干湿循环对可变饱和残余土边坡稳定性影响研究

吐尔逊那依·托乎提

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

1 概述

由山洪暴发等原因导致的浅层滑坡会对桥梁、道路、排水系统、农田等基础设施造成破坏，甚至导致人员死亡和失踪[1]。浅层滑坡的此类问题已受到国内外研究界的广泛关注[2]。浅层失稳的边坡一般处于包气带内，一年中的大部分时间表现为土吸力或负孔隙水压力。长时间的降雨和随后的入渗使边坡临界深度处的土壤吸力降低到接近于0，往往成为浅层边坡破坏的触发机制[3]。此外，许多快速移动的浅层滑坡和泥石流最终是由正孔隙水压力上升或静态液化引起的[4]。在边坡稳定性和入渗分析中加入非饱和土的性质，可以更好地反映土质边坡的实际行为[5]。当孔隙水压力接近于0且临界深度为正时，坡度相对陡峭(如>45°)的边坡可能会失效。

因此，本研究的主要目的是研究滑坡区残余土在饱和和非饱和条件下的剪切和持水特性。为了更好地了解现场孔隙水压力的变化，还对该区域内的一个典型边坡进行了测量。此外，研究了干湿循环对土壤剪切特性的影响，以及它们对边坡稳定性的影响。

2 坡度测量

2.1 站点描述

研究地点位于农业区的山麓附近，有多种果树种植园，平均坡度约为26°。在5个高程分别安装了5个张力计测站和测斜仪。张力计安装在0.5m和1m深度处，可测孔隙水压力范围为-80～600kPa。在坡脚处还安装了1个自动翻斗雨量计。安装的测斜仪是基于附着在PVC管上的MEMs加速度计，该PVC管埋在相对适宜的基岩深度约1m处。传感器的读数被记录在一个可以将数据无线传输到手机的记录系统中。此外，开挖了一个深度约为1m的试坑，用于肉眼观察薄壁管取样和双环入渗试验(如图1所示)。在内衬钻孔内进行了变水头试验，以确定约2m和3m深度处的饱和渗透率。渗透性数据的分散性很大，特别是在深度小于1m的地面，这可能是由于残余土的非均匀性。渗透率变异性的增强会导致孔隙水压力的强烈不均匀分布，有时由于渗流的阻碍会导致孔隙水高度正分布。研究区土壤性质见表1，土层越深，土体越粗、越密，比重越大，全风化岩石越深，胶结特征越明显。将可能参与边坡破坏的上部材料归为低塑性粉土。

表1 基本土壤性质和分类

图1 研究区典型土壤剖面图

2.2 监控结果

图2为孔隙水压力和日降雨量随时间的变化规律。在0.5m和1m深度处，孔隙水压力在一年中的大部分时间都保持为负值。尽管2008年11月3日当天降雨量约为68mm，但孔隙水压力仅维持在0kPa左右，并没有远大于此。枯水期孔隙水压力降低的速率(自2008年11月8日起)随着孔隙水压力的降低而变大。在测量过程中，测斜仪的读数未显示任何明显的坡度移动。这一观测结果与引起边坡稳定性的土体孔隙水负压力是一致的。

图2 孔隙水压力与日降雨量的变化

3 剪切行为和持水特性

3.1 饱和剪切特性

对直径约63mm的饱和和非饱和原状试样进行了一系列多级和单级直剪试验，研究其剪切特性。采用常规直剪箱确定了在16、32、64kPa三种正应力条件下进行的慢固结排水多级剪切试验的有效强度参数(有效黏聚力截距和有效抗剪角)。测试的样本取自地表及0.3、0.7、0.8、1m深度的农业区域。由于胶结作用，1m深度的土壤具有最高的有效黏聚力截距，这是结构性土壤或完全风化岩石的预期特征。

3.2 非饱和剪切特性

非饱和试样的吸力监测直剪试验在恒定法向应力16kPa下进行。该法向应力值对应的土层厚度为0.8～1m，即为预期破坏面。使用的仪器是传统的直剪箱，为了使张力计可以通过顶帽插入并监测剪切过程中的土壤吸力而进行了改造，如图3所示。所有剪切试验均在恒定含水率条件下进行，剪切速率为0.05mm/min，测试结果如图4所示。

图3 吸力监测的直剪箱

图4 0.7m深度试样在不同吸力条件下的剪切特性

根据图4可知，吸力越大，试样的强度越高，膨胀越剧烈。剪切初期，土体体积和吸力略有减小。当试样开始膨胀并达到峰值强度时，吸力也随之增大。零吸试样的测试采用了多级方式，因此对于水平位移较大的试样，没有得到任何结果。图5为0.7m深度处试样的抗剪强度和吸力变化情况。非饱和抗剪强度拟合公式为：

图5 试样在0.7m深度处的剪切强度与吸力的变化

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中，c′—有效黏聚力截距；σ—法向总应力；ua—孔隙气压力，对于大气压下进行的直剪试验，ua=0；uw—孔隙水压力；φ′—有效抗剪角；φb—相对于吸力的抗剪角。表2总结了所有的抗剪强度参数。抗剪强度与吸力之间的变化似乎是非线性的。

表2 剪切强度参数

3.3 土水特征曲线

使用微型张力计和相对湿度传感器进行了吸力测试。测试过程包括逐渐湿润和干燥样品，同时测量每个阶段的吸力、重量和尺寸。在润湿过程中，当土吸力低于1kPa时，将试样浸入标称竖向覆盖层应力1kPa的水中浸泡至少5d。图6所示的吸力为0.1kPa时的含水率值，实际上是任意选取的，用来表示在对数吸力图中浸泡样品的含水率。利用Jotisankasa和Mairaing的简化方法确定土水特征曲线(式(2))，该土壤水分保持曲线也被用于预测破坏包络线：

(2)

图6 土水特征曲线

式中，s—饱和体积含水率；θ33—33kPa吸力或名义田间持水量下的体积含水率。结合上文中图5可知，当吸力小于30kPa时，Jotisankasa和Mairaing的简化方法能够较好地预测抗剪强度下界。然而，这种方法适用于预测只有土壤田间持水量而不是完整的土水特征曲线的非常大的地区的近似非饱和抗剪强度。

3.4 干湿循环的影响

为了明确材料的预期可降解性能，对1m深处的试样进行了一系列不同干湿循环次数的剪切试验。对于每个循环，样品先在水中浸泡几天，然后在105℃下烘干1d。这代表土壤在田间可以经历的温度和水分含量变化的极端情况。值得注意的是，零干湿交替下场地1m深度处的土体表现为结构性土，表现出一定的有效黏聚力。经过5次干湿循环后试样的有效黏聚力经结构破坏降低至近0(图7)。随着循环次数的增加，失效包络线仍保持相对不变。试样在不超过5次循环后，已经劣化到几乎所有的胶结结构都已经被破坏的程度。

图7 干燥/湿润循环对失效包络的影响

4 对边坡稳定性的影响

为了将所有这些观察到的行为放在边坡稳定的背景下，进行了一些简单的考虑饱和/非饱和抗剪强度的无限边坡分析。采用式(3)计算饱和和非饱和情况下的安全系数F：

(3)

式中，当uw>0时，φ″=φ′；当uw=0时，φ″=φb。对破坏深度z=0.5和1m，边坡坡度β=25、45和60°的假想边坡进行分析。这些斜坡代表了地区遭受滑坡影响的典型地形范围。对于吸力在0～20kPa范围内的所有材料，假定φb=27.7度的定值。然后绘制安全系数与孔隙水压力之间的变化曲线，以找出不同情况下的触发孔隙水压力。对于干湿循环次数的影响(图8)，对于吸力几乎为0的陡坡(β=60°)，只有5次或更少的极端干湿循环可能会引起边坡的一些失稳。因此，土体吸力对坡度大于60°左右的劣化边坡(结构破坏/胶结破坏)具有重要的稳定作用。

图8 不同干湿循环下边坡安全系数与孔隙水压力的变化规律

5 结语

土体的抗剪强度随着深度的增加而增加，其中1m深度处的土体由于其胶结作用而具有最高的有效黏聚力截距。然而，这种黏聚力可以通过几次极端的干湿循环而被破坏。抗剪强度与吸力之间的变化似乎是非线性的。简单无限边坡分析结果表明，材料劣化和孔隙水压力增大会导致土体边坡失稳，土体吸力对坡度大于60°的劣化边坡具有重要的稳定作用。研究结果可为多雨区工程开发设计提供理论参考价值，本研究只考虑了土体干湿循环对边坡稳定的影响，在实际工程案例中，边坡的失稳往往是多种因素共同作用的结果，后续的研究可根据工程实际案例考虑多因素共同作用来分析边坡稳定性。