(qiáng)度劣化，加之降雨坡頂、坡腳積水，后緣坡體率先產(chǎn)生沉降變形，坡腳土體吸力逐漸喪失隨后發(fā)生濕剪破壞，進(jìn)而坡體內(nèi)土體應(yīng)力調(diào)整，促使塑性區(qū)貫通，最終造成邊坡潰滑。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)度劣化；黃土路基；填方邊坡；安全系數(shù)；促滑機(jī)理

中圖分類號：TU444" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0099-04

Abstract： In order to understand the slide promoting mechanism of loess subgrade fill slope under rainfall condition， the numerical simulation of rainfall was carried out on the roadbed fill slope of Highway G310， and the responses of parameters such as pore water pressure， effective saturation and displacement were analyzed. with the increase of time， the safety factor of the slope changes slowly at the initial stage of rainfall， and decreases continuously with the continuous infiltration of rainfall， and changes greatly during 8～24 hours. The decreasing trend is significant， and then it does not change much. The sliding promotion mechanism is summarized as follows： The strength of loess fill slope deteriorates in the process of rainfall， coupled with the accumulation of water at the top and foot of the slope， the back edge of the slope first produces settlement and deformation， and the suction of the soil at the foot of the slope is gradually lost， followed by wet shear failure， so that the stress of the soil in the slope is adjusted to promote the penetration of the plastic zone， thus resulting in the collapse of the slope.

Keywords： strength deterioration; loess roadbed; fill slope; safety factor; slip promotion mechanism

黃土的形成需要經(jīng)過漫長的地質(zhì)時期，不同區(qū)域的黃土所呈現(xiàn)的物理特性也有所不同，這些性質(zhì)常常跟所處環(huán)境有很大關(guān)聯(lián)，一般情況下，黃土顆粒較粗，孔徑大，顏色呈現(xiàn)黃褐色或黃色。黃土的力學(xué)性質(zhì)會隨著含水量的不同而呈現(xiàn)較大變化，容易形成垂直節(jié)理。大多數(shù)黃土分布區(qū)域降雨稀少，植被覆蓋率低，生態(tài)脆弱，環(huán)境彈性水平較差，恢復(fù)力穩(wěn)定性較差。由于早期過度地追求經(jīng)濟(jì)利益，忽視了環(huán)境的保護(hù)，自然資源和土地資源沒有得到合理的利用，加之區(qū)域降雨集中，使得這些區(qū)域的水土流失嚴(yán)重。邊坡垮塌松動、泥石流是這些區(qū)域常見的自然災(zāi)害。黃土邊坡失穩(wěn)并不是由單一因素所引起的，而是多種因素的復(fù)合。降雨入滲、地震破壞、巖土體的風(fēng)化及人類建筑開挖等都是黃土邊坡失穩(wěn)破壞的常見因素。高填方邊坡的破壞機(jī)制復(fù)雜，由于降雨條件下高填方邊坡穩(wěn)定性的研究不夠充分，填方邊坡事故時有發(fā)生，因此必須對降雨條件下高填方邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1" 黃土高填方邊坡工程概況

三門峽路基施工段起始樁號K134+300，位于靈寶市西閻鄉(xiāng)，途徑陽平鎮(zhèn)、故縣鎮(zhèn)；終止樁號K173+193.032，位于豫靈鎮(zhèn)豫陜交界，全長38.893 km，其中橋梁工程總長4 639.02 m，道路總長約34.2 km。三門峽市總體地勢東南高，西北低，形成了以黃土丘陵和河谷平原為主的地貌類型道路沿線地形起伏，溝壑縱橫，地形地貌主要分為3種類型：黃土臺地丘陵-黃土梁、黃土臺地丘陵-黃土塬、河谷平原。上段主要為黃河沖洪堆積的新生代第四系土層，以地質(zhì)繪制及勘探為依據(jù)，在勘探深度內(nèi)，沿線地層巖性上部為第四系全新統(tǒng)（Q3al+pl）地層，巖性以粉土、粉質(zhì)黏土為主，填方土體的基本物理力學(xué)指標(biāo)和顆粒級配曲線，如表1和圖1所示。通過對試驗結(jié)果的分析，得出了該區(qū)黃土樣的非均質(zhì)系數(shù)和曲率系數(shù)分別為12.43和2.57的結(jié)論，認(rèn)為該區(qū)黃土級配良好。

取典型斷面ZK119+719.702，如圖2—圖3所示，本段高填路基長178 m，最大填高30.9 m。該段路堤采用素土填筑，路堤施工前先清除植物根土層并夯實至規(guī)范規(guī)定的基底壓實度，個別段落地表斜坡度陡于1∶5，原地面挖臺階，臺階寬度不小于2.0 m，路堤填料采用符合規(guī)范要求的挖方土方作為填料。路提分層鋪筑均勻壓實，下路堤層厚不得大于40 cm，其料最小強(qiáng)度（CBR）為3%。

2" 高填方坡體模型的建立及參數(shù)的選取

本模型范圍內(nèi)，原始坡體主要為Q3al+pl，回填土體為素土Q3ml，路堤施工前先清除植物根土層并夯實至規(guī)范規(guī)定的基底壓實度，但由于分層壓實，各層的性質(zhì)隨著壓實度的不同而不同，這在模擬中適當(dāng)考慮，邊坡地下水位為2 m，利用Comsol軟件建立二維地質(zhì)模型（圖4），采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，根據(jù)Comsol的滲流模塊對黃土填方邊坡降雨過程中的變形特征進(jìn)行模擬，對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價和促滑機(jī)理分析，數(shù)值計算模擬中各介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)（表2）。

3" 降雨條件下填方邊坡響應(yīng)的影響因素分析

降雨條件下填方邊坡響應(yīng)的影響因素分析是一個復(fù)雜的問題，其中影響因素有很多，比如土體孔隙結(jié)構(gòu)和尺寸的變化、低頻振動造成的地下水位線升高、坡體基質(zhì)吸力的衰減和抗剪強(qiáng)度的降低等。研究表明，降雨對土體孔隙結(jié)構(gòu)和尺寸的影響直接弱化了土體的黏聚力和動力特性，二者耦合作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低幅度達(dá)到20%以上。

此外，干濕交替作用下非飽和土持水性能變化從而對邊坡的土壤含水量產(chǎn)生影響，進(jìn)而對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。取降雨荷載0.01 m/h，持時2 d，降雨強(qiáng)度越大，土壤的保水性越弱，對粉土邊坡的滲透及穩(wěn)定性越不利；在降雨強(qiáng)度小時，土壤保水性的衰減對黏性邊坡滲透及穩(wěn)定有重要影響。

4" 降雨后填方邊坡促滑機(jī)理分析

圖5—圖7分別為24 h、48 h時邊坡總位移、有效飽和度和孔壓的模擬效果，可以看出降雨初始階段，階梯形邊坡后緣變形較大，降雨持時越長變形量越大，降雨間隔期間變形仍在繼續(xù)，即邊坡的變形呈現(xiàn)出滯后和積累效應(yīng)。受入滲影響邊坡表層3 m左右的土層飽和度有較明顯變化，可認(rèn)為降雨引起的干濕交替只會對坡面表土產(chǎn)生一定的影響。降雨過程中結(jié)合壓實黃土干濕循環(huán)強(qiáng)度劣化模型，通過不同降雨時刻下的強(qiáng)度折減法邊坡安全穩(wěn)定性分析可得出降雨時間對應(yīng)的安全穩(wěn)定性系數(shù)。如圖8所示，隨著時間的增加，在降雨初期邊坡的安全系數(shù)變化較慢，隨著降雨的不斷入滲，安全系數(shù)不斷減小，8～24 h安全系數(shù)變化較大，減小趨勢顯著，隨后變化不大。當(dāng)48 h降雨后，坡體缺少土體供給以及水分蒸發(fā)流失，安全系數(shù)短時間內(nèi)降低后有緩慢增大的趨勢。

如圖7所示，同一剖面不同深度下的孔壓響應(yīng)情況，可以看出持續(xù)降雨導(dǎo)致斜坡內(nèi)部的孔隙水壓力不斷升高，隨后，降雨停止孔隙水壓力緩慢消散。分析不同深度處的孔隙水壓力變化，填方邊坡淺層位置孔壓響應(yīng)時間較快，并且增速也較快。待降雨停止后，淺層區(qū)域較其他區(qū)域孔壓率先變小，而較深處的位置會有一定幅度的增大。這是由于重力作用即使降雨停止也會有部分孔隙水向下部滲流擴(kuò)散，孔壓隨之降低。

綜上，填方邊坡降雨入滲時，雨水在相對平坦的邊坡頂部率先積水而使土體強(qiáng)度劣化并形成較大變形，導(dǎo)致坡頂處的張拉屈服，使得土體破壞，隨著降雨滲透裂縫逐漸增多；入滲深度增加過程中入滲速率會逐漸減小，雨強(qiáng)大于入滲速率，坡體表面逐漸積水從而在地面形成地表徑流，雨水在重力作用下向坡腳匯集，坡腳處土體很快飽和，土體吸力極速下降，從而引起有效應(yīng)力下降進(jìn)而引發(fā)其抗剪強(qiáng)度降低直至發(fā)生破壞（圖9）。隨著持續(xù)的降雨入滲土體的含水量逐漸增加并向下延伸，受滲透作用深度的限制，越深的土體孔隙水壓力的變化越小，有效應(yīng)力的損失也越??；坡腳處的破裂會引起周邊土的拉伸應(yīng)力，從而使周邊土的強(qiáng)度下降，使得周圍土體強(qiáng)度降低臨近破壞閾值。最終，由于拉伸塑性區(qū)向下延伸，而坡腳剪切塑性區(qū)向上延伸，其塑性區(qū)貫通，坡體產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

5" 結(jié)束語

本文通過對降雨條件下的黃土填方邊坡促滑機(jī)理研究，可得出如下主要結(jié)論：

1）對于同一個剖面而言，可以發(fā)現(xiàn)越靠近表層的孔隙水壓力變化程度越大。邊坡上部區(qū)域的孔隙水壓力會隨著雨水的入滲而發(fā)生顯著變化，邊坡中部區(qū)域的孔隙水壓力變化幅度次之，邊坡坡腳處的孔隙水壓力變化幅度最大，降雨使邊坡表層最先達(dá)到飽和，而降雨后雨水繼續(xù)下滲邊坡表層飽和度變化不大。

2）降雨作用對填方邊坡的促滑機(jī)理概括為，干濕循環(huán)過程黃土填方邊坡強(qiáng)度劣化，加之降雨坡頂、坡腳積水，后緣坡體率先沉降變形，坡腳土體吸力逐漸喪失，繼而發(fā)生濕性剪切破壞，坡內(nèi)土體應(yīng)力對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，促使塑性區(qū)貫通，最終造成邊坡潰滑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張碩，裴向軍，黃潤秋，等.降雨誘發(fā)黃土高填方支擋邊坡失穩(wěn)機(jī)理研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2017，25（4）：1094-1104.

[2] 王飛，李國玉，穆彥虎，等.干濕循環(huán)條件下壓實黃土變形特性試驗研究[J].巖土力學(xué)，2016，37（8）：2306-2312.

[3] 劉宏泰，張愛軍，段濤，等.干濕循環(huán)對重塑黃土強(qiáng)度和滲透性的影響[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報，2010（4）：38-41.

[4] 胡長明，袁一力，王雪艷，等.干濕循環(huán)作用下壓實黃土強(qiáng)度劣化模型試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2018，37（12）：2804-2817.

[5] 鄧華鋒，肖瑤，方景成，等.干濕循環(huán)作用下岸坡消落帶土體抗剪強(qiáng)度劣化規(guī)律及其對岸坡穩(wěn)定性影響研究[J].巖土力學(xué)，2017，38（9）：2629-2638.

[6] 王鐵行，郝延周，汪朝，等.干濕循環(huán)作用下壓實黃土動強(qiáng)度性質(zhì)試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2020，39（6）：1242-1251.

[7] 周春梅，王宇，呂雷，等.雨滴濺蝕下壓實黃土變形破壞規(guī)律研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2018，45（6）：93-98.

[8] 張碩，裴向軍，黃潤秋，等.黃土填方邊坡降雨入滲特征及變形破壞模式的模型試驗[J].中國公路學(xué)報，2019，32（9）：32-50.

[9] 張碩.黃土高填方邊坡破壞機(jī)理與預(yù)警模型研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2020.

[10] 陳林萬，裴向軍，張曉超，等.不同壓實度下黃土填方邊坡失穩(wěn)的模型試驗研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2022，49（2）：137-147.