降雨入滲作用下帶裂縫公路路塹邊坡穩(wěn)定性研究

為分析降雨條件下公路路塹邊坡的穩(wěn)定性，文章依托某路塹邊坡工程，利用有限元法建立正常、帶裂縫無(wú)降雨、降雨+裂縫等三種工況的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析模型，從位移、最大剪切應(yīng)變?cè)隽浚ɑ瑒?dòng)面）及邊坡安全系數(shù)等方面描述公路路塹邊坡穩(wěn)定性。結(jié)果表明：由位移分析出邊坡穩(wěn)定性排序?yàn)檎＃靖稍锪芽p＞裂縫+降雨，邊坡整體水平向左滑動(dòng)，坡頂、裂縫為沉降位移而坡腳為隆起；裂縫頂端、底端水平與豎向位移均隨降雨持續(xù)而增加，降雨入滲效應(yīng)使裂縫水平擴(kuò)展及內(nèi)部發(fā)展；正常邊坡滑動(dòng)面較寬且應(yīng)變?cè)隽枯^小，帶裂縫邊坡滑動(dòng)面減小且與裂縫交匯處突變，上部滑動(dòng)面軌跡與裂縫重合，降雨影響下邊坡滑動(dòng)面相較于干燥裂縫有所變化；正常、帶裂縫、降雨+裂縫等工況邊坡安全系數(shù)依次下降且對(duì)降雨因素更為敏感；裂縫、降雨均導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)降低，預(yù)測(cè)暴雨34 h后依托工程的邊坡將失穩(wěn)，應(yīng)于降雨34 h前采取加固措施進(jìn)行干預(yù)。

降雨入滲；邊坡穩(wěn)定；路基邊坡；裂縫發(fā)育；數(shù)值仿真

U416.1+4A150494

作者簡(jiǎn)介：

朱成勝（1992—），工程師，主要從事高速公路施工、運(yùn)營(yíng)管理工作。

0" 引言

公路土質(zhì)邊坡裂縫發(fā)育現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，在各種不利因素影響下，裂縫數(shù)量及深度迅速發(fā)展，例如地震、地下水、降雨等自然因素。若不采取人工干預(yù)措施，邊坡安全系數(shù)會(huì)隨時(shí)間逐漸下降，低于界限值后將發(fā)生失穩(wěn)破壞，比如滑坡、塌方等工程災(zāi)害［1］。除了人為施工等不利因素，自然降雨對(duì)邊坡耐久性及穩(wěn)定性有著明顯影響。部分學(xué)者認(rèn)為邊坡裂縫形成有助于地表水、地下水排出，使得邊坡穩(wěn)定；部分學(xué)者認(rèn)為降雨會(huì)改變土體含水率等性質(zhì)，導(dǎo)致邊坡應(yīng)力狀態(tài)瞬時(shí)變化，結(jié)合裂縫發(fā)育將加速邊坡失穩(wěn)［2］。

降雨或裂縫影響下的邊坡穩(wěn)定性分析方法主要包含數(shù)值模擬、室外觀測(cè)與室內(nèi)模擬。梁承龍等［3］引入豎直張拉裂縫，建立能量方程求解邊坡穩(wěn)定系數(shù)并探究非均質(zhì)、各向異性對(duì)裂縫邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律；李晨等［4］發(fā)現(xiàn)邊坡裂縫發(fā)育嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定性，裂縫可視為降雨排水通道，其土體性質(zhì)近似砂；宋欣玲等［5］建立有限元數(shù)值模型探究裂縫部位、角度對(duì)降雨過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定性的影響；王磊等［6］討論連續(xù)降雨條件下黃土陡坡滲流、位移與安全系數(shù)的變化規(guī)律，并使用創(chuàng)新“隔離槽技術(shù)”對(duì)降雨邊界進(jìn)行優(yōu)化；吳加紅等［7］對(duì)開(kāi)挖與降雨雙重作用下邊坡穩(wěn)定性展開(kāi)研究，分析出應(yīng)力、滲流場(chǎng)分布特征以及安全系數(shù)演變規(guī)律；張碩等［8］對(duì)降雨條件下坡體基質(zhì)吸力、含水率、水壓力、浸潤(rùn)線與位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)監(jiān)測(cè)，建立室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)裂縫發(fā)育與邊坡破壞類型進(jìn)行探究?；谀彻仿穳q邊坡存在一條豎向深裂縫的背景，本文探究不同降雨歷時(shí)下帶裂縫邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)比正常、帶裂縫無(wú)降雨及降雨+裂縫等工況下的位移、最大剪切應(yīng)變（滑動(dòng)面）及邊坡安全系數(shù)，用以評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性。

1" 邊坡概況

某公路路塹邊坡為三層土質(zhì)邊坡，邊坡高度為10 m，坡率1∶1，具體邊坡尺寸以及土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)圖1。區(qū)域雨水量充足，土層形成較多裂縫，在公路運(yùn)營(yíng)使用階段經(jīng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)邊坡存在一條較為發(fā)育的豎向張拉裂縫，因此需對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，并判斷出降雨影響下邊坡是否失穩(wěn)。邊坡區(qū)域較為常見(jiàn)降雨類型為暴雨，其日降雨量為0.10 m/d。

2" 建立邊坡二維數(shù)值模型

力學(xué)邊界：左邊界、右邊界、下邊界均為法向位移限制，正常工況下上邊界自由；滲流邊界：降雨入滲工況（暴雨12 h）上邊界需添加曲面流量、初始水位與飽和水位，并設(shè)置非飽和特性函數(shù)；在Midas GTS NX軟件中利用析取命令定義裂縫，豎向裂縫深度為5 m，土層、裂縫分別采取M-C、界面模型，網(wǎng)格劃分見(jiàn)下頁(yè)圖2。曲面流量分布于模型上表面，初始水位距底部5 m，飽和水位設(shè)置為整個(gè)模型飽和，非飽和特性函數(shù)取值見(jiàn)下頁(yè)表1。

3" 公路路塹邊坡穩(wěn)定性分析

運(yùn)用數(shù)值模擬手段對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行求解，常利用強(qiáng)度折減方法求解邊坡安全系數(shù)，其分析方法采用SRM。本文建立正常、帶裂縫未降雨、降雨+裂縫等三種

工況，從位移變形、滑動(dòng)面以及邊坡安全系數(shù)等角度對(duì)邊坡穩(wěn)定性展開(kāi)分析。正常工況條件下未考慮裂縫與降雨影響，裂縫工況未考慮降雨影響，而降雨工況下考慮了裂縫影響，三種工況層層遞減，設(shè)置較為合理。

降雨入滲作用下帶裂縫公路路塹邊坡穩(wěn)定性研究/朱成勝

3.1" 公路路塹邊坡位移分析

邊坡位移變形可以直觀觀察，豎向以及水平位移均能較好反映出邊坡實(shí)際變形狀態(tài)，一旦超過(guò)允許變形值，應(yīng)采取適當(dāng)措施進(jìn)行加固，防止邊坡產(chǎn)生裂縫甚至形成塌方等工程事故。本節(jié)分析了正常、帶裂縫、降雨工況下的水平位移以及豎向位移，對(duì)比不同條件下邊坡位移特征，評(píng)價(jià)其邊坡穩(wěn)定性。

通過(guò)圖3邊坡位移分布云圖可以分析得出：

（1）正常、裂縫、裂縫+降雨等三種工況條件下，水平位移峰值均發(fā)生于坡腳附近，三者水平位移峰值分別為1.7 mm、3.8 mm、4.5 mm；豎向位移峰值分布特征有所不同，正常工況下豎向位移峰值位于坡頂附近，而裂縫、裂縫+降雨等兩種工況下豎向位移峰值發(fā)生于裂縫所處位置，三者豎向位移峰值分別為0.9 mm、4.5 mm、4.9 mm；從水平位移以及豎向位移分析評(píng)價(jià)穩(wěn)定性排序?yàn)檎９r＞裂縫工況＞裂縫+降雨工況。

（2）不同工況下的水平位移分布均展現(xiàn)出左方滑動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)，而豎向位移則表現(xiàn)為兩種分布特征，坡頂以及裂縫處豎向位移為沉降趨勢(shì)而坡腳處則表現(xiàn)出隆起趨勢(shì)，坡腳處豎直向上發(fā)生變形易造成土體開(kāi)裂，三者豎向隆起峰值分別為0.6 mm、0.3 mm、0.6 mm，由于土體抗拉性質(zhì)很差，因此應(yīng)注意坡腳處的土體開(kāi)裂穩(wěn)定性。

以上討論了三種工況的水平以及豎向位移整體分布特征，邊坡施工或使用階段的穩(wěn)定性變化過(guò)程為：正常、開(kāi)裂、加劇開(kāi)裂、塌方或滑坡，因此提取不同工況模型中裂縫處的水平和豎向位移數(shù)據(jù)，對(duì)正常、開(kāi)裂、降雨歷時(shí)

裂縫發(fā)展等條件下位移變化規(guī)律進(jìn)行探究，裂縫處位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖4。

分析圖4的邊坡裂縫頂端與底端水平及豎向位移隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律，可以得出下列觀點(diǎn)：

（1）針對(duì)裂縫頂端以及底端的水平位移進(jìn)行分析。裂縫頂端、底端處的水平位移均隨降雨時(shí)間累積而逐漸增加，且表現(xiàn)為水平向左發(fā)展趨勢(shì)，干燥條件下的裂縫頂端與底端水平位移分別為1.1 mm、1.5 mm，隨降雨時(shí)間的累積，降雨12 h后的裂縫頂端與底端水平位移增大至1.3 mm、1.7 mm，這也驗(yàn)證了降雨因素會(huì)導(dǎo)致裂縫水平方向擴(kuò)展，使得邊坡穩(wěn)定性受降雨影響較為明顯。

（2）針對(duì)裂縫頂端以及底端的豎向位移進(jìn)行分析。裂縫頂端、底端的豎向位移變化趨勢(shì)與水平位移相同，表現(xiàn)為沉降趨勢(shì)，干燥條件下的裂縫頂端與底端豎向位移分別為4.4 mm、3.8 mm，降雨12 h后的豎向位移分別增大至4.8 mm、4.1 mm，說(shuō)明了降雨入滲會(huì)導(dǎo)致裂縫向邊坡內(nèi)部深度發(fā)展，豎向裂縫長(zhǎng)度將隨降雨時(shí)間增加而增加。

3.2" 公路路塹邊坡滑動(dòng)面分析

在數(shù)值模擬當(dāng)中的最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D可明顯看出邊坡的潛在滑動(dòng)趨勢(shì)面，形成邊坡滑動(dòng)面的因素主要體現(xiàn)在土體強(qiáng)度差異、地下水等，于多種因素組合情況下邊坡發(fā)生裂縫且逐漸發(fā)展，滑動(dòng)面將隨著變化，因此觀察邊坡應(yīng)變模擬計(jì)算前后變化量對(duì)于判定邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖5為正常、裂縫、降雨入滲+裂縫工況下的滑動(dòng)面云圖，分析正常、裂縫、降雨+裂縫等工況下的路塹邊坡滑動(dòng)面（剪切應(yīng)變?cè)隽浚?。正常工況的邊坡滑動(dòng)面范圍較寬，說(shuō)明邊坡應(yīng)變?cè)隽砍尸F(xiàn)整體增加趨勢(shì)但數(shù)值處于較

低水平；帶裂縫工況的邊坡由于裂縫的存在與發(fā)展，滑動(dòng)面分布范圍減小且變得更加集中，滑動(dòng)面與裂縫交匯處發(fā)生突變，裂縫下方滑動(dòng)趨勢(shì)與實(shí)際滑動(dòng)面保持一致，而與裂縫交匯處滑動(dòng)區(qū)與實(shí)際滑動(dòng)面有所不同，上方滑動(dòng)面于實(shí)際中應(yīng)與豎向裂縫發(fā)展趨勢(shì)一致；裂縫+降雨工況的邊坡受到降雨入滲的影響，地下水位上升導(dǎo)致土體含水率上升，土體性質(zhì)變差，滑動(dòng)面與裂縫相較于干燥裂縫工況有所變化，應(yīng)變峰值從干燥裂縫狀態(tài)的2.34×10-3增加至2.76×10-3，說(shuō)明了隨降雨入滲效應(yīng)逐漸加劇，邊坡最大剪切應(yīng)變會(huì)逐步增大，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。

3.3" 公路路塹邊坡安全系數(shù)分析

數(shù)值模擬中采用強(qiáng)度折減法迭代計(jì)算得出邊坡安全系數(shù)，邊坡安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，在邊坡相關(guān)研究分析中是必須分析的選項(xiàng)。而邊坡安全系數(shù)采用的強(qiáng)度折減法，是通過(guò)逐步劣化土體物理性質(zhì)的一種理論算法，邊坡若受到裂縫發(fā)育、地震以及降雨等影響，其土體性質(zhì)將加速劣化，進(jìn)而導(dǎo)致土體粘聚力等指標(biāo)降低，數(shù)值模擬計(jì)算得出邊坡安全系數(shù)減?。?］。受裂縫以及降雨入滲的影響，路塹邊坡可由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭Х€(wěn)狀態(tài)，因此探究正常、帶裂縫、裂縫+降雨等三種工況的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律是十分有必要的，據(jù)公路邊坡規(guī)范得出一級(jí)公路于降雨工況的邊坡安全系數(shù)為1.20，當(dāng)邊坡安全系數(shù)＜1.2時(shí)，說(shuō)明邊坡失穩(wěn)［10］。不同工況下的邊坡安全系數(shù)變化見(jiàn)圖6（a），對(duì)降雨歷時(shí)下帶裂縫邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行擬合分析，預(yù)測(cè)出降雨強(qiáng)度0.10 m/d條件下邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)時(shí)的降雨歷時(shí)，擬合曲線見(jiàn)圖6（b）。

對(duì)圖6邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律以及降雨時(shí)程變化擬合曲線進(jìn)行分析，總結(jié)得出下列觀點(diǎn)：

（1）從圖6（a）可知，正常、帶裂縫、降雨+裂縫等工況的邊坡安全系數(shù)依次下降，正常狀態(tài)下的邊坡安全系數(shù)為1.93，而帶裂縫邊坡在降雨12 h后安全系數(shù)下降至1.33，正常至帶裂縫工況的邊坡安全系數(shù)下降程度相較于降雨入滲工況緩慢，減小量分別為0.15、0.45，降雨因素對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響更敏感且易誘發(fā)裂縫發(fā)育；從邊坡安全系數(shù)界限值1.2判斷出降雨12 h后的邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，如降雨時(shí)間延續(xù)，應(yīng)持續(xù)對(duì)邊坡安全系數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)計(jì)算，確保邊坡穩(wěn)定。

（2）分析圖6（b）中降雨入滲影響下邊坡安全系數(shù)時(shí)程擬合曲線可知，裂縫與降雨均會(huì)導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)降低，邊坡安全系數(shù)隨降雨時(shí)間持續(xù)而逐漸降低且降低速率逐步減小，于降雨入滲數(shù)值模型中按計(jì)算工作步提取降雨間隔1 h的邊坡安全系數(shù)，并將其進(jìn)行對(duì)數(shù)函數(shù)擬合分析，相關(guān)性指標(biāo)為0.97說(shuō)明擬合程度較好；將邊坡安全系數(shù)限制值1.2代入擬合方程中，求解得出降雨34 h后邊坡安全系數(shù)下降至1.196，說(shuō)明降雨34 h后，帶裂縫邊坡將失去穩(wěn)定，若想邊坡保持持續(xù)穩(wěn)定，應(yīng)于暴雨34 h前進(jìn)行干預(yù)措施。

4" 結(jié)語(yǔ)

以某公路路塹邊坡為實(shí)際工程背景，采用Midas GTS NX軟件建立正常、帶裂縫無(wú)降雨、降雨+裂縫三種數(shù)值仿真模型，分析不同工況下的公路路塹邊坡水平與豎向位移、滑動(dòng)面（最大剪切應(yīng)變?cè)隽浚?、邊坡安全系?shù)等分布特征，綜合評(píng)價(jià)判斷邊坡穩(wěn)定性，總結(jié)歸納得出以下觀點(diǎn)：

（1）正常、裂縫、裂縫+降雨等工況的水平位移峰值位于坡腳附近，正常工況的豎向位移峰值位于坡頂附近，裂縫、裂縫+降雨等工況的豎向位移峰值處于裂縫處，由水平及豎向位移角度判斷出邊坡穩(wěn)定性排序?yàn)檎t;干燥裂縫gt;裂縫+降雨；不同工況的水平位移均為左方滑動(dòng)趨勢(shì)，坡頂、裂縫處豎向位移為沉降趨勢(shì)，坡腳為隆起趨勢(shì)，應(yīng)注意坡腳土體開(kāi)裂穩(wěn)定性。

（2）裂縫頂端、底端處水平位移均隨降雨持續(xù)而增加且水平向左發(fā)展，說(shuō)明降雨會(huì)導(dǎo)致裂縫水平擴(kuò)展；裂縫頂端、底端處豎向位移變化趨勢(shì)與水平位移一致且為沉降趨勢(shì)，說(shuō)明降雨入滲會(huì)促進(jìn)裂縫向邊坡土體內(nèi)部發(fā)展，豎向裂縫長(zhǎng)度將隨降雨持續(xù)而增加。

（3）正常邊坡滑動(dòng)面范圍較寬，剪切應(yīng)變?cè)隽枯^??；裂縫工況邊坡滑動(dòng)面范圍減小且更加集中，滑動(dòng)面與裂縫交匯處突變，裂縫下方滑動(dòng)與實(shí)際滑動(dòng)面一致，而裂縫交匯處有所不同；帶裂縫邊坡受降雨影響，滑動(dòng)面相較于干燥裂縫有所變化，說(shuō)明降雨入滲效應(yīng)加劇將導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。

（4）正常、帶裂縫、降雨+裂縫等工況的邊坡安全系數(shù)依次下降，邊坡安全系數(shù)對(duì)降雨因素更為敏感；降雨12 h后邊坡仍處于穩(wěn)定，若降雨延續(xù)應(yīng)持續(xù)對(duì)邊坡安全系數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)計(jì)算；裂縫與降雨均會(huì)導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)降低，利用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)降雨影響下邊坡安全系數(shù)進(jìn)行擬合，預(yù)測(cè)得出降雨34 h后邊坡安全系數(shù)將＜1.2且邊坡將失穩(wěn)，邊坡持續(xù)穩(wěn)定應(yīng)于暴雨34 h前進(jìn)行干預(yù)。

［1］梁承龍，劉" 芳.地震作用下雙層土裂縫邊坡穩(wěn)定性分析［J］.地震工程學(xué)報(bào)，2022，44（5）：1 050-1 058.

［2］馬蓓青，杜玉鵬，王懷星，等.持續(xù)降雨條件下黃土邊坡穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2021，35（5）：50-56.

［3］梁承龍，劉" 芳.非均質(zhì)和各向異性裂縫邊坡穩(wěn)定性分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2022，38（3）：131-137.

［4］李" 晨，徐衛(wèi)衛(wèi).關(guān)于土體裂縫對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的討論［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2018，38（5）：28-31.

［5］宋欣玲，陳文蛟.降雨條件下含裂縫岸坡滲流穩(wěn)定特性研究［J］.河南水利與南水北調(diào)，2022，51（3）：71-73.

［6］王" 磊，李榮建，劉軍定，等.連續(xù)降雨下黃土陡坡開(kāi)裂及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2022（4）：77-86.

［7］吳加紅，趙" 強(qiáng)，李斯?jié)?開(kāi)挖與降雨作用下公路邊坡的穩(wěn)定性分析［J］.公路與汽運(yùn)，2021（6）：83-87.

［8］張" 碩，裴向軍，黃潤(rùn)秋，等.黃土填方邊坡降雨入滲特征及變形破壞模式的模型試驗(yàn)［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2019，32（9）：32-41，50.

［9］李向群，張嘯天.基于有限元強(qiáng)度折減法加固邊坡穩(wěn)定性分析［J］.吉林建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，40（1）：31-35.

［10］JTG D30-2015，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

20240312