降雨入渗对黄土边坡抗剪强度的影响

降雨入渗对黄土边坡抗剪强度的影响

陈兴宏

中铁第一勘察设计院集团有限公司  陕西省西安市710000

摘要：宜君车站是西安至延安高速铁路新建站点之一，目前处于施工阶段。受2021年降雨量增大影响，区域内形成埋深较浅的上层滞水，场区坡面覆盖层性质较差，局部开挖易形成工程滑坡。2022年通过对车站范围内黄土边坡（施工阶段）土样进行物理力学指标试验，结合定测阶段试验数据，探讨了降雨对车站黄土边坡的抗剪强度影响。结果表明，施工阶段黄土的含水率、液性指数等物理参数较降雨之前明显增大，而摩擦角、粘聚力等力学参数明显减小。因此，由于降水增多而使黄土含水率增大、力学指标降低是导致宜君站工程范围内黄土边坡局部变形、失稳的主要原因。

关键词：宜君车站；降雨；黄土；含水率；抗剪强度

1、工程概况

新建铁路西安至延安线位于陕西关中及陕北地区，宜君车站是其新建站点之一。宜君车站位于陕西省铜川市宜君县城西侧，线路以挖方及填方形式通过，最大挖方高度28.6m，最大填方高度6.1m，线路总长为1502m，于2017年完成定测[1]。2022年3月，施工单位在宜君车站进行施工开挖，局部坡面受开挖影响，表层黄土有蠕动变形，形成工程滑坡或溜坍。

2、自然地理概况

2.1地形地貌

宜君车站位于黄土沟壑区，沿斜坡坡面西南-东北方向延伸，线路跨越多个小型“V”型冲沟，沟两侧较为平缓，坡度约5°~15°，沿线地形起伏较大，线路处地面高程1245~1295，高差约50m[2]。该处地形北侧为斜坡坡顶、东西两侧为黄土梁，呈3 面高岗围起来的“凹”形坡，易于地表水、地下水的汇集。

2.2地质构造

车站位于中朝准地台一级构造单元，陕甘宁台坳二级构造单元，陕北台凹三级构造单元。陕北台凹为一大型向斜构造，长轴走向近南北，两翼不对称，西翼倾角3~10°，东翼宽缓，倾角1°左右，次级褶皱以短轴背斜、鼻状背斜等平缓拱形隆起为主，断裂不发育，仅见于子午岭造山带。域内地表多被厚层第四系地层覆盖，全新世以来活动不明显。

2.2地层岩性

车站地层主要分为第四系全新统坡积粘质黄土、块石土，上更新统风积粘质黄土、残积古土壤，中更新统风积粘质黄土、残积古土壤，三叠系上统砂岩和页岩主要层状分布于土层下部，两者互层分布。

2.3气候特征

沿线气候属北暖温带亚湿润型气候区，具有冬季寒冷、夏季炎热，温差悬殊，四季明显的特征。春季干旱多风，升温急剧；夏季湿热多雨；秋季气温骤降，短暂多风；冬季雨雪稀少，干冷漫长。根据铜川市宜君县气象站气象资料，区内年平均气温10.1℃，极端最高气温34.6℃，极端最低气温-21℃，年平均降雨量为710.4mm，年平均蒸发量为1604.3mm，土壤最大冻结深度41cm[3]。

2.4水文地质

车站地表水不发育，未见河流；地下水主要是第四系孔隙水和基岩裂隙水，其中孔隙水赋存于第四系中更新统粘质黄土层中，此外，降水后，雨水沿黄土孔隙下渗，在古土壤层顶面及土石界面附近富集滞留，形成上层滞水；基岩裂隙水赋存于三叠系砂、页岩层中。地下水主要受大气降水补给，无侵蚀性。但施工开挖期间，车站范围内地表水明显增加，主要位于地形低洼及冲沟处，水量较小，多为地下水沿坡面渗出。

3、实验与方法

利用宜君车站定测阶段和施工阶段的土工试验数据，分析了降雨对黄土含水率影响、以及含水率对黄土强度指标的关系。

试验数据采用SPSS、excel和origin进行统计分析和绘图。相关分析采用皮尔逊相关系数法。

4、原因分析

4.1降雨对黄土含水率的影响

黄土是中国重要的土地资源之一，其含水率是影响黄土物理性质和力学性质的重要参数。降雨是黄土含水率的主要影响因素之一，对黄土含水率的影响十分显著。降雨会导致黄土含水率的增加。当降雨发生时，降水渗入土壤中，填充了孔隙空间，使得黄土中的含水量增加。此外，降雨还会增加土壤表面的水分蒸发量，使得黄土表层的含水率更高。黄土含水率的增加会对黄土的力学性质产生影响。黄土在干燥状态下具有较好的强度和稳定性，但当含水率增加时，黄土的强度和稳定性会下降。这是因为黄土中的水分会改变其内部结构，使其变得松散和易变形。

在陕西黄土地区，地下水的补给源主要是大气降水，黄土层中的含水状况主要取决于降雨强度和黄土的吸渗能力。该地区多年平均降雨量多集中在7～9月份，占全年降水量的60％～80％，且以暴雨为主，降水量集中而短暂。暴雨在斜坡地带多以径流方式排泄，但大部分区域由于黄土层质地疏松、土层吸收降雨的容量很大，因此，降水可在地表无积水状态下入渗。

2021年陕西省降水量异常偏多，全省平均降水量965.5毫米，较常年平均偏多53.6%，排1961年以来第1位。降水极端性强、雨强大、暴雨过程多，持续时间长。2021年陕西秋雨于8月30日开始，10月21日结束，秋雨期52天，较常年秋雨期长度（30天）显著偏长。秋雨监测区平均累计降水量为489.9毫米，是常年秋雨总量（138.9 毫米）的3.5倍多，为1961年以来历史同期最多。

根据收集的近五年气象资料，宜君县2021年降雨量较往年显著增大，2021年降雨量为2017~2020年均降雨量的1.64倍，其中9月、10月份降雨量分别为2017~2020年9、10月份平均降雨量的4.33倍和3.72倍（图1）。由于冬季蒸发能力较弱，宜君车站范围内在2021年11月~2022年3月份间，积攒了大量的降水，施工阶段宜君车站范围内黄土含水率和液限均比定测阶段显著增大（图2）。

图1 宜君县2017年-2021年降雨量分布

图2 定测阶段和施工阶段黄土中含水率、液限分布

4.2黄土强度指标与含水率的关系

黄土是一种常见的土壤类型，其工程性质受到多种因素的影响。其中，黄土的强度指标与含水率之间的关系备受关注。童丽萍等[4]研究表明当含水量小于10%时，黄土具有较高的强度；当含水量大于20% 时，土体粘聚力及抗剪强度都明显下降。曹晓毅[5]等研究表明当含水量小于12%左右时，随着含水量的增大，粘聚力降低迅速；当含水量在12%~23%时，随含水量的增大，粘聚力降低缓慢，降低幅度较小，当含水量大于23%左右时，随含水量的增大，粘聚力降低趋势再次变陡。李国荣[6]等通过现场试验和实验室直剪试验，发现降雨入渗对黄土坡体含水量和抗剪强度的影响非常明显，表层土体含水量每增加1. 01%，其粘聚力减小13. 53 kPa，土体抗剪强度降低16 kPa。张少宏[7]等研究表明天然结构的黄土当含水率增加时，其力学性质随之变化，抗剪强度的两个参数即凝聚力和内摩擦角均降低，导致黄土的抗剪强度降低，使原本稳定的边坡可能变为不稳定，发生边坡失稳。

黄土中粘聚力、内摩擦角和含水率的相关关系如图3。黄土中的粘聚力、内摩擦角和含水率呈线性相关，相关系数分别为R2=0.88(P<0.01)、 R2=0.90(P<0.01)，均呈极显著相关，粘聚力和内摩擦角受土壤中含水量影响，当含水率在20%~35%时，随着含水率的增大，粘聚力和内摩擦角降低迅速。含水率越大，溶解于水的胶结物越多，土颗粒之间的胶结作用越小，粘聚力和内摩擦角明显下降，黄土的抗剪强度也随之减小[8]。

图3 黄土的粘聚力、内摩擦角和含水率的关系

由于2021年9月和10月宜君县降雨量剧增，冬季蒸发量较弱，宜君车站范围内积攒了大量的降水，在低洼处形成零星水坑，且古土壤层、土石界面渗透性较差，为相对隔水层，易于水体汇集，在车站范围低洼地势地形的区域内局部形成埋深较浅上层滞水，位于黄土层中，且分布不连续、无规律、连通性差。黄土受水的长期浸泡软化影响，含水率逐渐升高，粘聚力和内摩擦角明显减小（图4），抗剪强度降低，性质持续变差，导致宜君站工程范围内黄土边坡局部变形、失稳，形成工程滑坡。

图4 定测阶段和施工阶段黄土中粘聚力、内摩擦角分布

试验结果表明黄土的强度指标与含水率之间存在一定的函数关系。一般来说，当含水率增加时，黄土的强度指标会降低。这是因为水分会填充黄土颗粒之间的空隙，使其失去原有的结构稳定性。同时，水分还会增加黄土内部的孔隙水压力，导致其抵抗力下降。但是，有研究结果表明当含水率达到一定程度时，黄土的强度指标反而会增加[9，10]。这是因为在一定范围内，适量的水分可以填充空隙，增加黄土颗粒之间的接触面积，从而提高其粘聚力和摩擦力。同时，水分还可以减少黄土颗粒之间的静电斥力，使其更易于紧密排列。因此，在实际工程中，需要根据具体情况来确定黄土的最佳含水率。当需要提高黄土的抗压、抗拉、剪切等强度指标时，可以通过控制含水率来实现。

5、结论与建议

（1）当含水率位于20%~35%，黄土的粘聚力和内摩擦角随含水率的增大而减小，抗剪强度也随之减小。

（2）降雨增多而使黄土含水率增大、抗剪强度降低是导致宜君车站工程范围内黄土边坡局部变形、失稳的主要原因。

（3）黄土边坡长时间暴露或雨季施工易产生工程滑坡，基坑开挖时必须严格按规范要求施工，并做好地表防排水措施，确保安全；挖方边坡坡率应根据土体剪切指标重新计算确定。

参考文献

[1]麻立新. 西延高铁沿线土岩接触面型黄土滑坡致灾因素及稳定性分析[D].西南交通大学,2018.

[2]中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路西安至延安线可行性研究报告[R].2022.

[3]郑小乐. 坡脚开挖引发的边坡变形破坏机理及治理方案优选[D].长安大学,2016.

[4]童丽萍,韩翠萍.黄土材料和黄土窑洞构造[J].施工技术,2008,No.297(02):107-108.

[5]曹晓毅,李萍.含水量对晋西黄土抗剪强度影响的试验[J].煤田地质与勘探,2014,42(05):77-80+99.

[6]李国荣,陈文婷,朱海丽等.青藏高原东北部黄土地区降雨入渗对土质边坡稳定性的影响研究[J].水文地质工程地质,2015,42(02):105-111.

[7]张少宏,康顺祥,李永红.降雨对黄土边坡稳定性的影响[J].水土保持通报,2005(05):46-48.

[8]张雄,刘永行,刘庆元.延安地区降雨入渗对黄土抗剪强度影响研究[J].延安大学学报(自然科学版),2017,36(04):81-83+86.

[9]李保雄,苗天德.黄土抗剪强度的水敏感性特征研究[J].岩石力学与工程学报,2006(05):1003-1008.

[10]王弘起,孙杰龙,李大卫等.不同含水率高填方黄土抗剪强度试验研究[J].岩土工程技术,2022,36(06):507-510.