1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202206079开放科学（资源服务）标识码（OSID）考虑临界体积含水率作用的无黏性边坡模型试验段荣丰（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，广东深圳518000）摘要：针对路基边坡失稳进行分析，研究改进无黏性边坡模型试验，在恒定降雨强度下，边坡体积含水率随时间变化，将初始恒定体积含水率定义为临界体积含水率 iqs；通过图像处理技术，对不同土层厚度下边坡内部任意位置处的体积含水率与边坡位移之间关系进行分析。试验监测不同深度下的水分分布，对垂直方向的降雨渗透行为进行评估；在超过初始的 iqs后，体积含水率的增加会导致地下水位线的上升，
2、从而诱发边坡变形，随即产生位移，iqs 可作为预测坡趾失稳指标；在边坡中上部范围内，当未超过 iqs 但土体内部已经形成饱和带时，边坡也会发生小部分位移。关键词：无黏性边坡；体积含水率；模型试验；边坡位移；饱和带中图分类号：TU45文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0083 06 0 引言雨季极易发生特大滑坡，往往造成巨大的灾害损失和人员伤亡。研究边坡灾害的发生发展机理，减少滑坡造成的人员伤亡和经济损失，具有十分重要的意义。目前，发生特大暴雨时主要通过降雨时间和总降雨量对山区高速公路通行及住宅区进行预警，但警报发出后，常常在一定时段内并不发生灾害，却在解除预警一段时间
3、后发生灾害，这对相关工作展开极为不利。预测地表塌陷的地质灾害，除了要考虑降雨量外，还要考虑雨水渗入到边坡土体内以及诱发边坡变形等因素1-3。许多学者研究和预测因降雨引起的地表塌陷土质灾害。陈锐志、Uchimura T、Osanai N、Moriwaki H、Uchimura T、侯林等4-9通过捕捉边坡剪切变形引起的应变来预测土体的崩塌时间、评估土体稳定性。邢月龙、赵明华、袁海梁、林渝、张忠传、宋宝宏等10-15根据降雨渗入边坡导致土体间吸力减小、孔隙水压力增大及两者因素结合，预测地表塌陷。LIU Z Q、郭鑫等16-17根据地下水位与地表位移的关系来预测崩塌发生的时间。朱岳明等18通过饱和-
4、非饱和渗入边坡内的流量，分析土壤的含水率和计算边坡稳定性，进行地表崩塌预测和风险评估。先前的模型试验主要存在的不足为：部分试验采用均质土，野外往往是多重土组合作用；模型试验缺乏图像监测，不能还原粒子运动轨迹；试验因传感器监测数有限，缺乏多参数综合分析预测。从公路管理角度，如果监测到因降雨导致边坡微小变形，需立即进行封路，从召集人员到完成封路需花费数小时，而边坡裂隙扩展、位移积累往往非常迅速，易耽误救援。为进一步提升公路管理安全性与合理性，除了根据土体渗透系数和孔隙水压力发生来预测地表坍塌时间和安全系数外，还要对预测边坡变形和发生渗流失稳可能性进行研究。本文针对路基边坡失稳进行分析，通过圆柱试验
5、测得稳定降雨条件下试样土的初始临界含水率；进行室内边坡模型试验，改进先前试验中传感器数量不足、监测区域有限的缺陷，进行多分布层、多传感器监测；根据监测数据推测浸润线的迁移过程，探讨临界体积含水率与滑坡发生的关系。1 初始临界体积含水率测定边坡模型试验研究通过模拟降雨试验测定初始临界体积含水率。Wang F W 等19通过圆柱试验，测试无黏性砂土在降雨条件下的入渗规律，发现在地下水位上升前，边坡含水率会恒定在某个值，该值小于饱和体积含水率，在地下水位上升后，边坡含水率再次上升直至饱和。因此初始临界体积含水率对研究边坡失稳、预测滑坡的重要性显著。1.1 试验方法圆柱试验以花岗岩风化土为试验材料。土
6、体最 收稿日期：2022 10 08作者简介：段荣丰（1980），男，湖北黄梅人。高级工程师，主要从事道路与桥梁设计工作。E-mail：。段荣丰：考虑临界体积含水率作用的无黏性边坡模型试验 83 小密度 1.696 g/cm3，最大密度 2.055 g/cm3，孔隙比 0.6，渗透系数 1.91103 m/s，颗粒比重 2.714，风化土黏聚力为零，内摩擦角约 32。初始含水率2.5%，在持续降雨条件下，土体含水率显著上升而产生附着黏聚力，但在趋于饱和状态时黏聚力降为零，土颗粒容重 从 14 kN/m3上升到饱和的18 kN/m3。样品粒径曲线，见图 1。020406080100质量百分比/%
7、0.001 0.010.1110100粒径/mm图1样品粒径曲线 采用 EC-5 土壤湿度计(十边形，测量精度3.0%)测定土壤体积含水率，使用前需校准，A、B 点埋深分别为 250、350 mm。圆柱试验条件及土壤湿度计分布，见图 2。将含水率 2.5%试样装入直径 150 mm、高 500 mm 的圆柱形管中压实，制备孔隙比 0.6 的土层柱。土柱边界条件为：上表面吸收水分，具有透水性；侧表面通过丙烯酸板密封使其不透水，抑制土壤孔隙水压力产生，确定土体形成饱和带，试验设置 72 个直径 2 mm 的空气孔；底部不透水，当水位上升时，可从孔洞处确认是否有漏水。AB150土壤湿度计丙烯管气孔1
8、00100450500图2圆柱试验条件及土壤湿度计分布（单位：mm）由土壤湿度计校准式（1）、式（2），可得实测电压值(x)与理论体积含水率(y)在 A、B 两点的关系，对圆柱模型试验的实测值进行校正。每隔 1 分钟测量一次，降雨强度设置为 30 mm/h，润湿面到达底部后饱和带形成，水位上升，各点体积含水率保持平衡。yA=0.0013xA0.32（1）yB=0.0013xB0.41（2）开始降雨 140 分钟后，A 点的体积含水率开始上升，230 分钟时暂达 0.26 的平衡状态，在 360 分钟后再次缓慢上升。B 点的体积含水率在开始降雨 200 分钟后开始上升，约 240 分钟达 0.2
9、6 的平衡状态，后在 320 分钟后再次上升。1.2 试验结果分析A 点的体积含水率在开始降雨约 230 分钟由于渗水导致渗透面下降而达到临界状态，10 分钟后B 点的体积含水率达到初始临界体积含水率。渗透面到达圆柱底部后，形成饱和带，由于饱和毛细带及 B 点、A 点地下水位的影响，体积含水率在约320 分钟和 360 分钟上升，再次增加。因此，将0.26 作为初始临界体积含水率 iqs，体积含水率是由于边坡上方的土体浸润而暂时稳定，以此作为相同物理条件下模型边坡试验的指标。2 基于临界的边坡渗透变形模型试验 2.1 试验方法为研究降雨引起的边坡内水分渗透的现象，采用宽 300 mm、长 10
10、00 mm、高 700 mm 的模型，底部、背面及面向边坡的左侧使用钢板，为观察边坡位移，面向边坡的右侧使用 PET 板，土层厚度300 mm，坡度 35。试验边界条件：表土层和基底层间设置一层黏性土防水层作为人工滑动面，底部设置钢板隔水层，左侧面不透水，PET 板设有 5 个直径为 2 mm 的气孔，以此确认饱和带形成。为使边坡内的孔隙比为 0.6，每 100 mm 的水平层采用木制衬垫固定。在 A 点E 点位置安装了土壤湿度计，见图 3。隔水层基层土体700100 100 1004001000429571气孔土壤湿度计测线2测线312345A200250BCDE测线1图3气孔与土壤湿度传感
11、器分布（单位：mm）土层交界处会形成饱和带，因此测点集中设置到边坡中部；在测线 2、3 的 100 mm和 200 mm 深度处分别设置测点（BCDE），探究沿深度方向体积含水率的变化。本文改进图像传感技术进行边坡位移测量的方法20-21，在 100 mm 深度处每个土壤湿度计位置，每点沿深度方向设置 3 个 10 mm10 mm 网格（简称模板）。边坡模型试验装置剖面，见图 4。路基工程 84 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）隔水层基层土体4295711000100 100100400700测线2测线312345ET1-1T1-2T1-3T2
12、-1T2-2T2-3T3-1T3-2T3-3测线1ABCD图4边坡模型试验装置剖面（单位：mm）在 180 mm/h 及以下的降雨条件，测量精度0.1 mm，位移测量以土层侧面的二维运动为参考，通过 PET 板测定。研究中控制降雨量，使降雨第 15 次时不超过 iqs，进行了约 9 天降雨试验，在降雨第 6 次时，通过持续降雨测量体积含水率与地表直至坍塌时位移的关系。但在第 1 次降雨期间，由于测量困难，无法获得体积含水率和位移的数据，因此，将第 1 次降雨完成的时间设定为试验开始时间。研究发现：只有在超过 iqs的情况下才发生位移。2.2 试验结果分析试验降雨强度保持在 30 mm/h。饱和
13、带附近土块发生位移，坍塌时间约在试验开始后 235 小时（14100 分钟）。降雨期间各测点的体积含水率与位移的关系，见图 5。试验得到 iqs约 26%。A 点：第 25 次降雨期间，土壤湿度计 AE 的示数低于 iqs时持续进行降雨，观察到 T1-1T1-3出现微小变形，但不是每个点都监测到位移。第6 次的降雨中，超过 iqs后继续进行降雨，发现所有监测点都发生了位移。0510152025303540体积含水率/%1012345位移/mm288057608640 11520 14400初始临界体积含水率初始临界体积含水率初始临界体积含水率AT1-1T1-2T1-3降雨2 5 mm降雨3 1
14、0 mm降雨4 20 mm降雨5 5 mm降雨6 265 mm降雨2降雨3降雨4降雨5降雨6监测时间/min a A点降雨2降雨3降雨4降雨5降雨6降雨2降雨3降雨4降雨5降雨60510152025303540体积含水率/%1012345位移/mm288057608640 11520 14400监测时间/min b B、C点T2-2T2-3T2-1BC0510152025303540体积含水率/%1012345位移/mm288057608640 11520 14400监测时间/minT3-1T3-2T3-3DE c D、E点图5降雨期间各测点的体积含水率与位移的关系 B、C 点：在第 25 次
15、降雨期，由于降雨的持续发生，体积含水率显著升高，但监测点未发现位移；特别是在降雨 5 时，体积含水率短时间内超过了初始临界状态，但试验中停止降雨后，含水率骤降且未发生位移；而在第 6 次持续降雨条件下，B 点和 C 点的体积含水率迅速提高，由此产生了显著的位移。D、E 点：在第 2 至 5 降雨期间，含水率上升但未发生位移。然而，在第 6 次持续降雨中，E 点的体积含水率超过 iqs时发生位移，但D 点处却没有发生相同的位移现象。本文重点考虑第 6 次持续降雨的时间段发生的位移现象。各测线各深度体积含水率和位移随时间的变化，见图 6。为阐明位移的进展过程，研究展示每个测线的位移量。位移随时间变
16、化，见图 7。A 点在约 50 分钟时体积含水率超过了初始临界状态，且上升速率有所降低。之后虽然体积含水率再次上升，但从 105 分钟后逐渐下降，在约140 分钟左右呈稳定状态。在 105140 分钟内A 点周围形成了饱和带（即充满空气形成的饱和带）。另一方面，约 120 分钟时边坡上测点位移呈现向上运动趋势，在 130 分钟时又稍微下降，测点位移发生在其体积含水率超过 iqs时。在 130 分钟后T1-1 位移大于T1-3 位移，边坡向下发生剪切变形。C 点体积含水率在 50 分钟开始变化并在 60 分钟时超过 iqs，在 105 分钟后出现稳定状态。B 点体积含水率在 110 分钟时超过 iqs，并在 180 分钟到达稳定状态。开始降雨后 102 分钟和 150 分钟时停止降雨，止水后，A 点和 C 点附近形成饱和带，饱和带逐渐上升，因此 B 点体积含水率上升。另外，在约 120 分钟 B 点附近开始产生位移，变形仅在超过初始临界状态 10 分钟后发生。T2-1 位移大于 T2-3 位移，边坡向下发生剪切变形。T3-1 和 T3-3 点的位移发生在约 120 分钟，D 点附近观测点
