降雨作用下土石混合体稳定性研究_杨芍.pdf

：降雨作用下土石混合体稳定性研究收稿日期：作者简介：杨 芍（），男，助理工程师，从事城市水务工程方面的工作杨 芍（中国水利水电第七工程局有限公司南方分公司，广东 深圳）摘 要：通过土石混合体物理模型正交试验，在降雨条件下分析块石空间分布、降雨强度和坡度三个因素对土石混合体边坡稳定性的影响。结果表明：极差分析中，坡度 降雨强度 块石空间分布，坡度对土石混合体的稳定性影响最大；方差分析中，坡度对土石混合体稳定性具有显著性影响，且坡度对土石混合体坍滑的显著性影响大于坡度对裂缝扩展的显著性影响。关键词：土石混合体；稳定性；降雨；正交试验中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言我国西南地区拥有山地、丘陵、高原、平原等地貌，复杂多样的地形地貌伴随地震、降雨的作用，地质灾害频发。土石混合体在降雨的作用下容易变形失稳，使灾害范围内的建筑物受损害，严重威胁到人民的生命财产安全。受其自身复杂、不规律的组成结构影响，研究土石混合体的性质不同于一般土体。土石混合体内部块石的形状、含量及块石的分布等都会影响其剪切强度。为了应对降雨下土石混合体的滑坡致灾情形，大量学者展开降雨条件下土石混合体稳定性能的研究。一些学者通过对现场降雨试验的监测，研究降雨对土石混合体内部含水率、孔隙水压力、基质吸力和土体位移的影响。一些学者通过建立降雨下土石混合体滑坡的物理模型，研究影响边坡稳定性的因素，包括土石混合体的块石含量、降雨的强度和历时等。还有学者通过数值模拟的方法研究降雨对土石混合体内部性质的影响，并对边坡在雨水入渗后的渗流场、应力场及边坡稳定性系数的变化进行研究。总结上述学者的研究成果，观察发现主要集中于研究土石混合体的力学性质和边坡整体的变形失稳，土石混合体内部块石空间分布对坡体稳定性的影响分析考虑较少。因此，针对降雨下土石混合体边坡变形失稳规律的研究，综合考虑块石空间分布、降雨强度和坡度三个主要影响因素，采用极差和方差分析，研究土石混合体内部结构对整体变形失稳的影响规律。试验装置与试验材料 试验材料物理模型试验中的土石混合体斜坡，采用的块石和土颗粒均为试验现场就近购置。对土颗粒进行处理，筛取粒径大于 的粗颗粒。依据土工试验所测得的土颗粒级配曲线，制备本试验土样的颗粒级配。试验模型采用模型试验模拟降雨下的土石混合体斜坡。模型斜坡堆积体尺寸为：（长 宽 高）。降雨模拟采用 型便捷式全自动人工降雨模拟系统，该系统包括喷淋单元、供水管线、增压单元、控制单元、储水桶、雨量传感器等。本系统的降雨高度为 ，降雨面积为 （见图）。喷淋单元土石混合体雨量传感器储水桶供水管线增压单元控制单元进水管图 1降雨型土石混合体试验模型平台 试验方案试验考虑块石空间分布、降雨强度和坡度三种因素，每种因素有四个因素水平。块石的空间分布分为前中端、后缘、顶层、中下层，详细分布位置如图 所示。基于震后汶川典型降雨致土石混合体滑坡等灾害的研究，并收集降雨数据。本试验中设置四种降雨强度：，。坡体坡度为：，。试验根据（）正交表实施，试验总组数为 组，如表 所示。多因素正交试验结果分析 试验检测指标为表征降雨条件下土石混合体边坡的失稳机制，提出四个时间节点和两个持续性时间。四个时间节点分别对应降雨条件下四种现象的最早开始时间：最早开始出现裂缝时间（）；裂缝出现后，扩展至横向裂缝最早达到坡宽的时间（）；最早开始出现坡体坍滑的时 第 卷 第 期 年 月 山西建筑 （c）顶层（d）中下层400坡顶坡面1 24325坡脚400单位：mm土体块石（a）前中端（b）后缘图 2随块石空间分布的坡体剖面示意图间（）；坡体出现坍滑现象后，坍滑范围最早达到坡宽的时间或者坍滑达到坡顶的时间（）。两个持续性时间由下列式子计算得出：（）（）（）。（）（）（）。其中，（）为边坡灾害预警和机动时间；（）为边坡局部滑坡灾害与大面积滑坡灾害发生之间的预警和机动时间。表 正交试验表试验号因素块石空间分布降雨强度（）坡度（）前中端前中端前中端前中端后缘后缘后缘后缘顶层顶层顶层顶层中下层中下层中下层中下层 极差分析正交试验结果如表 所示。为研究块石空间分布、降雨强度、坡度三种因素对土石混合体边坡稳定性的主要因素，以及各影响因素的主次关系，对表 中的数据进行极差分析，计算结果填入表 中。由表，表 可知，针对每一个检测指标，各影响因素极差值大小均为：坡度 降雨强度 块石空间分布。坡度对每个指标的影响最大，其次是降雨强度，影响最小的因素是块石空间。且坡度的影响作用远远大于其他两个因素，说明坡度是本试验中影响土石混合体边坡稳定性的最主要因素。对于最早开始出现裂缝时间（），可以发现在降雨强度为 条件下，块石空间分布于土石混合体中下层，坡体坡度为 时（）最小，即 试验组。说明该环境下的土石混合体更容易出现裂缝，需重视野外现场的实时监测与巡视工作。表 正交试验结果表试验号检测指标（）（）（）（）表 各参数对各检测指标的极差分析检测指标各检测指标极差值块石空间分布降雨强度坡度（）（）（）（）对于裂缝扩展最早达到坡宽的时间（），出现最大的极差为 ，其值为降雨强度极差的 倍、块石空间分布极差的 倍多。最大极差所对应的影响因素为坡度，说明坡度变化对土石混合体边坡裂缝扩展的影响最大并且远远大于其他两个因素。可以发现在降雨强度为 条件下，块石空间分布于土石混合体前中端，坡体坡度为时（）最小，即 试验组。说明从裂缝出现后，该环境下的土石混合体更容易发展为达到坡宽的横向裂缝，此时同样需重视实际野外现场的监测与巡视工作。观察发现 实验组（）最小，即在降雨强度为 条件下，块石空间分布于土石混合体后缘，坡体坡度为 时更容易出现坡体的坍滑。这一结论不同于上述（）和（），说明土石混合体最早出现坍滑的时间与坡体裂缝的发展时间不具有很大的相关性。实验组的（）最小，说明在该环境下的土石混合体坡体更容易从开始出现坍滑发展为完全坍滑。可以发现该结论与上述（）结论一致，坡体完全坍滑的时间与坡体裂缝的发展时间相关性小，与坡面最早坍第 卷 第 期 年 月 山西建筑 滑时间相关性显著。根据公式计算正交试验各组（）和（），计算结果如表 所示。表 正交试验（），（）结果表试验号检测指标（）（）由表 可知，试验组的（）和（）均最小，即降雨强度为 条件下，块石空间分布于土石混合体前中端，坡体坡度为。说明在该环境下土石混合体从出现裂缝待扩展至坡宽横向裂缝的时间、出现坍滑发展为完全坍滑的时间最短，这就意味着留给人们预警灾害和采取措施的机动时间更短。因此，对于此类环境下的土石混合体边坡需要重点关注。方差分析为研究各因素对土石混合体边坡稳定性的显著性大小，对表 中的数据进行方差计算，得到各检测指标的方差分析表见表 表。表 检测指标（）的方差分析影响因素降雨强度（）坡度（）误差类平方和 自由度均方 比 显著性 表 检测指标（）的方差分析影响因素降雨强度（）坡度（）误差类平方和 自由度均方 比 显著性 表 检测指标（）的方差分析影响因素降雨强度（）坡度（）误差类平方和 自由度均方 比 显著性 表 检测指标（）的方差分析影响因素降雨强度（）坡度（）误差类平方和 自由度均方 比 显著性 通过表 表 中数据分析，各检测指标的方差分析中，坡度的显著性水平均小于 ，说明坡度对土石混合体边坡稳定性具有显著性影响，而降雨强度的显著性水平均大于，说明降雨强度对土石混合体边坡稳定性没有明显影响。观察表 表 中坡度因素的 比值，各检测指标由大到小依次为：（）（）（）（）。即针对坡度影响因素，对土石混合体坡体坍滑的显著性影响大于坡体裂缝扩展的显著性影响，说明坡度因素更容易造成土石混合体坡体的坍滑。对于坡体裂缝发展来说，主要影响原因可能是降雨使得雨水渗入土石混合体，增加坡体自重水压力，降低土体的抗剪强度，从而导致裂缝的扩展贯通。结论）极差分析中，各检测指标的极差大小均为：坡度 降雨强度 块石空间分布，坡度因素对土石混合体边坡稳定性影响最大。（），（）最小值所处实验组不同，且不同于（），（）。而（），（），（）和（）最小值均为同一试验组，裂缝的扩展和坡体的完全坍滑时间与裂缝和坍滑最早出现的时间无关，与裂缝扩展至坡宽横向裂缝的时间差和出现坍滑发展为完全坍滑的时间差相关，应重点关注此类情况下的土石混合体。）方差分析中，坡度较降雨强度对土石混合体边坡稳定性具有显著性影响。且坡度对于土石混合体坍滑显著性影响大于坡度对土石混合体裂缝扩展贯通至坡宽的显著性影响。参考文献：油新华，汤劲松 土石混合体野外水平推剪试验研究 岩石力学与工程学报，（）：董 云 土石混合料强度特性的试验研究 岩土力学，（）：舒志乐，刘新荣，刘保县，等 土石混合体粒度分形特性及其与含石量和强度的关系 中南大学学报（自然科学版），（）：周 中，傅鹤林，刘宝琛，等 土石混合体边坡人工 第 卷 第 期 年 月 杨 芍：降雨作用下土石混合体稳定性研究降雨模拟试验研究 岩土力学，（）：，（）：黄海萍，周杰，任永忠 甘肃某黄土路堑边坡降雨入渗稳定性分析 山西建筑，（）：简文星，许强，童龙云 三峡库区黄土坡滑坡降雨入渗模型研究 岩土力学，（）：，：，（）：孙红月，吴红梅，李焕强，等 松散堆积土中的隔水层对边坡稳定性的影响 浙江大学学报（工学版），（）：董 辉，罗 潇 强降雨作用下堆积碎石土渗流规律研究 工程地质学报，（）：，（）：（，）：，：，；，：；（上接第 页）张煜 加筋路基简化模型及筋土相互作用特征分析 保定：河北大学硕士学位论文，（）：，（）：高海军，董丁明，赵琪，等 循环荷载作用下加筋土路基动力响应研究 防灾减灾工程学报，（）：赵志东 土工格栅加筋碎石垫层在公路软基处理中的应用 山西建筑，（）：姚勇祥 沿海软土地区岩土工程勘察探索 工程技术研究，（）：张星星 公路软土地基处理及沉降分析 邯郸：河北工程大学硕士学位论文，杜鑫 黄土 颗粒混合轻质土的性能研究 西安：长安大学硕士学位论文，（，）：，：；第 卷 第 期 年 月 山西建筑