黄土-泥岩二元结构边坡变形机理模型试验研究

李早阳，吴红刚

（中国铁路兰州局集团有限公司定西工务段，甘肃 定西 743000）

滑坡等地质灾害的存在，对于铁路、公路等线性工程的建设及运行有着极为不利的影响。对于黄土类滑坡前人做出了深入的研究，其中，吴玮江等[1]、李同录等[2]以及许领等[3]对于我国西北地区的黄土滑坡做出了详细的分类；对于黄土-泥岩滑坡的研究，WEN 等[4]、李媛等[5]以及石瑞红[6]通过开展模型试验、数值模拟等方式，揭露了滑坡的变形机理。蒋秀姿等[7]通过开展直剪蠕变试验等，对滑带土所具有的蠕变特性做出了研究。黄斌等[8]借助常规三轴固结排水试验，研究了滑带土的力学特性。田斌等[9]对滑带土的结构强度特征做出了研究与分析。倪卫达等[10]借助于饱和黄土液化理论与工程案例，对滑坡的启动机制做出了研究。孙萍等[11]通过开展环剪试验，对黄土滑坡的发生原因做出了论述。从当前的研究状况来看，对降雨引起的黄土-泥岩二元结构边坡缺乏研究，因此开展降雨条件下黄土-泥岩二元结构边坡的室内大型模型试验有着重要的意义。

1 工程概况

陇海线K1400+300-390 边坡位于天水市麦积区，滑坡全貌如图1 所示。

图1 边坡全貌

调查区分布地层岩性较为简单，主要以下古生界片麻岩、新近系泥岩和第四系黄土为主，陇海线K1400+300-390 路堑边坡滑坡地层岩性状况如图2所示。

图2 地层岩性状况

2 模型试验设计

2.1 试验装置

为了了解在受到降雨与坡体结构等因素的影响下，黄土-泥岩二元结构边坡的变形破坏过程与机理，本次试验所用的模型箱尺寸：长×宽×高=2 m×1 m×1.5 m。

2.2 传感器布设

通过在坡体内部布设土压力传感器、含水率传感器、应变传感器等，对比分析滑带对于黄土-泥岩二元结构滑坡变形破坏的影响。传感器布设图如图3 所示。

图3 传感器布设图

2.3 相似材料与相似比设计

本次模型试验工点现场位于天水市麦积区，以陇海线K1400+346～K1400+376 边坡为原型，依托工点坡体的纵向高度为110 m，鉴于模型箱尺寸高为1.5 m。此次模型试验选择几何相似比尺为CL=80。其他参数相似比见表1。

表1 试验相似比

根据实际工点情况，结合文献资料查阅与相似比要求，通过开展剪切试验，结合试验结果，基岩所用材料为水泥∶砂∶土∶水=36∶18∶21∶10，测得的c=129.82 kPa，φ=33.75°。软弱夹层所用材料为砂∶土∶滑石粉∶水=5∶40∶30∶10，测得的c=13.32 kPa，φ=22.41°，滑体所用材料为土∶水=45∶6，测得的c=12.84 kPa，φ=28.10°，上述参数满足相似比要求。

2.4 降雨工况设计

据气象资料统计，天水地区年最大日降水量为110.3 mm，试验时间内，通过调节降雨开关，使得累计降雨量达到110.3 mm。

2.5 模型填筑

模型填筑过程中，按照工点现场分层情况，进行分层填筑，每层填筑的厚度控制在10 cm 左右，每填筑完成一层进行压实，填筑完成的模型如图4 所示。

图4 填筑完成的模型箱

3 试验结果分析

3.1 试验现象分析

本次降雨过程从15：45 开始，从图5 中可以看出，随着降雨过程的不断进行，坡体表面变得湿润，到17：00，边坡模型侧面、正面并无明显现象。

图5 模型正面图

从图6 中可以看出，到18：30，在受到降雨作用与坡形等因素的影响下，裂缝不断发展，裂缝从坡脚位置到坡顶位置基本贯穿。同时，受降雨因素的影响，坡中位置右侧出现了小范围的坍塌与土体流失问题，边坡逐渐进入到加速滑动阶段；到19：00，从图中可以看出，坡体表面裂缝的宽度、长度明显增大，滑落的土体淤积在坡脚位置处。到19：30，坡中与坡顶位置处的裂缝宽度、深度与长度不断增大。到20：00，坡体表面基本轮廓保持不变。原有的一些细小裂缝逐渐愈合，被雨水冲刷的土体淤积在坡脚位置。

图6 模型箱正面图

3.2 含水率分析

本次试验中，主要在上部土体中布设含水率与土压力传感器。本次试验为对比试验，编号A，B，C，D……表征的是含有软弱夹层一侧的传感器编号，编号A'、B'、C'、D'……表征的是没有软弱夹层一侧的传感器编号。

现绘制含水率时程曲线如图7 所示，从图中可以看出：A、C、F 测点由于位于坡体最表层，因而在18：30之后，最先出现含水率上升的情况。A 测点含水率由原来的13%增大到26%，C 测点含水率由原来的10%增大到22%，F 测点含水率由原来的9%增大到16%，位于坡体表面的A、C、F 测点的含水率上升最快。

图7 含水率时程曲线

3.3 土压力分析

从图8 中可以看出：（1）E 测点、F 测点的土压力最先出现变化，从零逐渐增大，后不断减少。（2）整个变形过程可以大致分为3 个阶段：初始变形阶段，匀速变形阶段，加速变形阶段；A 测点土压力在18：30 之前没有发生变化，在此之后表现出先下降、后增大、再下降的趋势；C、E 测点的土压力均表现出下降的趋势，最终维持在恒定值。对于D 测点而言，土压力数值表现出增大的趋势。F 测点的土压力数值较为波动。

图8 土压力时程曲线

在不含软弱夹层一侧，所有测点的土压力几乎均为负。其中，A'测点、C'测点最先开始变化。在坡脚A'测点位置处，坡中C'测点位置处，随着降雨过程的持续进行，土压力数值逐渐增大，进入到加速变形阶段之后，表明破坏过程首先从坡脚位置开始。到18：30，A'测点土压力在出现短暂波动之后，土压力由原来的-0.1 kPa 增大为0.05 kPa，C'测点土压力由原来的0减小为-1.55 kPa，进入到加速滑动与剧滑动阶段，整个边坡的软弱夹层贯通，滑移距离增大，软弱夹层强度降低，阻滑力下降。

3.4 应变分析

3.4.1 坡中竖直断面

从图9 中可以看出，J 测点、M 测点以及N 测点的应变数值变化范围较大。其中，N 测点的应变由试验开始时的0，逐步增大到241.32 με，M 测点的应变数值从试验开始时的0 增大到297.63 με，J 测点的应变数值从试验开始时的0 减小为-251.25 με。同时，O 测点的应变数值从试验开始时的0 增大为44.56 με，L 测点的应变数值从试验开始时的0 增大为49.78 με。

图9 坡中断面应变时程曲线

在不含软弱夹层一侧，M'测点的应变数值变化最大，从试验开始时的0 减小为-698.37 με，其余测点的应变值均小于含软弱夹层一侧的应变值。除M'测点之外，其余各测点的应变值均为正值。同时，上部N'测点、O'测点的应变值均大于下部J'测点、K'测点、L'测点的应变数值。通过对各测点的应变值分析可以看出，相比于含软弱夹层一侧，除M'测点之外，各测点的应变数值均相对较小。

3.4.2 坡顶竖直断面

从图10 看出，下部位置的P 测点、Q 测点，波动范围相对较大，其中P 测点在降雨系统开启后的10 min内，应变由0 减小到-45.65 με，Q 测点应变值由0 减小到-98.76 με。随着试验的进行，上部位置的R 测点、S 测点、T 测点以及U 测点的应变值逐步增大，其中T测点的应变值增长幅度最大，从试验开始时的0 逐步增大为365.95 με。

图10 坡顶断面应变时程曲线

在不含软弱夹层一侧，在坡顶竖直断面，试验开始之后不含软弱夹层一侧下部位置的P'测点、Q'测点、R'测点的应变值由负变为正。在坡顶竖直断面的不含软弱夹层一侧，T'测点、S'测点的应变值均出现了大幅度增大的现象。其中，T'测点的应变值由试验开始时的0 增大为591.24 με，S'测点的应变值由试验开始时的0 增大到319.76 με。下部P 测点、Q 测点、R 测点以及P'测点、Q'测点、R'测点的应变值均由负值变为正值。

4 结论

为研究黄土-泥岩二元结构边坡变形破坏机理，本次试验以陇海线K1400+300-390 边坡为案例，通过1∶80 模型简化，对试验现象、土压力、应变、位移等参数做出分析之后，分别绘制土压力时程曲线、应变时程曲线以及位移变化曲线，发现规律如下。

（1）在初始变形阶段，坡体中、后部出现裂缝，裂缝的数量逐渐增多；在受到持续降雨和坡体结构等因素的影响下，表层土体的含水率逐渐增大，裂缝的深度、宽度与长度不断增加；到降雨后期，表面裂缝小时，在雨水的冲刷作用下，表面形成冲沟。

（2）位于坡体最表层的测点在18：30 之后最先出现含水率上升的情况。受持续降雨作用影响，下部土体的含水率有了明显增大。因为软弱夹层的存在，吸收了大量的雨水，使得土体抗剪强度降低，随着软弱夹层的逐步贯通，为滑动过程提供了有力条件。

（3）在坡脚位置处，土压力首先表现出减小的趋势，随着降雨过程的不断进行，坡脚位置后部土体的向前推移的作用增大，进而土压力数值增大。受降雨影响，坡脚位置被掏空，坡脚位置处于临空状态，因而土压力逐渐降低。

（4）相比于含软弱夹层一侧，各测点的应变数值均相对较小，说明在含软弱夹层一侧，由于软弱夹层的存在，对坡体的启动、加速起到了促进作用，且因为软弱夹层存在，使得变形量相对较大。此外，不管是含软弱夹层一侧还是不含软弱夹层一侧，坡中竖直断面上部区域的变形量明显大于下部区域。