湿润-干燥交替循环条件下黄土边坡内部变形研究

2021-10-28赵紫阳

山西交通科技 2021年4期

赵紫阳

（山西省交通科技研发有限公司黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西太原 030032）

黄土地区独特的气候条件造就了黄土具有显著的结构性和水敏性，在外在因素作用下黄土边坡坡面经常出现剥落破坏，进一步引起坡体内部变形的发生和发展，严重时导致坡体稳定性降低，进而可触发边坡滑动破坏地质灾害。引起剥落病害重要诱因的干湿交替作用对黄土的物理力学性质以及结构都有较大的影响，初始表现为表皮剥落破坏，随时间延长破坏现象逐渐加剧，甚至发生边坡失稳现象。研究岩土体在季节性干湿交替条件下的力学性质变化，对岩土体变形周期性和稳定性的预测预报，具有重要实际意义。

迄今，学者们针对干湿交替效应对岩土体边坡产生的影响进行了探讨。范红英[1]针对黄土边坡剥落的分布规律和影响因素进行了系统分析和总结；尹宏磊等[2]对干湿循环过程中边坡参数变化及安定性进行了研究；龚壁卫等[3]对干燥-湿润循环条件下膨胀土的吸力和强度变化规律开展了相关试验研究；慕现杰和张小平[4]进行了拓宽改造工地现场膨胀土的干湿循环试验研究；杨和平等[5]在有荷载条件下模拟了膨胀土干湿循环试验得到其胀缩变形和强度的变化规律；刘义虎[6]等研究了膨胀土路基在积水、阴天、日照、降雨干湿循环作用下的破坏形式及水对膨胀土路基破坏作用机理；沈珠江和邓刚[7]通过数值方法模拟了黏土在干湿过程中表面裂缝的形成-发展-闭合演化过程。鉴于对干湿交替下黄土边坡坡体内部变形的研究较少，本文利用自主研发的模型试验箱开展了湿润-干燥交替循环黄土边坡模型试验，进一步阐述黄土边坡在湿润-干燥交替循环条件下的坡体内部变形演化规律。

1 模型试验设计

试验模型箱如图1所示，长、宽、高分别为2 m、1 m和1 m，底部由厚度为10 mm的4块钢板组成，四周由厚度为10 mm的钢化玻璃构成，前后面采用尺寸为2 m×1 m的钢化玻璃，左右面采用0.3 m×1 m的钢化玻璃。降雨装置设于模型箱正上方垂直高度为0.5 m的位置，采用电热吹风扇模拟加热干燥作用。

图1 试验模型箱

试验中采集了边坡现场黄土土样，过2 mm直径筛，模型边坡设计为非对称形式，左侧坡高比为4∶1（陡坡），右侧坡高比为4∶3（缓坡），采用分层压实法制作模型边坡。根据每层土的体积和压实密度计算每层土的质量，将其装入模型箱并整平表面，最后用振动器将土压实到预定厚度，制作而成的模型边坡如图2所示。

图2 模型边坡

试验土体物理性质如表1所示。制作模型边坡过程中，通过向坡体内部植入分布式光纤监测边坡内部土体变形特征，具体操作为距离试验模型箱底部填土高度30 cm、50 cm、70 cm处，分别埋设分布式光纤并依次标记为H1、H2和H3，具体布设如图3所示。

表1 边坡土体物理性能

图3 分布式光纤布设

模型边坡制作完成后静置48 h以确保坡体内土体湿度和应力达到平衡，然后对模型边坡进行湿润-干燥交替循环作用，同时记录土体光纤应变，直至边坡破坏试验结束。试验中每个湿润-干燥工况进行4次循环，在前一个工况的基础上，进行下一个工况，具体试验方案详见表2，试验共进行3个大循环，12个小循环。

表2 试验工况表

2 试验结果与分析

通过模型试验获得模型边坡的应变时程曲线见图4～图6所示。

图4 HL1分布式光纤变化规律

图5 HL2分布式光纤变化规律

图6 HL3分布式光纤变化规律

图4表明从缓坡一侧向陡坡一侧，H1层的应变均为负值，说明此时H1层在干湿循环过程中由于土体的沉降承受较大压应变。H1层缓坡一侧的压应变较陡坡一侧小，这是因为缓坡上面土体相对较少。随时间的延长，干湿循环过程中此处的应变呈波动性变化，降雨后土体自重增加从而承受较大压应变，随水分不断蒸发，土体压应变又发生减小的现象，通过观察最后几次干湿循环可发现，此时干湿循环带来的应变变化幅度值已缩小到一定范围（-500～-750之间），进一步证明经干湿循环后，土体固结趋于稳定，距离坡面越深的土体遭受外界湿润-干燥循环的影响越弱。

图5显示从缓坡一侧向陡坡一侧，H2层的应变在干湿循环起始阶段逐渐增大，表明此时间段陡坡内的坡脚应变变化相对于缓坡较大，缓坡一侧的应变为负即为压应变，表明缓坡一侧在H2层主要受到上覆荷载作用，陡坡一侧应变为拉应变，表明陡坡一侧出现较大沿坡面的拉应力，分析可能是由于陡坡在渗透力和重力作用下发生向下滑动趋势而引起的。随时间的推移，从缓坡一侧向陡坡一侧，H2层的应变整体上都逐渐增加且两侧坡面部位的应变均有较大幅度提升，表明此时缓坡和陡坡均有向下滑动的趋势或已经发生滑动，在两侧的拉力作用下，坡体中间也出现了拉应变。

图6表明从缓坡一侧向陡坡一侧，H3层的应变在干湿循环起始阶段逐渐增大，表明陡坡坡脚应力变化相对于缓坡较大，但两侧应变仍为压应变，这是上覆荷载作用的结果。随着时间的推移，从缓坡一侧向陡坡一侧H3层的应变发生先减小再增大的现象，说明两侧坡脚处由于剪切作用均出现了较大应变，在坡体中间部位仍为负应变，表明坡体中间部位受循环干湿的影响较小，主要承重为上覆土体的自重。