（一） 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
地基極限承載力對(duì)于工程的穩(wěn)定分析至關(guān)重要，而實(shí)際工程中影響地基承載特性因素眾多，尤其是外界降雨作用，導(dǎo)致確定地基承載力時(shí)比較復(fù)雜、耗時(shí)費(fèi)力。因此，有必要針對(duì)降雨條件下基礎(chǔ)的地基承載力及破壞模式進(jìn)行深入研究。地基常位于地下水以上，為非飽和土層，其強(qiáng)度及承載特性受基質(zhì)吸力影響顯著，而降雨入滲將引起基質(zhì)吸力的減小，進(jìn)而降低地基極限承載力，嚴(yán)重時(shí)誘發(fā)地基發(fā)生破壞，對(duì)工程穩(wěn)定及安全危害大。本項(xiàng)目將利用人工降雨模型試驗(yàn)分析不同雨強(qiáng)、歷時(shí)以及雨型下非飽和地基基質(zhì)吸力的變化過(guò)程及變化規(guī)律，基于降雨條件下地基極限承載力計(jì)算理論，結(jié)合基質(zhì)吸力計(jì)算結(jié)果，得到不同降雨條件下地基極限承載力的演化規(guī)律，闡述降雨對(duì)地基強(qiáng)度及承載能力的影響大小及影響程度，為相關(guān)工程穩(wěn)定性分析提供借鑒和參考。
（二） 研究目的
目的在于探究不同降雨條件下地基基質(zhì)吸力與極限承載力的變化過(guò)程及演化規(guī)律，為正確評(píng)價(jià)雨季地基承載性能、及時(shí)采取針對(duì)性措施防止施工期地基失穩(wěn)破壞提供一定技術(shù)支撐。
（三） 研究?jī)?nèi)容
1.降雨條件下粉質(zhì)黏土基質(zhì)吸力演化規(guī)律研究
利用人工降雨模擬試驗(yàn)得出在不同雨強(qiáng)、時(shí)以及雨型下（模擬降雨強(qiáng)度取值為1.25mm/h（中雨）、2.5mm/h（大雨）、5mm/h（暴雨），降雨持續(xù)時(shí)間為12h）粉質(zhì)黏土土方含水率與基質(zhì)吸力的變化情況
2.降雨條件下地基極限承載力演化規(guī)律研究
在通過(guò)人工降雨模擬試驗(yàn)得到粉質(zhì)黏土土方含水率與基質(zhì)吸力的變化的數(shù)值后，利用降雨條件下地基極限承載力計(jì)算理論，在試驗(yàn)數(shù)值的基礎(chǔ)上得到極限承載力的演化規(guī)律。
（四） 國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)
1.人工降雨模型試驗(yàn)研究現(xiàn)狀
人工降雨模型試驗(yàn)是研究降雨條件下土層基質(zhì)吸力變化規(guī)律的方法之一，目前已有大量研究者開(kāi)展了工作：
詹良通[1]等以湖北昭陽(yáng)某典型非飽和膨脹土未防護(hù)邊坡為研究對(duì)象，進(jìn)行人工降雨試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)對(duì)所模擬的降雨雨強(qiáng)大但歷時(shí)短的降雨對(duì)膨脹土邊坡整體穩(wěn)定影響并不明顯，而雨強(qiáng)小且歷時(shí)長(zhǎng)的降雨對(duì)其穩(wěn)定不利，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：膨脹土的降雨入滲規(guī)律及其對(duì)含水量、孔隙水壓力的影響與土中裂隙密切相關(guān)。
Ling[2]等利用室內(nèi)土工離心機(jī)，進(jìn)行多組不同雨強(qiáng)的離心模型試驗(yàn)，得出了試驗(yàn)邊坡在不同雨強(qiáng)下的浸潤(rùn)曲線變化規(guī)律和臨界破壞高度。
Huat[3]等基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了坡面覆蓋（草皮或土工合成材料等）和邊坡坡度對(duì)降雨入滲和吸力的影響，并與現(xiàn)場(chǎng)降雨入滲試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，研究表明不同的覆蓋物引起雨水入滲的情況不同，隨著坡度的增大降雨入滲逐漸減小，在不考慮濕潤(rùn)鋒的移動(dòng)的情況下，坡腳比坡頂入滲更顯著。
周中[4]等針對(duì)上瑞高速貴州段的某典型土石混合體邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及人工降雨模型試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：降雨入滲對(duì)土石混合體邊坡的變形了以坡面最大，以坡面往破內(nèi)深部逐漸減小，入滲率隨時(shí)間增加而逐漸減少，一段時(shí)間后穩(wěn)定。
謝妮[5]等對(duì)甘肅平頂某高速公路填方路基邊坡進(jìn)行人工降雨模型試驗(yàn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)4次降雨試驗(yàn)邊坡含水率變化，后期持續(xù)一個(gè)月監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：降雨引起表層土體含水率增大同時(shí)吸力下降明顯，雨水沖刷導(dǎo)致坡面出現(xiàn)沖溝，在持續(xù)降雨時(shí)土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步衰減。
王福恒[6]等設(shè)計(jì)制作路堤土工模型并利用降雨裝置模擬人工降雨，進(jìn)行不同初始含水率和降雨條件下的黃土邊坡濕潤(rùn)鋒試驗(yàn)和入滲率試驗(yàn)，分析了降雨歷時(shí)和不同雨強(qiáng)對(duì)黃土路堤邊坡安全系數(shù)的敏感程度及入滲規(guī)律。
豐光亮[7]等針對(duì)鄂西恩施地區(qū)降雨特征進(jìn)行分析，并選定6種典型降雨，自行設(shè)計(jì)室內(nèi)人工降雨的非飽和土柱入滲試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)測(cè)土柱內(nèi)的含水率變化，來(lái)揭示降雨入滲的影響區(qū)域，入滲前鋒運(yùn)移規(guī)律和降雨歷時(shí)對(duì)入滲規(guī)律的影響。
武彩萍[8]等自制人工降雨裝置通過(guò)室內(nèi)黃土邊坡模型來(lái)研究降雨入滲過(guò)程中土體的含水率變化規(guī)律，研究表明：坡面雨水入滲速率較坡頂更快。
董輝[9]等針對(duì)水竹彎隧道旁級(jí)配良好的碎石土，通過(guò)自制一維滲透儀和邊坡模型進(jìn)行試驗(yàn)降雨入滲，研究該堆積土在降雨條件下的濕潤(rùn)鋒變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：坡腳、坡面與坡頂處的入滲速率分別滿足線性、對(duì)數(shù)及指數(shù)關(guān)系。
田海[10]等利用新型介質(zhì)霧化噴霧設(shè)備模擬降雨，對(duì)有無(wú)格柵支護(hù)措施的松散堆積體邊坡做離心模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：降雨開(kāi)始后的松散堆積體滑坡頂部沉降和坡面處水平位移逐漸增大，而又土工防護(hù)格柵支護(hù)的邊坡在降雨作用下穩(wěn)定性較好，得出該支護(hù)措施是提高堆積體邊坡穩(wěn)定性的有效方法。
由此可見(jiàn)，現(xiàn)有研究利用人工降雨模型試驗(yàn)分析了不同降雨雨強(qiáng)、歷時(shí)以及雨型下邊坡、路基等工程的基質(zhì)吸力演化規(guī)律，表明該方法已經(jīng)十分成熟，可為本次研究提供技術(shù)支撐。
2.非飽和地基極限承載力研究現(xiàn)狀
非飽和土的強(qiáng)度與基質(zhì)吸力息息相關(guān)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將基于飽和抗剪強(qiáng)度理論的地基極限承載力計(jì)算理論，與非飽和抗剪強(qiáng)度理論結(jié)合，用于探究非飽和土地基極限承載力計(jì)算理論，并取得了豐碩的成果。如：
Vanapalli等[11-12]引入利用土水特性描述的非飽和土強(qiáng)度理論，規(guī)定基質(zhì)吸力計(jì)算取值為1.5倍基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)應(yīng)力球的平均基質(zhì)吸力，拓展太沙基地基極限承載力計(jì)算理論，提出了非飽和地基極限承載力計(jì)算方法，最后利用沙土地基的室內(nèi)荷載試驗(yàn)對(duì)拓展的計(jì)算理論進(jìn)行了驗(yàn)證。
趙煉恒等[13]根據(jù)Fredlund非飽和抗剪強(qiáng)度理論，給出了基質(zhì)吸力沿深度均勻分布和沿深度線性減小時(shí)的多剛性塊上限分析法并對(duì)非飽和土條形基礎(chǔ)豎向極限承載力進(jìn)行研究。結(jié)果表明：土中基質(zhì)吸力存在所引起的附加抗剪強(qiáng)度使非飽和土地基承載力較飽和土得到了提高；土體內(nèi)基質(zhì)吸力分布方式和地下水位高低對(duì)條形基礎(chǔ)極限承載力影響也較大，地下水位升高導(dǎo)致基質(zhì)吸力降低，極限承載力減小。
張常光等[14]基于非飽和土雙應(yīng)力狀態(tài)變量抗剪強(qiáng)度統(tǒng)一解，綜合考慮中間主應(yīng)力、基質(zhì)吸力和超固結(jié)比等影響，推導(dǎo)了非飽和土條形地基太沙基極限承載力解析解，并得出統(tǒng)一強(qiáng)度理論參數(shù)、基質(zhì)吸力和超固結(jié)比對(duì)承載力的影響規(guī)律。
Vahedifard等[15]利用穩(wěn)定入滲條件下基質(zhì)吸力解析解預(yù)測(cè)地基基質(zhì)吸力分布，結(jié)合太沙基非飽和地基極限承載力計(jì)算公式，給出了穩(wěn)定滲流下地基極限承載力計(jì)算的方法，并分析了入滲流量、地下水位對(duì)地基極限承載力的影響。
謝研[16]則采用有限元分析方法研究了降雨條件下地基基質(zhì)吸力演變特性，并利用可靠度分析理論進(jìn)一步探究了其極限承載力變化規(guī)律。結(jié)果表明：降雨期間，隨時(shí)間増長(zhǎng)，土體基質(zhì)吸力變小，地基的穩(wěn)定性變差；降雨結(jié)束后，滲流繼續(xù)進(jìn)行，基質(zhì)吸力分布趨于穩(wěn)定，地基的穩(wěn)定性變好。
張常光等[17-18]考慮基質(zhì)吸力均勻分布、線性分布以及雨水入滲下基質(zhì)吸力線性分布變化時(shí)的影響，建立非飽和土條形地基的太沙基極限承載力解答。同時(shí)研究了線性吸力和高吸力對(duì)地基極限承載力的影響。結(jié)果表明：高吸力具有雙重影響，線性吸力分布下的地基極限承載力明顯小于均布吸力下的地基極限承載力。
金亮星等[19]基于極限分析法，在將地基劃分成剛塑性三角形塊的基礎(chǔ)上，綜合考慮地下水位和非飽和土基質(zhì)吸力的影響，利用內(nèi)外虛功率相等原理建立極限承載力的求解方程。
陳茜等[20]基于穩(wěn)態(tài)流下吸應(yīng)力剖面具有明顯非線性的特點(diǎn)，補(bǔ)充普朗德?tīng)柤俣ǎ脛傮w平衡方法，推導(dǎo)了普朗德?tīng)柣瑒?dòng)面范圍內(nèi)非飽和土地基的極限承載力計(jì)算模型，討論了地下水埋深和比流量變化對(duì)地基極限承載力的影響。結(jié)果表明：地基極限承載力隨地下水位埋深減小呈先減后增的變化趨勢(shì)；當(dāng)滑動(dòng)土體內(nèi)吸應(yīng)力隨比流量的增大呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)時(shí)，地基極限承載力呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢(shì)。
由此可見(jiàn)，對(duì)于非飽和地基極限承載力計(jì)算的理論研究已有很多成果，可為本項(xiàng)目提供借鑒。同時(shí)近些年來(lái)，研究者已開(kāi)始關(guān)注雨水入滲引起地基基質(zhì)吸力改變，進(jìn)而影響地基極限承載力的問(wèn)題，但對(duì)基質(zhì)吸力分布的求解往往采用復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算或簡(jiǎn)化處理，這不利于準(zhǔn)確地求解雨水入滲過(guò)程中地基極限承載力，對(duì)客觀評(píng)價(jià)雨季地基承載狀態(tài)造成不便。因此，找出一種適用于客觀評(píng)價(jià)雨季地基承載狀態(tài)的地基承載力演化規(guī)律就顯得尤為重要了。
綜上所述，人工降雨模型技術(shù)和非飽和地基極限承載力計(jì)算理論已經(jīng)成熟，可為本次研究提供借鑒。但降雨入滲下地基基質(zhì)吸力與極限承載力的演化研究尚少。而利用試驗(yàn)方法監(jiān)測(cè)基質(zhì)吸力變化，進(jìn)而結(jié)合非飽和地基極限承載力計(jì)算理論探究地基基質(zhì)吸力與極限承載力演化規(guī)律的研究尚較少，因此，有必要進(jìn)一步揭示不同雨強(qiáng)、歷時(shí)以及雨型下地基基質(zhì)吸力與極限承載力的演化規(guī)律，為地基防災(zāi)減災(zāi)提供理論支撐。
參考文獻(xiàn)
[1] 詹良通，吳宏偉，包承綱等. 降雨入滲條件下非飽和膨脹土邊坡原位監(jiān)測(cè)[J]. 巖土力學(xué)，2003，24(02):151-158.
[2] LingH, WuM. Centrifuge Modeling of Rainfall Induced Slope Failure[J]. American Geophysical Union Fall Meeting 2006.2006,12,466~479.
[3] Huat, B.B.K., Huat, Ali, F.H.J., Low, T.H. Water infiltration characteristics of unsaturated soil slope and its effect on suction and stability[J]. Geotechnical and Geological Engineering. 2006, 24(5): 1293-1306.
[4] 周中，傅鶴林，劉寶琛等. 土石混合體邊坡人工降雨模擬試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2007，28(07):1391-1396.
[5] 謝妮，鄒維列，嚴(yán)秋榮等. 黃土路基邊坡降雨響應(yīng)的試驗(yàn)研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2009，41(04):31-36.
[6] 王福恒，李家春，田偉平等. 黃土邊坡降雨入滲規(guī)律試驗(yàn)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(4):20-24.
[7] 豐光亮，胡新麗，吳剛等. 鄂西恩施地區(qū)非飽和土降雨入滲規(guī)律[J]. 地質(zhì)科技情報(bào)，2010，29(05):112-116.
[8] 武彩萍. 人工降雨條件下黃土邊坡的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.
[9] 董輝，羅瀟. 強(qiáng)降雨作用下堆積碎石土滲流規(guī)律研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2015，23(04):616-623.
[10] 田海，孔令偉，李波等. 降雨條件下松散堆積體邊坡穩(wěn)定性離心模型試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2015，36(11):3180-3186.
[11] Vanapalli S, Sun R, Li X, et al.Bearing capacity of an unsaturated sand from model footing tests[J].Unsaturated Soils.2010: 1217-1222.
[12] Vanapalli S K , Mohamed F M O. Bearing capacity and settlement of footings in unsaturated sands[J]. International Journal of GeomateGeotechnique Construction Materials & Environment, 2013, 5(1):595-604.
[13] 趙煉恒,李亮, 楊峰, 等. 基于SQP和上限法的非飽和土條形基礎(chǔ)極限承載力計(jì)算[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 28(S1): 3021–3028.
[14] 張常光,曾開(kāi)華,趙均海.非飽和土臨界荷載和太沙基極限承載力解析解[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,38(12):1736-1740.
[15] Vahedifard F, Robinson J D. Unified method for estimating the ultimate bearing capacity of shallow foundations in variably saturated soils under steady flow[J]. Journal of Geotechnical &Geoenvironmental Engineering, 2016, 142(4): 04015095.
[16] 謝妍. 非飽和土地基上條形基礎(chǔ)的可靠度分析[D].合肥工業(yè)大學(xué), 2016.
[17] 張常光,范文,趙均海.非飽和土強(qiáng)度統(tǒng)一解及地基承載力的拓展研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,45(05):937-943.
[18] 張常光,晏青,周菲,等.不同吸力分布下條形地基極限承載力解答[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2018,37(05):1237-1251.
[19] 金亮星,潘卓夫,馮琦璇.條形基礎(chǔ)地基極限承載力的改進(jìn)徑向移動(dòng)算法研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2017,14(02): 233-240.
[20] 陳茜,程大偉.穩(wěn)態(tài)流下非飽和土地基承載力模型[J].土木建筑與環(huán)境工程,2018,40(06):9-14.
（五） 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色
1）采用人工降雨模擬試驗(yàn)與非飽和地基極限承載力計(jì)算理論結(jié)合，提供了一種降雨條件下地基極限承載力演化規(guī)律研究的方法。
2）揭示了不同降雨雨強(qiáng)、歷時(shí)下地基基質(zhì)吸力與極限承載力的演化規(guī)律。
（六） 技術(shù)路線、擬解決的問(wèn)題及預(yù)期成果
1.技術(shù)路線
1) 人工降雨模型試驗(yàn)
預(yù)制0.5mx0.5mx1m的滿足初含水率，干密度，壓實(shí)系數(shù)條件的粉質(zhì)黏土土方，考慮雨型、歷時(shí)等降雨條件，進(jìn)行以下四組模型試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)含水率及基質(zhì)吸力的變化情況，確定其含水率及基質(zhì)吸力的演化規(guī)律。
實(shí)驗(yàn)根據(jù)降雨等級(jí)，模擬降雨強(qiáng)度取值為1.25mm/h（中雨）、2.5mm/h（大雨）、5mm/h（暴雨），降雨持續(xù)時(shí)間為12h。
如表1所示。
表1 降雨強(qiáng)度參數(shù)表
|
