0 引言
随着我国交通基础设施向西南山区持续延伸，大批公路、铁路及相应附属相继建成，大型人工堆积体工程日益增多。如何科学地开展堆积体工程边坡稳定性研究成为重要课题
[1-2]。现场试验、数值模拟和室内缩尺物理模型试验是岩土工程的主要研究方法
[3-5]。鉴于现场试验成本高、数值模拟需假设条件，具有方便观察、可重复操作和成本低等优势的室内缩尺模型试验被广泛应用。该技术通过构建与原型环境类似的模拟试验，获取相关数据并进行验证补充
[6-8]。因此，大型人工堆积体工程研究，除采用现场试验与数值模拟外，需辅以室内缩尺物理模型试验，以实现安全、经济、绿色的目标。
相似材料的研制是物理模型试验开展的前提条件，也是决定模型能否真实反映原型物理性质的关键因素
[9-11]。学者们针对相似材料研制与物理模型试验方面开展了大量的研究。在相似材料研制方面，ZHAO等
[12]用河砂、重晶石粉、黏土、石膏和硅藻土配制了湿陷性黄土相似材料，成功应用于煤层开采试验。陈帆等
[13]选用黏土、重金石粉、河砂和水成功配置黏土相似材料，再现了地铁隧道涌水涌砂灾害演化过程。杜家庆等
[14]基于正交试验以铁粉、锯末、膨润土和水，获得了郑州市轨道交通盾构掘进粉质黏土地层相似材料。在物理模型试验方面，WEI等
[15]通过野外调查、室内模型试验，分析了降雨入渗条件下滑坡破坏部位区域差异特征。窦晓东等
[16]采用物理模型试验、理论分析等方法，研究强降雨作用下裂缝发育古滑坡破坏机理。翟淑花等
[17]通过降雨入渗作用下不同颗粒物质组成堆积体失稳模型试验，系统分析了密实度、物质组成、坡度等对边坡稳定性影响。曹硕鹏等
[18]通过红黏土边坡裂隙演化、降雨入渗及冲刷模型试验，揭示了红黏土边坡裂隙演化规律与渗流冲刷特征。上述研究成果为进一步研究自然边坡破坏机理提供了理论参考，但是对于人工堆积体边坡的相关研究较少。
因此，本文以某人工堆积体边坡工程为研究对象，基于正交试验开展相似材料配比研究，并利用自制模型开展降雨模拟试验，分析降雨作用下人工堆积体边坡变形规律，为人工堆积体边坡模型试验提供参考。
1 相似材料配比试验研究
1.1 材料特性相似理论
物理模型试验基于相似理论，通过建立模型与原型的定量相似关系，揭示复杂现象的内部规律。在降雨模型试验中，选取几何相似比
CL 为
n，容重与重力加速度相似比为1，原型与模型参数相似比见
表1。
1.2 相似原材料选择
依据现场土质材料特性与文献[
13-
14]研究成果，考虑模型试验相似材料的粒径效应，相似材料需为粉质散体，且具备高容重、低强度特性。本次模型试验采用标准砂、重金石粉、膨润土和堆体土（过1 mm标准筛）作为原料，原料参数见
表2。
标准砂用于调节相似材料密度、渗透系数；重金石粉调整相似材料密度、黏聚力、内摩擦角；堆体土具有与原型土体相似的软化效果和吸水作用，用于调节相似材料的黏聚力、内摩擦角；膨润土调整相似材料的内摩擦角、变形模量。
1.3 相似材料配比方案
本次相似材料配比试验采用正交设计方法。选取标准砂、重晶石粉、膨润土、堆体土为骨料，加水配置。以标准砂质量/骨料质量（影响因素A）、重晶石粉质量/骨料质量（影响因素B）、膨润土质量/骨料质量（影响因素C）作为正交试验的3个因素，每个因素设置4个水平。同时，为更好地对比分析相似材料中各影响因素作用，消除无关条件对试验结果的影响，相似材料含水量均设置为14%。相似材料正交设计水平见
表3。
1.4 相似材料试样制备
根据正交试验设计配比方案准备原料、制样并进行相关参数测试试验，材料制备流程见
图1，具体如下。
（1）原料准备：根据相似材料配比方案，称取一定量的标准砂、重金石粉、膨润土、堆体土及水溶液。
（2）试样制作：将按配比称重的干料投入搅拌机内，干拌均匀后缓慢加入水溶液，再次搅拌均匀后利用制样机制样进环刀内，覆盖玻璃片并以保鲜膜密封，防止水分蒸发，贴上标签。
（3）闷料称重：将贴好标签的材料试样移至养护箱，静置一昼夜完成闷料，待闷料结束，称重并计算密度。
（4）室内试验：依据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）开展直剪试验、渗透试验，并记录相关试验数据。
1.5 相似材料试验结果分析
根据正交试验设计方案，对制备的16组相似材料开展测量称重、直剪试验、渗透实验，得到各组相似材料的密度、黏聚力、内摩擦角、渗透系数，见
表4。在设定相似材料配比范围内，密度为1.74 g/cm
3～1.79 g/cm
3，黏聚力为0.50 kPa～42.15 kPa，内摩擦角为16.97°～30.64°，渗透系数为4.50×10
-7 cm/s～4.12×10
-5 cm/s。通过配比试验结果的敏感性分析发现，密度受重晶石粉含量影响较大；黏聚力、内摩擦角对膨润土含量更敏感；渗透系数主要受标准砂含量调整。
2 堆积体降雨试验设计
2.1 试验材料
相似模拟试验以云南某人工堆积体为研究对象，见
图2。该堆积体共设九级平台，平均堆高8 m，最大土层埋深约110 m，在堆积体下方设有重力式挡土墙，试验选取几何相似系数
n=150。堆体土与相似材料物理力学参数理论值见
表5。
由
表4和
表5可知，S6号配比与相似材料理论值最为接近，但仍有一定差距。在该配比基础上适当减小黏聚力和增大内摩擦角即可。结合相似材料敏感性分析因素与相似材料参数指标的变化规律，以S6号配比为基准，每次按1%的比例调整膨润土、标准砂含量，参照1.4节制备方法开展多轮配比试验，最终确定相似材料配比为：
w（标准砂）∶
w（重晶石粉）∶
w（膨润土）∶
w（堆体土）=1∶0.26∶0.14∶0.59，所得相似材料物理力学参数见
表6。
2.2 试验装置
降雨模型试验装置包含人工降雨系统、模型试验平台及测量系统。其中，人工降雨系统包括CMI2-5T型变频自吸泵、TG分体式喷头、水箱；模型试验平台包括试验底座与降雨系统支撑外框；测量系统包括DH5922D动态采集仪、BLT-PW型孔隙水压力计、BLT-YC-20沉降位移计及BLT-YWL-20裂缝传感器。传感器布设位置见
图3。堆填交界线采用大疆M300无人机对现有地形进行扫描，与原位地形图贴合后导入Rhino 6软件处理生成。
2.3 试验方案
模型试验堆积体采用分层堆砌方式，共4层，每层堆砌完成后利用环刀进行容重控制，刨毛后再进行下一层堆砌，如此往复直至堆砌完成。根据原型所在地近20年来最大日降雨量为158 mm/d，依据《降水量等级》（GB/T 28592—2012）的划分标准，试验采用特大暴雨工况，工况设置情况见
表7。
3 试验结果与分析
3.1 孔隙水压力变化
孔隙水压力是岩土混合体中地下水作用于微粒或孔隙间的压力。在降雨入渗过程中，随着雨水入渗到传感器位置，孔隙水压力计同步记录压力变化。试验共布设3个孔隙水压力计，其压力的时程变化曲线见
图4。
由
图4可见，在不同的降雨强度条件下，各测点的孔隙水压力变化情况基本一致，可分为缓慢增长、快速增长及快速下降3个阶段。在降雨前期，随着雨水的不断入渗，土体含水率（质量分数）增加、渗流作用增强，逐步形成稳定的渗流通道，此时孔隙水压力缓慢增长。随着降雨的持续进行，土体表层出现暂态饱和区域，产生超静孔隙水压力，孔隙水压力快速增加达到一定值后处于稳定状态。当降雨结束后，土体渗流作用逐渐停止，孔隙水压力逐渐消散下降。
由
图4（a）可见，在相同降雨强度下，KY-1（坡底）响应速度最快，维持在峰值的时间更长，其次是KY-2（坡中），KY-3（坡顶）整体变化幅度较小。随着降雨的持续进行，雨水一部分入渗至坡体内，另一部分由地表径流的形式向坡底、坡中汇集，坡底孔隙水压力计率先响应。
在降雨结束后，KY-2（坡中）下降速率最大，其次是KY-1（坡底），KY-3（坡顶）变化情况不明显。当降雨结束后，土体表层渗流作用停止，坡体内部渗流作用持续，来自坡中与坡顶的水分向坡底进行补充，坡底孔隙水压消散速度减缓。
在不同的降雨强度条件下，降雨强度越大，土体渗流作用越强，孔隙水压响应速率越快，变化速率越大。
3.2 坡体位移变化
在试验中共使用2个裂缝位移计与1个沉降位移计，位移的时程变化曲线如
图5所示。
由
图5可见，在不同降雨强度下，各测点位移变化情况大体一致。随着降雨持续，雨水入渗至坡体，土体饱和度增加，抗剪强度减小，坡体位移增大。降雨强度越大，坡体位移变化情况越大，达到极值所需时间越短。
由
图5（a）可见，在同一种降雨强度条件下，坡顶产生的裂缝位移总是大于坡底，这是由于在降雨过程中，坡顶处土体向下滑动位移增大，坡底因前方挡土墙的支挡作用，位移发展受到限制。
在降雨结束后，坡体裂缝和沉降位移都有一定程度的增大。在降雨过程中，坡体由非饱和区向暂态饱和区向变化，土体饱和度重分布，孔隙气压力被压缩，当降雨结束后，孔隙气压力向薄弱地方突出，有一定的滞后作用。
3.3 坡体变形过程
在模型试验中，用高清摄像机全程记录坡体的变化过程。降雨初期，雨水以入渗为主，表层土体饱和度增加，坡体无明显破坏现象。随着降雨的持续，以坡体在G2工况为例，坡体的破坏过程见
图6。
（1）坡体浸润侵蚀、坡顶冲沟产生、坡脚局部破坏阶段。随着降雨过程的持续进行，坡体表面被浸润产生坡面径流，细颗粒被冲刷；在水流冲刷作用下，部分坡体产生冲沟，雨水汇集于坡脚处，坡脚出现局部侵蚀，见
图6（a）。
（2）破坏加剧阶段。随着雨水的不断入渗，土体出现暂态饱和区，孔隙水压力增大基质吸力减小，土体应力重分布，裂缝逐渐加深；坡体后缘受拉裂缝影响，下滑力大于土体有效应力，出现滑动现象，见
图6（b）。
（3）整体破坏阶段。随着降雨入渗作用持续，孔隙气压力进一步被压缩，坡体表面趋于饱和，土体抗剪强度减小；当降雨结束一定时间后，坡体位移继续增大，出现溜滑现象，后缘破坏加深，坡体整体出现滑移式破坏，见
图6（c）。
3.4 降雨滞后效应分析
在降雨模型试验中，滞后效应表现为在降雨结束后土体内部物理过程仍持续进行，表现形式为：降雨结束后，坡底孔隙水压力计监测数据并未立即快速下降，而是呈缓慢下降趋势；坡体最大位移并未出现在降雨结束时刻，而是发生在降雨结束后一定时间。这是因为在降雨结束后，坡体内部水分转移仍在继续，坡体上部土体水分向下部土体流动，坡底孔隙水压力计响应滞后，这与王力等
[19]所得试验结论相符合。
降雨在堆积体内的传导过程，是雨水逐渐渗透进入坡体内部孔隙并推动气体排出的过程。在降雨入渗前期，堆积体表层土体体积含水量增加，渗流作用增强，内部渗流通道逐步形成，表层土体饱和度增大，暂态饱和区形成；随着降雨的持续进行，暂态饱和区向下延伸，下渗的水分对气体产生持续的压缩作用，累积的气压形成反向的顶托力进而阻缓雨水入渗，堆积体内部出现气相与液相交替的过程
[20-21]。水气传导过程见
图7。降雨结束后，失去水源补充，入渗过程减缓，孔隙气压力突出，威胁坡体安全，出现一定滞后效应。
4 结论
基于正交试验开展相似材料配比研究并自制降雨模型试验装置，开展降雨模型试验，得出如下结论。
（1）基于正交试验，以标准砂、重金石粉、膨润土和堆体土为原料开展相似材料配比研究，满足本次模型试验的相似材料配比为w（标准砂）∶w（重晶石粉）∶w（膨润土）∶w（堆体土）=1∶0.26∶0.14∶0.59。
（2）大型人工堆积体因自重大、局部密实度不均，且内部存在较多孔隙与裂缝，为雨水入渗提供优势通道，降雨作用具有一定滞后性。
（3）在降雨作用下，堆积体破坏模式可分为3个阶段：坡体浸润侵蚀-坡顶冲沟产生-坡脚局部破坏阶段、破坏加剧阶段、整体破坏阶段。
京公网安备11010202008535号
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