降雨入渗条件下“下蜀土”抗剪强度演化规律试验研究

蔡宇宸 刘顺青 郑力铭 周 萍 梅鹏飞 何思节

（1.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏镇江 212100；2.江苏省地质环境灾害防治及修复工程研究中心，江苏镇江 212100）

0 引言

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]。

每年雨季镇江及南京地区是江苏省内滑坡发生最频繁的地区，严重威胁了滑坡周边居民、工厂职工及游客的生命与财产安全，这与镇江及南京地区广泛分布的下蜀土边坡密切相关[8]，可见下蜀土具有显著的水敏感性。近年来，国内很多学者开展了下蜀土特性方面的相关研究，如王永璐等[9]通过非饱和直剪试验研究了含水率及吸力对下蜀土强度的影响；刘顺青等[7]研究了干湿循环条件下下蜀土的抗剪强度特性；刘 鹏等[10]分析研究了含水率、密度等因素对南京下蜀土导热系数的影响；顾 凯等[11]通过一系列无荷膨胀试验研究了下蜀土-膨润土的膨胀机理；Lu等[12]测试了干湿循环条件下作为填埋场覆盖层下蜀土的渗透特性。

从上述的分析可知，目前为止针对下蜀土的研究主要集中在物理力学特性方面，而对下蜀土在实际降雨入渗条件下的抗剪强度规律还缺少系统研究。本文以镇江两处典型边坡中的下蜀土为研究对象，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，获得了下蜀土在实际降雨入渗下的强度特性规律。研究结果对降雨入渗条件下下蜀土边坡的长期变形稳定评价具有较大的参考意义，相关分析方法也可以为类似研究提供参考。

1 降雨入渗条件下下蜀土含水率的现场测试

1.1 镇江宝盖山边坡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（见图1），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2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3所示。图3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、0.5m、1.0 m、2.0 m及3.0 m。

图1 土壤湿度一体化传感器

图2 土壤湿度一体化传感器现场安装图

图3 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（见图4）。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4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%区间变化。

图4 宝盖山边坡剖面中不同位置处的含水率变化曲线

1.2 镇江獾山边坡下蜀土含水率的现场测试

獾山边坡埋设的土壤湿度一体化传感器同宝盖山边坡。分别在獾山边坡的坡顶、坡中及坡脚一定深度处埋设土壤湿度一体化传感器，獾山边坡剖面中的含水率传感器的埋设情况如图5所示。图5中，含水率传感器1-1-1-5的埋深分别为0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m及4.0 m；含水率传感器2-1-2-5的埋深分别为0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m及4.0 m；含水率传感器3-1-3-5的埋深分别为0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m及4.0 m。

图5 獾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，得到了獾山边坡剖面中各土壤湿度传感器中的数据图（见图6）。去除表层回填虚土这一影响后，通过分析图6中不同位置处的含水率数据可知，獾山边坡不同深度处的下蜀土含水率在18%～30%区间变化。

图6 獾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

试验所用土样分别取自镇江宝盖山边坡和獾山边坡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、表2所示。

由表1可知，宝盖山及獾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]，判断本次试验所用下蜀土都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 试样制备及剪切试验

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。

獾山边坡的下蜀土制样干密度按现场实际情况取1.63 g/cm3，制样含水率变化范围取现场监测所得的18%～30%，试验时分别取含水率为18%、20%、21%、22%、24%、25%、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7、图8分别为不同含水率下宝盖山边坡及獾山边坡下蜀土的抗剪强度包线。从图中可以看出，宝盖山边坡及獾山边坡下蜀土的抗剪强度均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，宝盖山边坡及獾山边坡下蜀土抗剪强度的减小具有显著的阶段性，两者都是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都为22%。

图7 不同含水率下宝盖山边坡下蜀土的抗剪强度包线

图8 不同含水率下獾山边坡下蜀土的抗剪强度包线

3.2 含水率对下蜀土黏聚力的影响

图9为宝盖山边坡及獾山边坡下蜀土的黏聚力与含水率的关系曲线。从图9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；当獾山边坡的下蜀土在18%～30%变化时，其黏聚力在58.5～13.7 kPa变化。宝盖山边坡及獾山边坡下蜀土黏聚力随着含水率的增加减小趋势一致，都为先小幅减小，而后急剧减小，最后再小幅减小并最终保持稳定。

图9 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三个主要来源[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，此时的胶结作用才逐渐丧失。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 含水率对下蜀土内摩擦角的影响

图10为宝盖山边坡及獾山边坡下蜀土内摩擦角与含水率的关系曲线。从图10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；当獾山边坡的下蜀土在18%～30%变化时，其内摩擦角在23.3°～5.9°变化。宝盖山边坡及獾山边坡下蜀土的内摩擦角随着含水率的增加减小趋势一致，都为先急剧减小，再小幅减小并最终保持稳定。

图10 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]。宝盖山边坡及獾山边坡下蜀土具有失水收缩及吸水后的弱膨胀特性，随着含水率的增大，下蜀土内部的团粒结构会在水的润滑作用下孔隙结构逐渐增大，颗粒之间的咬合度逐渐降低，从而表现为内摩擦角的减小。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]。综合上述原因，宝盖山边坡及獾山边坡下蜀土的内摩擦角都呈现为先急剧减小，再小幅减小并最终保持稳定的变化规律。

4 结论

（1）通过土壤湿度传感器的自动化监测，测得宝盖山边坡及獾山边坡下蜀土的含水率变化范围分别为14%～30%和18%～30%。

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

（3）随着含水率的增加，宝盖山边坡及獾山边坡下蜀土的黏聚力都为先小幅减小，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。