降雨条件下强风化碎石土高填路基稳定性缩尺模型试验

摘要 鲁中地区地形以山岭重丘为主，广泛分布强风化岩。在进行高速公路建设时，需改造自然山坡，以形成高填路基或半填半挖路基，然而受地形条件、施工场地限制等多重因素影响，陡斜坡上的高填方路基边坡极易发生失稳破坏，加之鲁中地区降雨集中，强风化岩遇水易崩解，增加坡体失衡风险，进而可能诱发滑坡、泥石流等地质灾害。文章依托“强风化陡斜坡高填路基处治措施与施工质量控制技术研究”项目，通过室内试验探究降雨条件下强风化碎石土高填路基边坡的入渗响应分析及破坏形式，以期为后续研究提供理论与数据支撑。

关键词 鲁中地区；高陡斜坡；强风化岩

中图分类号 U416.14 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2025）02-0034-04

0 引言

鲁中地区山岭重丘遍布、降雨集中，广泛分布的风化岩体在降雨的影响下稳定性显著下降，这对极端天气条件下山区道路的高填陡坡路基和半填半挖路基的安全性与稳定性造成了严重影响，给此区域的高速公路建设带来重大挑战。《“十四五”交通领域科技创新规划》[1]中指出“开展复杂环境基础设施安全性能劣化机理、重大交通基础设施灾变理论、复合链式灾害机理等研究。提升重大基础设施安全风险评估能力，突破地质灾害监测预警、山地灾害影响等技术”。随着山东省经济飞速发展，加强鲁中地区交通网络建设，已成为推动半岛城市群协调发展的关键。因此，该文基于缩尺模型试验，探究降雨条件下强风化碎石土高填路基边坡的入渗响应分析及破坏形式，以期为后续研究提供理论与数据支撑。

1 模型试验平台及模型设计

根据模型架构尺寸和相似定理，确定此次模型试验相似比为1：20。试验依托校内气象模拟实验室进行，实验室配置如图1所示：

2 模型箱设计

试验共设置三个模型箱，如图2所示分别模拟小雨、中雨、大雨三种不同的降雨工况，材质均为钢板，模型箱高1.5 m、宽1 m、长3 m。

上述对填料的相似参数进行了推导，但在实际试验中难以制造出指定参数的相似材料，因此该模型试验相应降低了相似材料的标准[2-3]。以现场原边坡土样为下部基体，上部填料为现场填筑土料。在填筑时，调整土体至原边坡的含水率，按每层一定质量装入模型箱，并压实厚度至10 cm，以控制边坡模型密度。在构建过程中，将湿度传感器、土压力计埋设在指定位置。

3 试验方案及过程

根据上述确定的相似比，将模型试验的模拟时间设置为1 287 min。为简化模型的试验方案，使其更具备可操作性，将小雨、中雨工况的降雨时间设置与大雨工况相同。根据博山区降雨量统计，最终确定模型试验的降雨实施方案如表1所示：

试验采用的传感器设备为土压力计、含水率传感器，其中土压力计设置在边坡坡脚、坡中和坡顶处，埋设深度为0.4 m；含水率采用湿度传感器测量，分别布设于模型边坡坡脚、坡中和坡顶处，位置与土压力计相同。具体的设备布设方案如图3所示：

4 降雨入渗响应分析

4.1 土压力演变过程

由图4小雨条件下的土压力演变过程可知，在0～500 min内坡脚土压力持续上升。600 min时出现拐点，之后增长缓慢并趋于稳定，最大值约4 kPa。坡脚与坡中的土压力波动增加，最终分别稳定在2 kPa和0.7 kPa左右。

图5为中雨条件下的土压力演变曲线，与小雨工况趋势相似，但其幅度更大。在0～300 min内坡脚土压力快速上升，300 min后增速放缓，最终稳定在5 kPa左右。坡中和坡顶土压力变化一致，分别稳定在3 kPa和1.8 kPa左右。

图6为大雨条件下的土压力演变趋势。在前300 min内，坡顶、坡中与坡脚的土压力急速上升，而坡顶处因大雨侵蚀导致土压力突变而发生破坏，随后因降雨不断入渗导致土体容重增加使得土应力略增。坡中土压力先升后降，最后趋于稳定，这是由于坡顶破坏后的土体被冲至坡脚。最终坡顶、坡中、坡脚土压力趋于稳定，表明土体达到饱和状态。

通过对比不同降雨强度下的土压力变化，可以发现降雨强度越大，土压力达到相对稳定阶段所需的时间越短，这是因为强降雨会导致孔隙水压力迅速上升，从而减少土壤颗粒间的有效应力，使土体更容易发生变形和流动。

4.2 体积含水率演变过程

图7为不同降雨条件下模型边坡体积变化率的演化曲线。整体而言，降雨初期的入渗深度未达到传感器位置，各测点体积含水率保持不变；随着降雨的持续进行，入渗深度逐渐达到传感器位置，体积含水量迅速增加至最大值后略有下降并逐渐稳定。随着降雨时间的增加，雨水入渗量和深度相应增加。在大雨条件下，体积含水率的响应早于中雨条件，而中雨条件下的体积含水率响应又早于小雨条件。

此外，从图7中明显可以看出，在不同降雨强度条件下，监测点含水率的增长速率不一致，且坡脚体积含水率的上升速率远高于坡中与坡顶位置。

综上所述，在不同降雨强度条件下，边坡的坡顶、坡中和坡脚的体积含水率变化情况存在差异。随着降雨强度的增加，边坡土体的体积含水率也相应增加，但增加的程度和速率受多种因素的影响。

4.3 破坏形式分析

图8为不同降雨强度条件下模型边坡的最终破坏图。由图8可见不同降雨工况对模型边坡稳定性的影响情况，在小雨和中雨工况下，边坡原本的结构能够有效抵抗雨水的侵蚀和冲刷作用，保持其原有的稳定性和完整性；然而，当降雨强度增加至大雨工况时，由于大雨导致边坡表面的土壤饱和，土壤颗粒间的摩擦力减小，使得边坡无法承受原有的重力荷载和雨水冲刷力，导致坡顶区域遭受严重破坏，从而发生了失稳破坏。

通过分析土压力和体积含水率的演化曲线，可以得出以下结论：随着降雨强度的增加，边坡土体的含水量逐渐增大，使土体重量增加，水分子在土颗粒间的润滑作用使得土体颗粒间的摩擦力降低，土体的抗剪强度减小，导致基质吸力逐渐消散，从而加大了边坡的下滑趋势。

在对比三种降雨强度下的土应力演化时，可见坡脚处的土体应力显著较大，这是由雨水在边坡表面形成的水流对坡脚处的冲刷作用，以及水分在土体中的渗透作用共同导致。坡脚应力的增加使得下滑趋势加剧，进而导致坡顶处开始出现拉应力。伴随应力分布的变化，边坡开始产生小位移，其中主要位移区集中在边坡顶部，这是因为顶部土体受到的拉应力最大，最容易发生破坏。随着位移的不断累积，最终导致坡顶开始出现明显的破坏现象。

5 结论

该文通过缩尺模型试验，探讨了不同降雨强度条件下强风化碎石土高填路基边坡模型土压力、体积含水率的演化规律，分析总结了模型边坡的最终破坏形式，得出以下结论：

（1）在不同降雨强度条件下，边坡应力的演变过程整体趋势呈现出一致性。随着降雨时间的增长，应力变化呈现出先增大后逐渐趋于平稳的趋势；在降雨强度较小的条件下，边坡坡顶和坡中的应力整体增幅较小，而坡脚的增幅较大；随着降雨强度的增加，坡顶积水导致坡顶应力增速加快。

（2）随着降雨强度的增大，边坡土体的体积含水率增加的速度和幅度也会逐渐增大。受重力影响，雨水在渗透时趋向坡脚处聚集。因此，在位置较高的区域，如坡顶和坡中，雨水的渗透作用相对较弱，导致这些区域的体积含水率较低；而坡脚处由于雨水的积聚，体积含水率相对较高。

（3）在降雨强度较低时，边坡能够有效抵抗雨水侵蚀，维持其稳定性和完整性；随着降雨强度的增大，边坡土体含水率上升，导致抗剪强度降低和重量增加，加剧了下滑趋势；当降雨强度达到一定程度时，坡脚处受雨水冲刷和渗透影响，应力显著增大，同时剪应力区向坡顶扩展，加剧了整个边坡的不稳定性，最终坡顶因受到最大的拉应力而发生明显破坏。

参考文献

[1]交通运输部，科学技术部.“十四五”交通领域科技创新规划[J].中国科技奖励， 2022（4）：27-34.

[2]杨兵.土木工程相似理论与模型试验[M].北京：科学出版社， 2021.

[3]李天斌，田晓丽，韩文喜，等.预加固高填方边坡滑动破坏的离心模型试验研究[J].岩土力学， 2013（11）：3061-3070.