DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.027

降雨对炭质泥岩-土分层路堤渗流与变形影响的模型试验

付宏渊，陈镜丞，曾铃，邱祥

(长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙，410004)

摘要：为研究降雨入渗对炭质泥岩-土分层路堤渗流特征与稳定性的影响，基于室内模型试验，利用含水率、张力计、土压力盒等测试元件，开展炭质泥岩-土分层路堤渗流及变形特性对降雨响应的物理模型试验。研究结果表明：在降雨条件下，边坡内部土体含水率(基质吸力)的变化规律可以归纳为基本稳定、快速增长(降低)、缓慢增加(降低)与持续降低(升高)共4个阶段，分层填筑路堤中的低渗透性土层能降低雨水在高渗透性土层中的迁移速率；在降雨过程中，坡体内部土体含水率的升高幅度与高程成反比，含水率的下降幅度与高程成正比，含水率的响应时间、升降幅度与距坡面的距离成反比，基质吸力随时间的变化规律与含水率随时间的变化规律基本相反；降雨开始后，坡脚下部土体应力沿坡体内部水平指向坡面的方向先增大后减小，坡顶水平位移沿坡体内部水平指向坡面的方向、坡顶竖直位移沿竖直向下的方向持续增大，坡脚下部土体应力、坡顶位移的变化与边坡稳定性的变化具有较大的相关性。

关键词：分层路堤；模型试验；降雨入渗；炭质泥岩；渗流特性；变形特征

中图分类号：TU416        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)11-2852-09

Model test on effect of rainfall on seepage and deformation of carbonaceous mudstone-soil stratified embankment

FU Hongyuan, CHEN Jingcheng, ZENG Ling, QIU Xiang

(School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)

Abstract: In order to study the effect of rainfall infiltration on seepage characteristics and stability of carbonaceous mudstone-soil stratified embankment, physical model test of carbonaceous mudstone-soil stratified embankment under rainfall condition was carried out based on indoor model test method. In this test, water quality tester, tension meter, earth pressure box and dial gauge were used. The results show that under condition of rainfall, the variation laws of soil water content inside the slope (matrix suction) can be summarized into four stages, i.e. basic stability, rapid increase (decrease), slow increase (decrease) and continuous decrease (increase). The low-permeability soil in stratified embankment can reduce the migration rate of rainwater in high permeability soil. During the rainfall process, the increase of soil water content in the slope is inversely proportional to the elevation and the decrease of soil water content is proportional to the elevation. The response time and amplitude of soil water content are inversely proportional to the distance from slope surface. The change law of matrix suction with time is basically opposite to that of water content. When rainfall begins, the soil thrust under slope foot first increase in the direction of pointing horizontally to slope surface along the inside of slope, and then decreases. The horizontal displacement of slope top increase in the direction of pointing horizontally to slope surface and vertical displacement of slope top continuously increase along the vertical downward direction. The change of thrust under slope foot and displacement of slope top have a great correlation with the slope stability.

Key words: stratified embankment; model experiment; rainfall infiltration; carbonaceous mudstone; seepage characteristics; deformation characteristics

炭质泥岩广泛分布于我国西南部地区，由于其水理性强、易风化、强度低、变形大，在以往公路建设中常作为不良填料废弃，但随着我国高速公路建设的快速发展，很多地区适宜填料极为匮乏，从经济与环保2个方面考虑，利用炭质泥岩进行路堤填筑势在必行^[1-3]。目前，工程上常采用完全崩解后的炭质泥岩与黏土分层交错填筑路堤，其目的是利用低渗透性的优质填料对入渗雨水进行阻隔，以减少渗入炭质泥岩层中的雨量，防止遇水后炭质泥岩持续崩解，从而达到提高路堤稳定性的目的^[4-5]。虽然工程建设者在进行炭质泥岩-土分层路堤施工时已经较为保守、谨慎，但由于目前还没有关于软岩用于路堤填筑的相关规范，因此，只能按照土质路堤填筑技术标准对炭质泥岩层进行填筑控制。但经调查发现，炭质泥岩-土分层路堤在填筑后湿化变形现象明显，甚至在个别路段发生整体失稳现象。造成炭质泥岩-土分层路堤湿化变形的根本原因主要有以下2个方面^[6-7]：1) 雨水进入崩解炭质泥岩层后导致炭质泥岩持续崩解，造成路堤填料强度劣化；2) 路堤内部土体含水率升高，重度增大，导致路堤边坡下滑力增大。由此可见，雨水是导致炭质泥岩路堤变形的关键因素。如何从机理上分析炭质泥岩-土分层路堤的失稳，其重要前提是分析雨水在炭质泥岩-土分层路堤内部的渗流及变形特征，因为边坡渗流与变形特征是反映其稳定性的重要指标，而且分层交错填筑形式是一种新型路堤结构。目前，分层交错填筑路堤在降雨条件下的渗流特征与稳定性方面的研究成果报道很少。已有文献在进行降雨入渗条件下边坡变形分析时，一般采用以下几种研究手段：

1) 在采用计算机语言对饱和-非饱和渗流数学模型进行程序化处理的基础上，结合土体渗透系数、土水特征曲线、重度与抗剪强度等物理力学参数，分析边坡降雨入渗过程及稳定性的变化规律。采用此方法进行边坡降雨入渗分析时，忽略了土体的非线性、各向异性、随机性等特征，导致计算结果与实际情况存在较大差异^[8-10]。

2) 通过位移与应力传感器对不同降雨时刻坡体内外变形与应力特征进行监测，并根据监测结果与工程经验对边坡稳定性进行评估。其评估结果因人而异，受人为因素的影响较大^[11-14]。

3) 通过制作小比例边坡模型，并在边坡模型中埋设含水率及应力应变等测试元件，研究人工模拟降雨条件下边坡内部渗流与变形特征的时空响应规律，揭示边坡雨水入渗及失稳机理。

由于模型试验方法具有模拟各种实际工况、便于观测、节约试验经费等诸多优点，因此，该方法在降雨条件下边坡稳定性研究方面得到了广泛应用^[15-17]。然而，目前已经开展的边坡降雨模型试验中，存在边坡模型较小、土质单一、降雨及降雨停止后持续时间较短等特征，且坡体内部含水特征、基质吸力的观测仅限于坡面附近土体^[18-19]，未能全方位体现路堤边坡内部渗流及变形特性的时空演变规律。为全面认识降雨对炭质泥岩-土分层填筑路堤渗流与变形特征的影响，分析黏土层的隔水效果，本文作者基于室内模型试验，利用含水率测试仪、张力计、土压力盒、千分表等测试元件，对降雨条件下边坡内部含水率、基质吸力、坡脚下部土体应力及坡顶位移的变化规律进行观测，并在此基础上，分析雨水的入渗过程、边坡的失稳机制及稳定性的时空演化规律，以期为降雨条件下炭质泥岩-土分层填筑路堤水分迁移及稳定性的长期控制提供借鉴与参考。

1  炭质泥岩-土分层路堤结构基本情况

在建的广西境内六寨至河池高速公路将预崩解后的炭质泥岩作为路堤填筑材料，如图1所示。

炭质泥岩与土的分层厚度按照每层40 cm进行控制。填筑前，在取料场地将较大体积的炭质泥岩岩块进行洒水崩解及人工干预破碎，使其填筑后满足如表1所示路用性能的基本要求^[20-21]。表1中分维数是立足于自相似性的，崩解炭质泥岩的分维数D计算式为

               (1)

式中：ε为标度；N(ε)为在此标度下所得到的量度值；D为崩解炭质泥岩的分维数。

图1  炭质泥岩-土分层填筑路堤

Fig. 1  Stratified embankment of carbonaceous mudstone-soil

表1  炭质泥岩路堤填料路用指标

Table 1  Road performance indexes of carbonaceous mudstone-soil embankment filler

2  模型试验相关参数及流程

2.1  模型试验仪器与土体参数

降雨入渗模型试验的路堤模型与试验仪器如图2所示。下面对本次试验所用的降雨支架、降雨喷头、增压水泵、模型箱、含水率测试仪、陶瓷张力计、千分表、土压力盒、土压力盒固定架等主要试验仪器的功能与参数进行介绍。路堤填料基本物理力学性质见表2。

表2  路堤填料基本物理力学性质

Table 2  Basic physical and mechanical properties of embankment filler

1) 降雨支架。由边长为1.5 cm的方钢焊接成长×宽×高为195 cm×100 cm×220 cm的框架结构，其作用为固定降雨喷头。

2) 降雨喷头。型号为AZ-W-1/2-0.5W实习锥型喷嘴，最大流量为0.5 L/min，覆盖半径为30 cm，其作用为模拟降雨。

3) 增压水泵。型号为FL-2202A喷雾隔膜泵，最大流量为3.8 L/min，其作用为给降雨喷头增压。

4) 模型箱。由1 cm厚钢板焊接成长×宽×高为 175 cm×80 cm×110 cm的填土箱与长×宽×高为10 cm×80 cm×45 cm的地下水位箱。填土箱用于填筑路堤模型，地下水位箱用于控制路堤模型初始地下水位。填土箱正面为1块厚为2 cm的透明有机玻璃板，用于观察模型填筑与降雨入渗情况。

图2  路堤模型与试验仪器

Fig. 2  Embankment model and test instrument

5) 含水率测试仪。型号为MP-406土壤水分传感器，量程为0~50%，测试精度为±2%，用于测试路堤内部土体含水率(注：本文中的所有含水率均为质量分数)。

6) 陶瓷张力计。型号为TEN-30土壤张力计，量程为0~100 kPa，测试精度为±1 kPa，用于测试路堤内部土体基质吸力。

7) 千分表。 型号为三丰数显千分表，量程为0~50.8 mm，测试精度为0.001 mm，用于测试坡顶水平位移与竖直位移。

8) 土压力盒。型号为TYJ-20-0.1振弦式土压力盒，量程为0~0.1 MPa，测试精度为±1.5%，用于测试坡脚下部应力。

9) 土压力盒固定架：由1 cm厚钢板焊接成长×宽×高为50 cm×25 cm×28 cm的倒“T”形结构，用于固定土压力盒。

2.2  模型试验流程

本次模型试验的流程可以概括为仪器调试、模型填筑、仪器布设与数据采集4个阶段。

1) 仪器调试。首先，按照图3(a)所示降雨喷头布设平面图在降雨支架顶部安装降雨喷头，调节降雨喷头的喷射方向与喷射流量，使路堤模型的降雨强度达到12 mm/h，且降雨均匀性满足95%的要求。然后，分别采用烘干法、真空抽气法、液压法对含水率测试仪、陶瓷张力计、土压力盒进行标定，其目的是确保试验过程中数据采集的准确性与精度。

图3  模型试验仪器布设平面图

Fig. 3  Layout plans of model test instrument

2) 模型填筑。

① 为防止模型填料中的砂砾损伤含水率测试仪探针与陶瓷张力计陶土头，将粉质黏土过1 mm圆孔筛、预崩解炭质泥岩过5 mm圆孔筛后备用。

② 按照比路堤填料最佳含水率大1%的目标含水率分别配置粉质黏土与炭质泥岩试样后，焖料48 h，使路堤填料内部水分扩散均匀。

③ 路堤模型与仪器布设立面图见图4。按照图4所示结构(地基部分为厚30 cm的砂土，路堤部分为厚20 cm的炭质泥岩与粉质黏土交错填筑，包边部分为厚15 cm的粉质黏土)填筑路堤模型。为保证路堤模型的均匀性，每层填筑厚度为10 cm，靠近坡面附近土体先超填20 cm后反挖至目标位置。每填完一层路堤填料后，用环刀取该层路堤填料，通过酒精燃烧法测量其含水率与干密度，若含水率不满足最佳含水率±1%，或干密度不满足最大干密度±2%的要求，则挖出后重填，直到含水率与干密度满足上述要求后，再进行下一层填筑。

图4  路堤模型与仪器布设立面图

Fig. 4  Embankment model and instrument layout elevation

④ 模型填筑完成后，通过地下水位箱调节路堤模型的地下水位至距模型底部10 cm高度处，同时，在路堤模型表面覆盖一层薄膜，并静置48 h，使路堤模型内部水分重新平衡。

3) 仪器布设。

① 地基部分填筑完成后，反挖土压力盒固定架附近砂土，在确保土压力盒受力面与固定架平行且与土体接触的前提下，根据图3(b)与图4所示土压力盒空间位置固定仪器，为了避免砂土中的粗颗粒导致土压力盒出现应力集中现象，采用细砂土进行回填处理。

② 第2，6，10和16号含水率测试仪在模型填筑完成后埋设，其余含水率测试仪在模型分层填筑过程中同步埋设。含水率测试仪的具体位置如图3(b)与图4所示。

③ 模型填筑完成后，按照图3(b)与图4所示张力计空间分布，用取土钻在模型箱背面钻取16个斜向下且与水平面成5°角的钻孔，在钻孔内灌满泥浆，插入张力计。

④ 降雨入渗开始前，用千分表支架将2个千分表固定在如图3(b)与图4所示位置，一支竖直向下，另一支水平指向坡面方向。

4) 数据采集。降雨入渗开始后，通过含水率测试仪、张力计、土压力盒与千分表采集降雨条件下路堤模型内部含水率、基质吸力、坡脚下部应力与坡顶位移的变化规律。本次试验共用时488 h，其中降雨持续时间为16 h，降雨停止后持续时间为472 h。在0~16 h内，每间隔1 h采集1次各试验仪器数据；在16~32 h内，每间隔2 h采集1次；在32~152 h内，每间隔8 h采集1次；在152~488 h内，每间隔24 h采集1次。

3  模型试验监测结果分析

降雨期间，模型内部各测点含水率、基质吸力、坡脚下部应力、坡顶位移的变化速率较快，且降雨持续时间远小于降雨停止后持续时间，为了便于分析、观察模型试验各测点监测结果随时间的变化规律，将时间坐标轴设置为对数坐标轴，时间坐标轴上1 h定义为降雨开始时间。此外，为了便于分析坡体内部含水率、基质吸力的响应特征，在模型内部设置如图4所示的4个特征截面：特征截面Ⅰ-Ⅰ(测点7，8，9和10号)位于距模型底部60 cm的水平面上；特征截面Ⅱ-Ⅱ(测点11，12，13，14，15和16号)位于距模型底部30 cm的水平面上；特征截面Ⅲ-Ⅲ(测点2，6，10和16号)位于沿坡面水平向内7.5 cm且与之平行的平面上；特征截面Ⅳ-Ⅳ(测点1，4，9和14号)位于沿坡面水平向内37.5 cm且与之平行的平面上。

3.1  路堤内部含水率变化规律

在降雨条件下，特征截面Ⅰ-Ⅰ(测点7，8，9和10号)与Ⅱ-Ⅱ(测点11，12，13，14，15和16号)含水率随时间的变化规律分别如图5和图6所示。分析图5和图6可知：

1) 降雨开始后，路堤内部土体含水率的变化规律可以归纳为基本稳定、快速增长、缓慢增加与持续降低4个阶段。此外，由于粉质黏土含水率增大至20.74%(0.8倍饱和含水率)、炭质泥岩含水率增大至19.92%(0.7倍饱和含水率)所需时间较短，故本文将0.8倍粉质黏土饱和含水率与0.7倍炭质泥岩饱和含水率定义为粉质黏土与炭质泥岩暂态饱和的界限。

图5  特征截面Ⅰ-Ⅰ(测点7，8，9和10号)含水率变化规律

Fig. 5  Change laws of water content of characteristic section Ⅰ-Ⅰ(Points 7, 8, 9 and 10)

图6  特征截面Ⅱ-Ⅱ(测点11，12，13，14，15和16号)含水率变化规律

Fig. 6  Change laws of water content of characteristic section Ⅱ-Ⅱ(Points 11, 12, 13, 14, 15 and 16)

2) 降雨期间，在同一水平面上，坡面附近土体(测点9，10，14，15和16)含水率依次升高，越靠近坡面的点，其含水率开始增大与进入暂态饱状态的时间越早，缓慢增加阶段的时间越长，增长的幅度越大，坡体内部土体(测点7，8，14，15和16)含水率基本不变；降雨停止后，对于坡体内部同一水平面上的土体(测点7，8，11，12和13)，距坡面越近，其含水率开始增大的时间越早，增长的幅度越大；坡面附近土体(测点9，10，14，15和16)含水率持续降低，越靠近坡面的点，其含水率下降幅度越大。产生此现象的原因是：在降雨条件下，在同一水平面上，雨水自坡面往坡体内部逐渐渗入，雨水渗入某一位置后，该处土体中的大开口、联通孔隙将被雨水迅速填充，之后，雨水将进一步缓慢地渗入到该处土体中的小开口、非联通孔隙中，因此，距坡面越近，其含水率开始增加的时间越早、增长的幅度越大，当含水率升高时，存在快速增长与缓慢增加2个阶段。降雨结束后，已经渗入坡面附近土体内的雨水在水力梯度与蒸发的双重作用下，一方面，坡面附近土体内的水分继续往坡体内部迁移，另一方面，坡面附近土体内的雨水会产生相变蒸发至大气中，故坡面附近土体含水率持续降低，坡体内部土体含水率依次升高。

图7和图8所示分别为特征截面Ⅲ-Ⅲ(测点2，6，10和16号)与特征截面Ⅳ-Ⅳ(测点1，4，9和14号)含水率随时间的变化规律。从图7和图8可知：

1) 在降雨条件下，雨水在基质吸力梯度与重力梯度的联合作用下，同时沿水平与竖直2个方向迁移，因此，降雨期间，距坡面等距离的土体含水率升高幅度与高程成反比，降雨停止后，距坡面等距离的土体含水率下降幅度与高程成正比。

图7 特征截面Ⅲ-Ⅲ(测点2，6，10和16号)含水率变化规律

Fig.7  Change laws of water content of characteristic section Ⅲ-Ⅲ (Points 2, 6, 10 and 16)

图8  特征截面Ⅳ-Ⅳ(测点1，4，9和14号)含水率变化规律

Fig. 8  Change laws of water content of characteristic section Ⅳ-Ⅳ(Points 1, 4, 9 and 14)

2) 降雨开始后，雨水渗入模型内部距坡面等距离的上层炭质泥岩(测点4)、下层粉质黏土(测点9)、下层炭质泥岩(测点14)的时间基本一致，且远早于渗入坡面等距离的上层粉质黏土(测点1)的时间。其原因是：雨水在渗入距坡面等距离的上层粉质黏土(测点1)时，只有沿水平方向的水分迁移，故其含水率的响应时间最晚；此外，虽然炭质泥岩饱和渗透系数远大于粉质黏土饱和渗透系数(前者是后者的8.69倍)，但包边粉质黏土的存在使得每层土体内渗入的雨水量基本一致，同时，炭质泥岩与粉质黏土之间基质吸力梯度的存在也会改变雨水在炭质泥岩内部的迁移方向，降低雨水在炭质泥岩内部的迁移速度，因此，除上层粉质黏土外，其余各层土体的雨水入渗速率基本一致。

3.2  路堤内部基质吸力变化规律

降雨开始后，特征截面Ⅰ-Ⅰ(测点7，8，9和10号)和Ⅳ-Ⅳ(测点1，4，9和14号)基质吸力随时间的变化规律分别如图9和图10所示。从图9和图10可以看出：

1) 降雨开始后，模型内部土体基质吸力的变化规律可以归纳为基本稳定、快速降低、缓慢降低与持续升高个阶段。

2) 在降雨条件下，在同一水平面上，坡体内部土体基质吸力的响应时间与距坡面的距离成正比，基质吸力下降幅度、缓慢降低阶段的时长、基质吸力升高幅度均与距坡面的距离成反比；与坡面等距的同一平面上，基质吸力下降幅度与高程成反比，基质吸力升高幅度与高程成正比。

图9  特征截面Ⅰ-Ⅰ(测点7，8，9和10号)基质吸力变化规律

Fig. 9  Change laws of matrix suction of characteristic section Ⅰ-Ⅰ(Points 7, 8, 9 and 10)

图10  特征截面Ⅳ-Ⅳ(测点1，4，9和14号)基质吸力变化规律

Fig. 10  Change laws of matrix suction of characteristic section Ⅳ-Ⅳ (Points 1, 4, 9 and 14)

对比分析图5与图9、图8与图10可知：

1) 在降雨条件下，坡体内部基质吸力随时间的变化规律与含水率随时间的变化规律基本相反。究其原因是：土体的含水率越高，孔隙的填充度越大，土颗粒周围的水膜越厚，水膜的表面张力越小，导致土体的基质吸力越小。

2) 降雨期间，粉质黏土层与炭质泥岩层之间基质吸力梯度的存在是导致不同土层之间雨水入渗速率基本一致的重要原因。

图11和图12所示分别为炭质泥岩、粉质黏土基质吸力随含水率的变化规律。从图11和图12可知：炭质泥岩、粉质黏土的基质吸力与含水率成反比。通过对比土体测点基质吸力与体积压力板仪试验结果可知：土体测点基质吸力与体积压力板仪试验结果变化趋势基本一致，两者之间的偏差较小。这表明本次模型试验所采用的含水率、基质吸力测试仪器是可行的，相应的含水率、基质吸力测试结果可靠。

图11  炭质泥岩基质吸力与含水率之间的关系

Fig. 11  Relationship between matrix suction and water content of carbonaceous mudstone

图12  粉质黏土基质吸力与含水率之间的关系

Fig. 12  Relationship between matrix suction and water content of silty clay

3.3  坡脚下部土体应力变化规律

降雨条件下坡脚下部应力的变化规律如图13所示(以沿坡面水平指向坡体内部为正)。由图13可知：

1) 在降雨条件下，距坡脚越近，坡脚下部土体应力的响应时间越早；在同一时刻，所对应的坡脚下部土体应力越大，坡脚下部土体应力的增长幅度、下降幅度均与距坡脚距离成反比。

2) 降雨开始后，坡脚下部土体应力沿坡体内部水平指向坡面的方向先增大后减小，坡脚下部土体应力的峰值出现在降雨停止后一定时间内(降雨停止后2 h)。出现该变化的原因是：在降雨条件下，雨水自坡面沿水平与竖直2个方向渗入坡体内部，距坡脚越近，雨水渗入的时间越早，土体应力的响应时间越早；同时，过坡脚下部的边坡潜在滑动面，其深度越小，土压力(主应力和侧应力)越小，稳定性越低，受雨水渗入与蒸发的影响程度越大。降雨开始后，坡脚下部土体应力随土体重度的增加与土体基质吸力的丧失逐渐增大，降雨停止一段时间内(降雨停止2 h内)，土体基质吸力丧失引起边坡稳定性下降的幅度大于土体重度减小引起边坡稳定性增加的幅度，当降雨停止2 h后，坡脚下部土体应力随土体重度的减小与土体基质吸力的恢复持续减小。

图13  坡脚下部土体应力变化规律

Fig. 13  Change laws of soil thrust under slope foot

3.4  坡顶位移变化规律

图14所示为降雨开始后坡顶水平位移、竖直位移的变化规律(以竖直向上与沿坡面水平指向坡体内部为正)。由图14可知：

1) 在降雨条件下，坡顶水平位移沿着坡体内部水平指向坡面的方向、坡顶竖直位移沿着竖直向下的方向持续增大。

2) 当降雨停止一段时间后(如降雨停止2 h)，坡顶水平位移与竖直位移均出现了拐点。其原因是：降雨开始后，随着雨水入渗深度的不断增大，坡面附近土体的含水率持续升高，基质吸力逐渐丧失，导致边坡的下滑力不断增大，抗滑力持续减小，稳定性逐渐降低；降雨停止后，坡面附近土体孔隙水在水力梯度的作用下继续向坡体内部迁移，坡体内部土体基质吸力持续降低，边坡抗滑力不断减小，同时，随着坡面附近土体孔隙水的蒸发，坡面附近土体的含水率不断减小，边坡下滑力不断减小；降雨停止一定时间内(降雨停止2 h内)，边坡抗滑力减小引起边坡稳定性下降的幅度大于边坡下滑力减小起边坡稳定性增加的幅度；当降雨停止一定时间后(降雨停止2 h后)，雨水渗入边坡土体引起边坡潜在滑动面抗滑力减少导致边坡稳定性下降，但随雨水的排出，土体重度减少，下滑力减少引起边坡稳定性提高的幅度比抗滑力减少引起稳定性下降的幅度大。

图14  坡顶位移变化规律

Fig. 14  Change laws of top displacement of slope

4  讨论

在降雨条件下，边坡稳定性最低的时间并不一定是降雨停止时间。若降雨停止时雨水的入渗深度小于边坡潜在滑动面的深度，则降雨结束后，随着雨水继续下渗，边坡潜在滑动面上基质吸力丧失引起边坡抗滑力下降的幅度可能大于水分蒸发引起边坡下滑力增加的幅度，即边坡安全系数的最低值可能在降雨停止后一定时间内出现。另外，在选择边坡失稳预警因子时，除降雨强度、降雨时间、位移等常规指标外，渗流特征(如含水率、基质吸力)和应力状态(如坡脚下部土体应力)与边坡的稳定性密切相关，引入渗流指标和关键部位力学指标作为边坡失稳预警因子十分必要。

5  结论

1) 在降雨入渗作用下，坡体内部土体含水率的变化规律可以归纳为基本稳定、快速增长、缓慢增加与持续降低4个阶段，基质吸力的变化规律可以归纳为基本稳定、快速降低、缓慢降低与持续升高4个阶段。分层填筑路堤中的低渗透性土层能降低雨水在高渗透性土层中迁移速率。

2) 在降雨期间，边坡内部土体高程越低、距坡面越近，土体含水率的升高幅度越大，基质吸力的下降幅度越大，响应时间越早，形成暂态饱和区的时间也越早；降雨停止后，坡体内部土体高程越高、距坡面越近，土体含水率的下降幅度越大，基质吸力的升高幅度越大。

3) 降雨开始后，坡脚下部土体应力沿坡体内部水平指向坡面的方向先增大后减小，其增长幅度、响应时间与距坡脚的距离成反比，坡顶水平位移沿坡体内部水平指向坡面的方向、坡顶竖直位移沿竖直向下的方向持续增大。

4) 坡脚下部土体应力、坡顶位移是评价降雨入渗作用下边坡稳定性的重要指标，坡脚下部土体应力峰值、坡顶位移拐点的出现时间与边坡潜在滑动面和降雨入渗深度具有较大的相关性。

参考文献：

[1] 曾铃, 邱祥, 付宏渊, 等. 考虑损伤及非饱和效应的炭质泥岩路堤稳定性分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2016, 47(10): 3546-3554.

ZENG Ling, QIU Xiang, FU Hongyuan, et al. Stability analysis of carbonaceous mudstone embankment considering damage and unsaturation effect[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2016, 47(10): 3546-3554.

[2] 曾铃, 付宏渊, 贺炜, 等. 三轴CT条件下预崩解炭质泥岩路堤填料的细观试验[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2014, 45(3): 925-931.

ZENG Ling, FU Hongyuan, HE Wei, et al. Micro mechanical analysis of pre-disintegrating carbonaceous mudstone for embankment filling material based on triaxial CT test[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2014, 45(3): 925-931.

[3] ZENG Ling, BIAN Hanbing, SHI Zhenning, et al. Forming condition of transient saturated zone and its distribution in residual slope under rainfall conditions[J]. Journal of Central South University, 2017, 24(8): 1866-1880.

[4] 郑明新, 袁钎, 涂文靖, 等. 考虑路堤分层填筑的沉降修正计算方法[J]. 土木工程学报, 2015, 48(S2): 274-278.

ZHANG Mingxin, YUAN Qian, TU Wenjing, et al. A new method of settlement calculation for embankment with respect to layered construction[J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(S2): 274-278.

[5] 张锐, 郑健龙. 公路膨胀土路堤湿度平衡规律研究[J]. 公路交通科技, 2013, 30(11): 24-32.

ZHANG Rui, ZHENG Jianlong. Study on moisture equilibrium of highway expansive soil embankment[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2013, 30(11): 24-32.

[6] 杜秦文, 刘永军, 曹周阳. 变质软岩路堤填料湿化变形规律研究[J]. 岩土力学, 2015, 36(1): 41-46.

DU Qinwen, LIU Yongjun, CAO Zhouyang. Large-scale triaxial tests on metamorphic soft rock embankment filler for wetting deformation characteristics[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(1): 41-46.

[7] 迟世春, 周雄雄. 堆石料的湿化变形模型[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(1): 48-55.

CHI Shichun, ZHOU Xiongxiong. Slaking deformation model for rockfill materials[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(1): 48-55.

[8] 蒋中明, 曾铃, 付宏渊, 等. 极端久雨条件下软岩边坡动态稳定性分析[J]. 中国公路学报, 2014, 27(2): 28-34.

JIANG Zhongming, ZENG Ling, FU Hongyuan, et al. Dynamic stability of soft rock slope due to extremely prolonged rainfall[J]. China Journal of Highway and Transport, 2014, 27(2): 28-34.

[9] 谢瑾荣, 周翠英, 程晔. 降雨条件下软岩边坡渗流-软化分析方法及其灾变机制[J]. 岩土力学, 2014, 35(1): 197-203.

XIE Jinrong, ZHOU Cuiying, CHENG Ye. Method of Seepage-softening analysis and disaster mechanism in soft rock slope under rainfall[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(1): 197-203.

[10] SEBOONG O H, NING Lu. Slope stability analysis under unsaturated conditions: case studies of rainfall-induced failure of cut slopes[J]. Engineering Geology, 2015, 184: 96-103.

[11] 周中, 傅鹤林, 刘宝琛, 等. 堆积层边坡人工降雨致滑的原位监测试验研究[J]. 中国铁道科学, 2006, 27(4): 11-16.

ZHOU Zhong, FU Helin, LIU Baochen, et al. In-situ monitoring test study on artificial rainfall infiltration of a well-instrumented accumulation slope[J]. China Railway Science, 2006, 27(4): 11-16.

[12] 李萍, 李同录, 王阿丹, 等. 黄土中水分迁移规律现场试验研究[J]. 岩土力学, 2013, 34(5): 1331-1339.

LI Ping, LI Tonglu, WANG Adan, et al. In-situ test research on regularities of water migration in loess[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(5): 1331-1339.

[13] 刘海松, 倪万魁, 杨泓全, 等. 黄土路基降雨入渗现场试验[J]. 地球科学与环境学报, 2008, 30(1): 60-63.

LIU Haisong, NI Wankui, YANG Hongquan, et al. Site test on infiltration of loess subgrade under rainfall circumstance[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2008, 30(1): 60-63.

[14] 孔令伟, 陈建斌, 郭爱国, 等. 大气作用下膨胀土边坡的现场响应试验研究[J]. 岩土工程学报, 2007, 29(7): 1065-1073.

KONG Lingwei, CHEN Jianbin, GUO Aiguo, et al. Field response tests on expansive soil slopes under atmosphere[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(7): 1065-1073.

[15] 李龙起, 罗书学, 王运超, 等. 不同降雨条件下顺层边坡力学响应模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(4): 755-762.

LI Longqi, LUO Shuxue, WANG Yunchao, et al. Model tests for mechanical response of bedding rock slope under different rainfall conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(4): 755-762.

[16] 占清华, 王世梅, 谈云志, 等. 降雨及库水作用对滑坡影响规律试验系统研究[J]. 长江科学院院报, 2013, 30(11): 32-38.

ZHAN Qinghua, WANG Shimei, TAN Yunzhi, et al. Test system for landslide caused by rainfall and reservoir water fluctuation[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2013, 30(11): 32-38.

[17] 李龙起, 罗书学, 魏文凯, 等. 降雨入渗对含软弱夹层顺层岩质边坡性状影响的模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(9): 1772-1778.

LI Longqi, LUO Shuxue, WEI Wenkai, et al. Model Tests of rainfall infiltration effect on bedding rock slope with weak interlayer[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(9): 1772-1778.

[18] 李焕强, 孙红月, 孙新民, 等. 降雨入渗对边坡性状影响的模型实验研究[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(4): 589-594.

LI Huanqiang, SUN Hongyue, SUN Xinmin, et al. Influence of rainfall infiltration on slopes by physical model test[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(4): 589-594.

[19] DAHAL R K, HASEGAWA S, YAMANAKA M. Comparative analysis of contributing parameters for rainfall-triggered landslides in the Lesser Himalaya of Nepal[J]. Environment Geology, 2009, 58: 567-586.

[20] 罗根传, 付宏渊, 贺炜. 炭质页岩崩解特性的试验研究[J]. 中外公路, 2012, 32(3): 309-311.

LUO Genchuan, FU Hongyuan, HE Wei. Study on Disintegration characteristics of carbonaceous shale[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2012, 32(3): 309-311.

[21] 罗根传, 付宏渊, 贺炜. 预崩解处理后炭质泥岩路用性能试验研究[J]. 中外公路, 2012, 32(1): 34-37.

LUO Genchuan, FU Hongyuan, HE Wei. Study on pavement performance of carbon mudstone after pre-processing disintegration[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2012, 32(1): 34-37.

(编辑  陈灿华)

收稿日期：2017-12-11；修回日期：2018-03-02

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51578079，51678074，51838001，51878070) (Projects(51578079, 51678074, 51838001, 51878070) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：曾铃，博士，副教授，从事岩土工程、道路工程研究；E-mail: zlbingqing3@126.com