降雨入渗条件下下蜀土边坡稳定性分析

刘顺青，蔡宇宸，程涛，周萍，王旭畅

1.江苏科技大学土木工程与建筑学院，镇江 212100；2.安徽省公路桥梁工程有限公司，合肥 230031；3.江苏省地质环境灾害防治及修复工程研究中心，镇江 212100)

下蜀土又称下蜀组粉质黏土，形成于中、晚更新世，在长江中下游区域分布较广，宁镇山脉一带的岗地低山、河流阶地以及长江三角洲平原、东海大陆架等均有分布，其中江苏南京、镇江一带最为发育[1]。下蜀土在天然状态下多呈现黄褐色，强度较高[2]，其所含黏土矿物通常以伊利石为主[3-4],具有遇水膨胀、失水收缩等特性[5-6]，一般为弱膨胀性土[7]。

每年的雨季，镇江是江苏省内滑坡发生最频繁的地区之一，严重影响了滑坡周边居民、工厂职工及游客的生命、财产安全，这与镇江地区广泛分布的下蜀土边坡密切相关。阎长虹等[8]通过对镇江地区300多个边坡进行详细的现场环境地质调查，结合收集的气象资料，得到了镇江地区的滑坡频度与年降雨量的关系，如图1所示。从上述的数据资料可知，导致镇江地区产生下蜀土滑坡的最主要外部因素为降雨。

图1 镇江滑坡频度与年降雨量的关系[8]

近年来，国内有些学者开展了下蜀土边坡方面的相关研究，如瞿婧晶等[9]通过粗糙集属性约简理论及SII指数的计算方法，建立了镇江下蜀土边坡稳定性的综合评价方法；王威等[10]采用有限元极限分析法分析了大气影响层含水率变化对下蜀土边坡稳定性的变化影响规律；孙少锐等[11]基于颗粒流方法分析研究了南京挹江门街道下蜀土滑坡变形破坏及滑动全过程；刘宝生等[12]采用现场调查、室内试验及理论分析等手段对两个典型下蜀土滑坡的成因机制进行了分析。

从上述的分析可知，目前为止针对下蜀土边坡的研究主要集中在具体案例的稳定性评价及治理方面，而在实际降雨入渗条件下下蜀土边坡稳定性规律如何目前还缺少系统研究。本文以镇江宝盖山下蜀土边坡为研究对象，根据自动化监测获得的降雨入渗下的含水率变化数据，开展了降雨入渗条件下下蜀土抗剪强度演化规律的试验研究，并以此为基础，采用有限元强度折减法分析了下蜀土边坡在降雨入渗条件下的稳定性变化规律。研究结果可为下蜀土边坡的防护治理提供理论依据，具有实际工程意义。

1 降雨入渗条件下下蜀土含水率的现场测试

降雨入渗后会导致下蜀土边坡坡体表面一定深度处的含水率增加，通过埋设土壤湿度一体化传感器,如图2所示，可监测实际降雨入渗条件下宝盖山边坡下蜀土的含水率变化范围，图3为土壤湿度一体化传感器现场埋设照片。分别在宝盖山边坡的坡顶、坡中及坡脚一定深度处埋设土壤湿度一体化传感器，宝盖山边坡剖面中的含水率传感器的埋设情况如图4所示。图4中，含水率传感器1-1～1-5的埋深分别为0.1 m、0.5 m、1.0 m、2.0 m及3.0 m；含水率传感器2-1～2-5的埋深分别为1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m及5.0 m；含水率传感器3-1～3-5的埋深分别为0.1 m、0.5 m、1.0 m、2.0 m及3.0 m。

图2 土壤湿度一体化传感器

图3 土壤湿度一体化传感器现场安装图

图4 宝盖山边坡剖面中土壤湿度传感器的埋设位置

将各个土壤湿度一体化传感器接入到远程数据传输系统中，得到了宝盖山边坡剖面中各土壤湿度传感器中的数据图，如图5所示。通过现场埋设雨量计可监测宝盖山边坡的降雨强度范围，分析监测数据可知，该降雨强度范围为0～39.2 mm/h。前期探槽法埋设好土壤湿度传感器后需回填下蜀土，回填时表层一定深度处有虚土，导致开始一段时间内表层1 m深度范围内的含水率测试数据偏大。去除这一影响后，通过分析图5中不同位置处的含水率数据可知，宝盖山边坡不同深度处的下蜀土含水率在14%～30%变化。另一方面，根据含水率变化曲线，坡顶位置0.1 m、0.5 m、1.0 m处的含水率随着时间变化而变化较大，而2.0 m及3.0 m 处的含水率随着时间变化基本未发生变化，因此可认为宝盖山边坡坡顶处的最大降雨影响深度为2 m。同理，可分析得到宝盖山边坡坡中及坡脚处的最大降雨影响深度分别为3 m和2 m。

图5 宝盖山边坡剖面中不同位置处的含水率变化曲线

2 试验土料及测试方法

2.1 试验土料的基本特征

试验所用土样取自镇江宝盖山边坡2.0～3.0 m深度处。将所取土样进行风干处理，待土样含水率稳定后测定其风干含水率，之后碾碎过2 mm筛封存备用。取部分土样进行基本物理力学性质试验，试验结果分别如表1、2所示。

由表1可知宝盖山土样的塑性指数分别为16.6及16.7，结合表1、表2及《膨胀土地区建筑技术规范》(GB 50112-2013)[13]，判断本次试验所用宝盖山边坡的下蜀土为弱膨胀性粉质黏土。

表1 下蜀土的基本物理参数

表2 下蜀土的颗粒组成

2.2 试样制备及剪切

宝盖山边坡的下蜀土制样干密度按现场实际情况取1.65 g/cm3，制样含水率变化范围取现场监测所得的14%～30%，试验时分别取含水率为14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%、28%、30%，每组制备4个样，共制备试样9组。

将制备好的下蜀土试样装入剪切盒，采用0.6 mm/min的剪切速度进行剪切，施加的竖向压力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。整个试验严格按照《土工试验方法标准》[14]的要求进行。

3 试验结果分析

3.1 抗剪强度特性分析

图6为不同含水率下宝盖山边坡下蜀土的抗剪强度包线。从图中可以看出，宝盖山边坡下蜀土的抗剪强度具有显著的水敏感性，含水率越大则相应的抗剪强度越小。同时也可看出随着含水率的增加，宝盖山边坡下蜀土抗剪强度的减小具有显著的阶段性，先大幅减小再小幅减小，出现抗剪强度变化趋势不一致的拐点含水率为22%。

3.2 含水率对宝盖山下蜀土黏聚力的影响

图7为宝盖山边坡下蜀土的黏聚力与含水率的关系曲线。从图7可以看出，当宝盖山边坡的下蜀土含水率在14%～30%变化时，其黏聚力在61.0～13.6 kPa变化。宝盖山边坡下蜀土的黏聚力随着含水率的增加先小幅减小，而后急剧减小，最后再小幅减小并最终保持稳定。

图7 宝盖山边坡下蜀土的黏聚力与含水率的关系曲线

产生上述现象的原因如下：土粒间的相互吸引、水膜联结与颗粒间的胶结作用为土体黏聚力的3个主要来源[15-16]。当下蜀土的含水率达到其塑限前，因土颗粒间存在基质吸力，所以此时黏聚力随着含水率的增加小幅减小。随着含水率的进一步增大，土颗粒之间的弱结合水膜增厚，粒间距离变大，进而导致联结力减弱，到土体饱和时则联结作用完全消失。颗粒间的胶结物只有当下蜀土中的自由水增加到某个数值后才开始被溶蚀，此时的胶结作用才不断丧失。 所以当下蜀土的含水率达到某一值时，其黏聚力会明显下降；当土体饱和后，黏聚力则已相对稳定。

3.3 含水率对宝盖山下蜀土内摩擦角的影响

图8为宝盖山边坡下蜀土内摩擦角与含水率的关系曲线。从图8可以看出，当宝盖山边坡的下蜀土含水率在14%～30%变化时，其内摩擦角在26.5°～5.4°变化。宝盖山边坡下蜀土的内摩擦角随着含水率的增加先急剧减小，再小幅减小并最终保持稳定。

图8 下蜀土的内摩擦角与含水率的关系曲线

土体的内摩擦角与其颗粒结构、大小形状及密实度紧密相关[17]。宝盖山边坡下蜀土具有失水收缩及吸水后的弱膨胀特性，含水率的增大会导致下蜀土的颗粒结构、大小及密实度发生变化，进而导致其内摩擦角的减小。另一方面，从非饱和的角度考虑，随着含水率的增大，土颗粒间的表面张力逐渐消失，导致土颗粒间的挤压作用也逐渐消失，相应的土颗粒间摩擦作用也就逐渐减小，直至消失[18]。

4 降雨入渗后下蜀土边坡稳定性分析

4.1 计算模型的建立

通过现场勘查，确定了宝盖山边坡某剖面的几何参数。稳定性计算采用有限元分析软件Midas GTS NX，宝盖山边坡的有限元计算模型如图9所示，其中最大降雨入渗深度范围线由不同位置处的含水率监测结果得到。从计算模型中可知，宝盖山边坡坡体由3层土构成，分别为杂填土、下蜀土1和下蜀土2。其中下蜀土1、下蜀土2分别被最大降雨入渗深度范围线分割为下蜀土1、下蜀土1-1以及下蜀土2、下蜀土2-1。

图9 宝盖山边坡的有限元计算模型

4.2 本构模型与计算参数

本文宝盖山边坡稳定性计算时本构模型采用摩尔-库仑模型。通过现场取样及室内试验，获得了宝盖山边坡稳定性的计算参数如表3所示。现场取样时下蜀土1的含水率为16%，下蜀土1-1为降雨入渗深度的范围内，降雨入渗后下蜀土1-1土层含水率不断增大，通过选取相对应含水率下的抗剪强度参数进行下蜀土边坡的稳定性分析，这种分析方法间接反映了降雨入渗对下蜀土边坡稳定性的影响。下蜀土层2-1占整个下蜀土层2的比例很小，稳定性分析时计算参数近似按照下蜀土层2考虑。

表3 宝盖山边坡稳定性的计算参数

4.3 计算结果分析

(1) 降雨入渗后下蜀土边坡的塑性应变云图

采用有限元强度折减法对降雨入渗后下蜀土边坡的稳定性进行了分析，得到了降雨入渗后各含水率下下蜀土边坡的塑性应变云图，限于文章篇幅，选取含水率为16%、20%、26%、30%下的塑性应变云图，如图10所示。从图10中可以看出，随着降雨入渗后下蜀土边坡含水率的增加，下蜀土抗剪强度逐渐减小，下蜀土边坡的滑动面略有增大，滑动面逐渐包含部分下蜀土层。

图10 降雨入渗后下蜀土边坡的塑性应变云图

(2) 降雨入渗后下蜀土边坡的安全系数

降雨入渗后下蜀土边坡的安全系数如图11所示。从图11中可以看出，随着降雨渗入下蜀土边坡之后，下蜀土边坡的含水率逐渐增大，下蜀土边坡的安全系数近似呈线性趋势减小，当入渗含水率从16%增大至30%时，下蜀土边坡的安全系数减小32.0%。可见，降雨入渗对下蜀土边坡的稳定性影响极大，实际工程中应务必做好下蜀土边坡的排水，从而防止滑坡的发生。

图11 降雨入渗后下蜀土边坡的安全系数

5 结论

(1) 通过土壤湿度传感器的自动化监测，测得降雨入渗后宝盖山边坡下蜀土的含水率变化范围分别为14%～30%。

(2) 随着含水率的增加，宝盖山边坡下蜀土抗剪强度的减小具有显著的阶段性，先大幅减小再小幅减小。

(3) 随着含水率的增加，宝盖山边坡下蜀土的黏聚力先小幅减小，而后急剧减小，最后再小幅减小并最终保持稳定；下蜀土的内摩擦角则为先急剧减小，再小幅减小并最终保持稳定。

(4) 随着降雨渗入下蜀土边坡后，下蜀土边坡的安全系数近似呈线性趋势减小。