降雨条件下加筋对土质边坡破坏模式影响试验研究

王丙龙 潘昌树

(1.重庆川东南地质工程勘察设计院，重庆 400038; 2.重庆市高新工程勘察设计院有限公司，重庆 401121)

边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一，也是工程建设中最常见的一种工程形式。边坡的存在常伴有一定的安全隐患，在外界作用下会发生滑坡事故，若不及时处理会造成严重的经济损失。众多诱因中降雨作用占据主导地位，同时土质边坡受雨水作用非常明显。为此诸多学者对降雨工况下的边坡稳定性进行了研究。如Jing[1]、左自波[2]、林鸿州[3]等人通过室内模型试验发现当湿润锋形成后，土体的体积含水率和孔隙水压力均表现出增长趋势而基质吸力呈现减小趋势；且不同级配边坡的破坏模式不同，含石量越小，土体颗粒流失量越大，滑裂面也越为明显。Jing[4]、王亮[5]、沈水进[6]、徐宪立[7]等人通过冲刷试验发现风速会严重影响雨水在坡面的侵蚀程度，坡面径流与雨水入渗共同造成了边坡的破坏。金怡轩[8]、何忠明[9]、曾铃[10]等人通过数值模拟发现随着非饱和带深度的增加，土壤的孔隙水压力逐渐增大；且孔压在降雨入渗阶段逐渐增大，在停止降雨后逐渐恢复。

由于边坡易在外界作用下发生破坏，可在坡体内加入加筋材料或修建挡土墙[11,12]，以提高边坡的稳定。因此王志斌[13]、李永华[14]等人采用土工格栅对边坡进行加固，发现土体经加固后其承载力显著增大，且边坡坡度越小、筋带密度越大，则边坡的变形越小。以上研究相对比较单一，并未将降雨工况与加筋加固相结合。

基于此，本文采用自行研制的模型试验装置，通过改变雨强大小及筋带密度对加筋边坡进行研究，为加筋边坡的防灾减灾工作提供参考。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

试验设备为自行研制的模型试验装置，包括降雨装置、模型槽以及高分辨率摄像机，为便于观察边坡的变化情况，整个模型槽由透明亚克力板制成。模型试验装置的示意图如图1所示，该装置既可观察边坡坡面的宏观侵蚀情况，也可观测侧面湿润锋的变化情况。

1.2 试验材料

采用重庆科技学院附近某边坡的现状土作为模型试验的试验土。通过室内土工试验获得试验用土的物理力学参数，如表1所示。经敬小非[15]、赵一姝[16]等人研究，发现玻璃纤维窗纱具有良好的加筋效果，故本研究采用玻璃纤维作为加筋材料对土质边坡进行加固。

表1 试验土的主要物理性质指标

1.3 试验方案

边坡的模型尺寸为45 cm×35 cm×20 cm，坡度为45°，分别在三种降雨强度、三种加筋密度条件下开展9组模型试验。根据重庆地区10年一遇、50年一遇、100年一遇的降雨情况，将雨强定为50 mm/d,115 mm/d,262 mm/d三种，筋带密度分别为1层、2层、3层，具体试验方案如表2所示。

表2 试验方案

2 试验结果分析

2.1 湿润锋变化情况

由于边坡土壤成非饱和状态，因此在降雨过程中雨水会逐渐渗入土体，并逐渐使土体饱和化。雨水入渗过程中会出现一条干湿分明的分界线，称为湿润锋。湿润锋的变化情况能很好的反映雨水的入渗过程，因此有必要对湿润锋进行分析。

图2为加筋边坡在不同降雨强度作用下的湿润锋变化情况。湿润锋深度为湿润部分垂直于坡面中部的湿润长度。如图2所示，在相同加筋条件下，湿润锋入渗深度随雨强的增大而增加；相同雨强条件下，湿润锋的入渗深度随筋带密度的增加而减小；说明雨强越大边坡更容易发生破坏，筋带的增设使颗粒与颗粒间的咬合力增强，从而使其抵抗雨水软化作用的能力增大，雨水在筋带处的下渗受到筋带的限制，故湿润锋下渗深度随筋带密度的增大而减小。

从图2中还可以看出，在相同的降雨强度下，边坡的筋带越多，雨水的入渗速率越慢。降雨初期，雨水入渗速度最快，随着降雨持续，雨水入渗速度越来越慢，而且入渗速度减慢的速率随时间的增长而逐渐减小。这是因为降雨初期，土壤处于非饱和状态，基质吸力较大，而随着雨水的持续入渗，土壤逐渐由非饱和土转变为饱和土，基质吸力逐渐降低，故吸收雨水的能力逐渐减弱。而且从图中还发现降雨结束时，尽管降雨强度不同，但是雨水的入渗速度几乎都为零。这是因为试验结束时，渗流水已浸入坡体大半以上，此时雨水更多的以径流的形式存在于坡面，而下渗的量相对较少。

2.2 坡面侵蚀情况

当雨量小于土壤的渗透系数时，雨水会全部渗入土体；而当雨量大于土壤的渗透系数时，雨水部分以渗流水的形式渗入土体，部分以径流的形式存在于坡面，且雨量越大，径流量越大、渗流量越小。而坡面径流会对坡面进行冲刷侵蚀，造成坡面破坏，它是边坡土壤流失的主要施力者。

图3是加筋边坡(N=1)在115 mm/d的雨强作用下，其坡面破坏程度随时间的变化情况。从图中可以看出降雨对边坡的破坏首先是从坡脚开始的，在持续降雨下，坡脚很容易被冲刷，坡脚的粘土被雨水冲走，造成水土流失。这是因为坡面的径流水最终都会流向坡脚，此处土壤遭受水的软化作用最为明显，在水的作用下，土壤间的分子作用力逐渐丧失，从而破坏土骨架，当土骨架遭受破坏后，土体便会发生垮塌。当坡脚土体垮塌后便会形成空腔，上部土体在重力作用、径流冲刷作用下依次发生垮塌，从而形成如图所示的牵引式破坏现象。

图4为115 mm/d雨强作用下，不同加筋密度边坡在50 min时的坡面破坏程度。从图中可以发现在降雨强度及历时相同的条件下，坡面的破坏程度随筋带数量的增加而减小。说明筋带的布设很好地改善了边坡的稳定性。通过记录加筋边坡出现裂缝时的时间发现，一层、两层、三层筋带加筋边坡的裂缝出现时刻分别为6 min,7 min,9 min。说明加筋边坡在降雨作用下产生裂缝的时候随筋带密度的增加而增大。

3 结语

1)降雨强度越大，径流量越大，坡面遭受的冲刷作用越为明显，其破坏程度越大；筋带密度越大，边坡的稳定性越强，抵抗雨水作用的能力越大。2)无论雨强多大、筋带密度多大，边坡的破坏总是从坡脚开始，逐渐往上部发展，呈现出“牵引式”破坏现象。3)雨强越大，筋带密度越小，湿润锋的下渗速率越大；整个降雨过程中湿润锋的变化由快到慢。