干湿循环下红黏土边坡破特征的模型试验研究*

蒋洪，蒋浩，王磊，张颖

(1.中国建筑第四工程局有限公司 工程技术研究院（技术中心），广东 广州 510665；2.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

我国红黏土主要分布在南方，如广西、贵州、云南、广东及湖南等省份。由于红黏土具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特殊的工程性质，在自然条件下红黏土工程边坡经常发生大规模滑坡等地质灾害，造成道路中断、河流堵塞、房屋掩埋等事故[1]。一些红黏土边坡虽按照规范设计，但在早期运营阶段甚至是施工阶段出现了破坏，工程技术人员对此尚不能给出很好的解释。孔令伟等[2]在室内开展了原状土在脱湿吸湿过程中无侧限抗压强度的演化特征及力学效应试验研究，发现土体强度参数同时受含水率与裂隙性的耦合影响。杨和平等[3]研究了干湿循环次数与强度的关系，发现模拟剪切所得的c和φ值均随循环次数增加而降低，但在干湿循环2～3次后不再继续衰减。高玉坤等[4-6]对非饱和压实膨胀土边坡在干湿循环条件下进行数值模拟和模型试验研究。魏雪丰[7]采用三轴压缩试验和数值模拟研究干湿循环下膨胀土边坡裂隙发育情况，建立膨胀土路堑边坡模型，探讨干湿循环下膨胀土边坡的稳定性。张家俊[8]为研究膨胀土裂隙发育、体变及渗透规律，首先在南水北调工程试验段进行现场人工降雨试验，得出干湿循环是裂隙发育和坡体强度衰减的根本原因，再进行室内干湿循环试验，对裂隙发育规律进行研究。上述研究结果表明，干湿循环是边坡破坏的主要原因之一，在干湿循环下坡体力学性能的衰减也是诱发边坡破坏的内在因素。但目前对与红黏土的研究大多限于室内小范围单体的物理性质研究，对于红黏土边坡整体在干湿循环下的室内研究还较少。

1 红黏土基本物理指标

试验所用的红黏土取自甲秀南路道路两侧，根据含水率试验、密度试验、界限含水率试验、击实试验，得出本研究所用土样的基本物理指标，见表1。

表1 红黏土基本物理指标

2 边坡室内模型干湿循环试验方案

2.1 边坡室内模型

室内模型采用贵州大学林学院的模型框架，模型箱主要由钢板、有机玻璃和槽钢等材料制作而成。模型箱尺寸为3000 mm×1500 mm×2000 mm，边坡模型箱要满足强度要求。由于整个模型边坡尺寸较大，需要对边坡土体进行压实，因此水平土压力很大。降雨过程中雨水入渗也会增加水平土压力，因此模型箱必须有足够的强度，防止由于模型箱强度不足造成试验失败。根据以上特点，模型箱受力构件采用槽钢，观察窗侧面采用厚的有机玻璃板，底面和其他3个侧面采用厚的钢板。将红黏土平铺于地面，用浴霸进行烘干，锤细，过 0.5 mm筛，根据《土工试验》计算出压实度70%所需土和水总质量，并计算出每层湿土的质量，在过好筛的红黏土中加入计算得出的所需水量进行配土，然后取每层所需重量的湿土，并将其倒入模型箱，均匀平铺于底部，利用击实设备分段进行压实到设定高度。每层土之间进行拉毛，并边堆边削成坡率为1:1.5边坡，流程如图 1所示。干湿循环期间，每30 min记录一次数据。

2.2 干燥与降雨系统

干湿循环在自然界表现为水分蒸发和降雨渗透循环过程，在这个认知下，试验模拟蒸发降雨循环过程，蒸发利用6个浴霸分散挂在模型横梁架上模拟太阳照射，为了让照射更加充分均匀，试验过程中每隔 1 h移动 1次浴霸，降雨利用QYJY-501(502)便携式全自动不锈钢降雨模拟器，模拟雨强连续变化范围为10～200 mm/h。

2.3 实验方案

据气象资料可知，贵阳市平均晴天时间约占13.65%，平均阴天时间约占26.54%，平均小雨时间约占31.03%，平均中雨时间约占15.7%，平均大雨时间约占 8.89%，平均暴雨时间约占3.24%，平均大暴雨时间约占 0.897%。按照时间比例，小雨:中雨:大雨:暴雨:大暴雨=34.6:17.5:9.9:3.6:1。

按照3年来最大降雨量：小雨24 h内最大降雨量为9.9 mm，中雨24 h内最大降雨量为25 mm，大雨24 h内最大降雨量为49.6 mm，暴雨24 h内最大降雨量为96.6 mm，大暴雨24 h内最大降雨量为197.3 mm。

由于仪器最小降雨量为10 mm/h，最大降雨量为300 mm/h，则以10 mm/h为最小降雨量，根据比例确定降雨/干燥方案：根据查询时间降雨情况，循环过程经过小雨（降雨量10 mm，60 min）→渗透（60 min）→干燥（10 h）→中雨（降雨量30 mm，30 min）→渗透（60 min）→干燥（10 h）→暴雨（降雨量150 mm，30 min）→渗透（60 min）→干燥（10 h），结束一次循环。在坡度为 1:1.5的红黏土边坡模型上进行5次干湿循环，由于篇幅限制，本文针对降雨量10 mm的情况进行分析。

3 试验结果分析

3.1 裂隙发育

采用棉线将裂隙充满，取出棉线用游标卡尺测量长度，将小铁丝插入裂隙，拔出后通过游标卡尺测量深度和宽度。观察测量裂隙发育情况的位置见图2，裂隙发育主要表现在干燥期（水分蒸发），土颗粒外围水膜变薄，土体失水收缩，土颗粒间拉应力增大，形成“八”字形裂隙；随着水分的不断蒸发，“八”字形裂隙逐渐增多，深度、宽度随之发育，烘干0.5 h后坡顶出现1～2条宽约1 mm的缝。随着干燥时间的增长，裂缝向四周扩展，裂隙宽度从0.1 mm发育到17 mm左右，相互交错形成网状裂缝，边坡表层土被“切割”成块状，随着干燥时间增长，裂隙发育逐渐变缓，裂隙深度、宽度、长度保持稳定（见图3）。如果没有试验时间的限制，干燥时间持续加长，土体裂缝可能进一步发育，使裂缝融合贯通。

图2 坡顶裂隙发育

图3 裂隙发育与时间的关系

3.2 边坡破坏形式

边坡在降雨初期（见图4（a）），在雨滴作用下，坡面表层土颗粒溅散；随着不断的降雨，坡面开始产生面蚀及少量剥落，但未出现冲沟。随着循环次数增加，第2次降雨后（见图4（b）），坡面出现浅冲沟，随着干湿循环次数增加，坡面冲沟逐渐向下发育，并逐渐汇合。第3次降雨后（见图4（c）），在水流作用下，雨水不断冲蚀冲沟两侧和底部浅冲沟，浅冲沟慢慢加深加宽，最终演变成深冲沟，冲沟深度可达20 mm。第4次降雨结束，冲沟贯通，且持续变宽（见图4（d）中a处），出现了小部分坍塌（见图中4（d）中b处）。在坡脚处出现成块坍塌（见图4（f））。随降雨次数增加，总体坡体破坏演变的规律可归纳为：溅蚀-面蚀剥落-细沟冲蚀-冲沟发育-冲沟贯通。整个干湿循环过程中并没有深层的破坏，主要表现是浅层的破坏，与调研结果相符，说明室内试验具有一定的可靠性。

图4 边坡破坏发展

4 结论

（1）室内红黏土边坡模型的破坏表现为剥落、冲蚀、冲沟、坍塌等浅层破坏。

（2）降雨期间，雨水滴落在坡面，冲击使坡面产生溅蚀，溅蚀扩大转化为面蚀。随着降雨的持续，坡面形成径流，径流沿坡面向下冲刷，面蚀渐渐转变为冲沟，在水流作用下，雨水不断冲蚀冲沟两侧和底部，使冲沟加宽加深；随着雨水不断渗入，土体内土颗粒间隙增大，红黏土中矿物遇水溶解，加大了土间孔隙。随着干湿循环次数增加，土体压实度减小，孔隙水压增大，抗剪强度减弱，局部坍塌。坡体随降雨次数增加的破坏演变规律可归纳为：溅蚀-面蚀剥落-细沟冲蚀-冲沟发育-冲沟贯通。整个干湿循环过程中并没有深层的破坏，主要表现为浅层的破坏。

（3）裂隙发育主要表现在干燥期（水分蒸发），土体失水收缩，土颗粒间拉应力增大，形成“八”字形裂隙，随着水分的不断蒸发，裂隙的深度、宽度随之增长，且向四周扩展，相互交错形成网状裂缝，随着干燥时间增长，裂隙发育逐渐变缓。