降雨入渗对红粘土边坡稳定性影响参数取值研究

郑 英

0 引言

红粘土系碳酸盐类岩石经过红土化作用形成的高塑性粘土，在我国南方分布极为广泛［1，2］，其工程特性具有明显地域性。红粘土由于其高液限、一定的崩解性和弱膨胀性，工程中通常将其归类为不良土。就边坡工程而言，红粘土不良性质包括两个面:一是红粘土通常呈现出上硬下软的空间分布，对边坡稳定性不利;二是红粘土不均匀收缩变形及收缩开裂特性，会诱发边坡浅层溜坍破坏。而在降雨作用下，上述不良工程性质将显得尤为突出。

降雨产生的坡面冲刷以及入渗引发的土体力学性质变化对边坡的稳定性影响非常显著。对此，众多学者对降雨入渗情况下边坡稳定性分析开展了大量研究工作。根据目前国内外文献来看，上述研究工作主要集中在两方面:一是利用统计方法建立降雨与滑坡的相互关系，并据此预测某种降雨条件下边坡是否会发生滑坡［3，4］;二是研究雨水入渗引发滑坡的物理过程，建立相应的分析模型，然后利用数值方法、极限平衡方法等分析雨水入渗后边坡的稳定性，并对各影响因素进行分析［5－7］。由于统计方面的工作未能揭示降雨导致边坡失稳的本质，故近年来更多的学者致力于后者理论研究。理论研究能综合考虑边坡几何属性、材料属性、降雨属性及边坡的水文地质植被等情况，其分析模型正逐步完善，但上述分析模型中的参数取值相对缺乏深入研究［8］。

针对上述情况，本文在湖南某高速公路选取一典型红粘土边坡，开展不同强度的人工降雨试验，并通过室内的物理力学试验，分析降雨入渗对红粘土主要力学参数，即粘聚力及内摩擦角的影响，从而为降雨条件下红粘土边坡稳定性分析的参数取值提供参考。

1 现场边坡冲刷试验及取样

试验边坡坡度1∶1，坡高15 m，试验坡面面积为100 m2(10 m×10 m)，如图1、图2所示。试验周边采用防水隔板与其余边坡土体隔开，已形成试验边界，其中各防水板插入土中0.8 m确保降雨不直接流失。此外在坡脚设置集水沟，采用砖砌，深度300 mm，宽度300 mm，混凝土防水砂浆抹面，并设置坡度2%，以利于排水。端部设置水箱用来收集坡面径流量，尺寸 2 m×2 m，深度0.8 m，砖砌，防水砂浆抹面外侧底部设置排水口，排水口安装流量表以测定地表径流水量。

图1 红粘土边坡降雨试验模拟图

图2 雨水冲刷试验场地

人工模拟降雨装置由供水系统、水管、喷头以组成，其坡面俯视图如图3所示。试验时由脚手支架支撑于坡面之上，喷头间距1 m，9排9列共81个，每个喷头都有单独阀门控制，通过调节开启喷头阀门的数量来调节雨量。每路管线末端都装有球阀，供试验前排空气体。

图3 降雨模拟装置示意图

降雨强度由通道的流量表读数作为总降雨量，降雨总量除以试验区面积即为降雨强度。雨量大小通过调节开启喷头的数目来实现，分别模拟中雨、大雨、暴雨三种不同的降雨形式。

一次降雨时间为48 h·d，控制日平均降雨量，在停雨间歇期进行土体取样，取样深度为边坡表层以下50 cm。

2 直剪试验

同一降雨量下的土样制备为3个，首先对三种不同降雨量情况下的土样含水量进行测定，结果对应于中雨、大雨、暴雨，含水量分别为20%、25%和30%(均为平均含水量)。其次，开展不同击实(即不同密度)下的直剪试验。

根据试验结果得出了不同含水量、不同密度情况下红粘土的抗剪强度参数指标。其中，含水量对不同密度红粘土粘聚力和内摩擦角的影响分别见图4和图5。

图4 含水量对粘聚力影响曲线

图5 含水量对摩擦角影响曲线

由图4可知，随着含水量的增大，红粘土粘聚力总体上呈减小趋势。尤其是当土样较为密实时(15击)，这一趋势更为明显。而由图5可知，随着含水量的增大，红粘土内摩擦角变化规律不明显。内摩擦角主要在19°到27°之间。

图6为密实度对红粘土力学参数的影响，由图可知，密实度对红粘土抗剪强度的影响主要体现在粘聚力上，随着密度的增大，红粘土粘聚力显著增大，表明适当压实可提高边坡稳定性。

图6 密度对粘聚力的影响

3 三轴试验

为进一步分析不同降雨量下红粘土强度的变化规律，分别对9个试验开展了三轴试验。图7、图8为三轴试验结果，由图可明显看出，降雨入渗对红粘土的整体强度有着明显的弱化效应，随着含水量的增加，其强度明显降低，中雨与暴雨情况下土体抗剪强度降低了31.6%(平均值)。

图7 击数15试样三轴试验测试曲线

图8 击数2试样三轴试验测试曲线

图9 含水量对粘聚力影响曲线

图10 含水量对摩擦角影响曲线

图9、图10分别为三轴试验下含水量对基本参数的影响。当红粘土试样密度较小(2击)时，粘聚力均较小，在10 kPa左右，含水量对粘聚力的影响不明显;而当红粘土试样密度较大(15击)时，粘聚力随含水量变化而变化趋势明显，其趋势为粘聚力随含水量的增加显著减小。由不同密度的试验结果可得，随着含水量的增大，红粘土粘聚力总体上呈减小趋势，尤其是当土样密实时，这一趋势明显。

4 结论

为探究雨水入渗后边坡红粘土抗剪强度的变化，依据现场冲刷试验取样，设计了不同密度、不同含水量的红粘土的直剪试验和三轴剪切试验。两种试验的结果相互印证，并获得如下几点认识:

1)雨水入渗造成红粘土整体强度降低，降雨量对红粘土强度的影响主要表现为红粘土粘聚力的减小。

2)红粘土的密实程度对其抗剪强度的减弱存在影响，即红粘土较松散时，降雨量的变化对粘聚力的改变不大;而红粘土密实时，随着降雨量的增大粘聚力显著减小。表明对边坡进行适当压实，可提高红粘土边坡稳定性。

3)同样降雨条件下，红粘土内摩擦角随密度的变化不大;而相同密实度情况下，红粘土内摩擦角随含水量的增加略有减小。

［1］朱天璋，黄向京.湖南高速公路红粘土工程特性及问题与对策探讨［J］.公路工程，2008，33(5):24 －28.

［2］姜洪涛.红粘土的成因及其对工程性质的影响［J］.水文地质工程地质，2000，27(3):33 －37.

［3］谢守益，张年学，许 兵，等.长江三峡库区典型滑坡降雨诱发的概率分析［J］.工程地质学报，1995，6(2):60 －69.

［4］谢剑明，刘礼领，殷坤龙，等.浙江省滑坡灾害预警预报的降雨阀值研究［J］.地质科技情报，2003，22(4):101 －105.

［5］吴宏伟，陈守义，庞宇威.雨水入渗对非饱和边坡稳定性影响的参数研究［J］.岩土力学，1999，20(1):1 －14.

［6］吴俊杰，王成华，李广信.非饱和土基质吸力对边坡稳定的影响［J］.岩土力学，2004，25(5):732 －737.

［7］沈珠江，米占宽.膨胀土渠道边坡降雨入渗和变形耦合分析［J］.水利水运工程学报，2004(3):6－10.

［8］周 清.红粘土工程特性及降雨入渗后的边坡稳定性研究［D］.南京:河海大学，2008.