降雨條件下黃土路基濕度場(chǎng)變化規(guī)律研究

程 飛

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

山西省地處黃土高原，黃土覆蓋面廣，厚度大，溝壑縱橫的地貌特征顯著[1]?！渡轿魇　笆濉本C合交通運(yùn)輸體系規(guī)劃》指出“十三五”期間，山西省將繼續(xù)加大對(duì)高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施的投資建設(shè)力度，預(yù)計(jì)到2020年，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的“三縱十二橫十二環(huán)”高速公路網(wǎng)全部建成。而由于黃土土性較差，透水性強(qiáng)且遇水軟化，使得黃土地區(qū)公路建設(shè)常出現(xiàn)不均勻沉陷、裂縫等工程病害，影響道路正常修建和運(yùn)營(yíng)。

降雨入滲對(duì)非飽和黃土路基變形及路基邊坡穩(wěn)定性影響較大，非飽和黃土在降雨條件下的入滲規(guī)律也得到了學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注[2-4]。為進(jìn)一步探明降雨入滲條件下非飽和黃土路基中濕度場(chǎng)變化規(guī)律以及邊坡失穩(wěn)破壞模式，本文采用有限元軟件Geostudio軟件中的SIGMA/W和SEEP/W模塊，對(duì)某黃土路堤進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)降雨過(guò)程中路基中孔隙水壓力、含水率、降雨影響深度以及邊坡安全系數(shù)的變化情況進(jìn)行研究。

1 降雨條件下非飽和入滲理論

非飽和黃土路基中的雨水入滲過(guò)程為飽和-非飽和滲流過(guò)程，如圖1所示，其包含降雨強(qiáng)度控制入滲、非飽和入滲和飽和入滲3個(gè)階段。降雨前期，由于表層土體含水率低，水勢(shì)梯度較大，土壤入滲能力較強(qiáng)，此時(shí)降雨全部入滲至地下，此階段為降雨強(qiáng)度控制入滲階段（ 0＜t＜t1），地面尚未產(chǎn)生積水現(xiàn)象；隨著表層土體含水率增大，水勢(shì)梯度減小，土壤入滲能力下降，當(dāng)土壤入滲能力小于降雨強(qiáng)度R0時(shí)，超出土壤入滲能力部分的降雨不能入滲，地表將出現(xiàn)積水，此階段為非飽和入滲階段（ t1＜t＜t2）；最終，地表土體完全飽和，土體入滲率減小至土體的飽和滲透系數(shù) K0，進(jìn)入穩(wěn)定的飽和入滲階段（ t＞t2）。其中，t1、t2時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)積水點(diǎn)和飽水點(diǎn)。

圖1 分階段降雨入滲過(guò)程曲線

降雨入滲條件下非飽和土中含水率的變化是隨時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，1944年Coleman和Bodman[5]研究了雨水入滲過(guò)程中土壤含水率的垂直變化規(guī)律，如圖2所示。垂直方向上土壤含水率的分布劃分為以下4個(gè)區(qū)域：

a）飽和區(qū) 在外界水源補(bǔ)給下，近地表一定范圍內(nèi)土體含水率率先達(dá)到飽和含水率。

b）過(guò)渡區(qū) 此區(qū)域土體含水率隨深度增加迅速降低。

c）傳導(dǎo)區(qū) 此區(qū)域土體含水率基本保持不變，水勢(shì)梯度極小。

d）濕潤(rùn)區(qū) 此區(qū)域位于降雨影響范圍下端區(qū)域，土體含水率逐漸減小至初始含水率。濕潤(rùn)區(qū)的末端為濕潤(rùn)鋒線，代表雨水入滲深度。

圖2 土體含水率隨深度變化曲線

2 數(shù)值計(jì)算模型

有限元數(shù)值計(jì)算模型和土體參數(shù)取值如圖3所示，模型長(zhǎng)58 m，高30 m，其中路堤高10 m，路堤邊坡坡比為1∶1.5。模型底部為固定邊界，兩側(cè)為法向約束邊界。在進(jìn)行滲流計(jì)算時(shí)，模型底部及兩側(cè)均設(shè)置為不透水邊界，上邊界設(shè)置為滲流邊界，超出土體入滲能力部分的降雨將以地表徑流形式流走。初始地下水位位于路堤下6 m處，水位以下為隨深度線性增加的正孔隙水壓力；水位以上為負(fù)孔隙水壓力，即基質(zhì)吸力，其中路面處基質(zhì)吸力最大，為160 kPa。

圖3 有限元數(shù)值計(jì)算模型

路基黃土服從Mohr-Coulomd理想彈塑性屈服準(zhǔn)則，彈性模量為8 MPa，黏聚力為20 kPa，內(nèi)摩擦角為15°，天然重度為19.8 kN/m3。非飽和黃土的土-水特征曲線和滲透性函數(shù)如圖4和圖5所示，其中，黃土的飽和體積含水率為51.8%，殘余體積含水率為9%，飽和滲透系數(shù)為0.0108 m/h。降雨雨型采用等強(qiáng)型，降雨強(qiáng)度為110 mm/d，降雨持續(xù)5 d。

圖4 非飽和黃土土-水特征曲線

圖5 非飽和黃土滲透特性曲線

數(shù)值計(jì)算流程簡(jiǎn)述如下：

a）建立如圖3所示的有限元數(shù)值計(jì)算模型，劃分網(wǎng)格，設(shè)置土體參數(shù)及初始邊界條件。

b）打開(kāi)SIGMA/W模塊，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計(jì)算。

c）打開(kāi)SEEP/W模塊，調(diào)取地應(yīng)力平衡計(jì)算結(jié)果文件，輸入非飽和黃土土-水特征曲線函數(shù)、非飽和滲透系數(shù)函數(shù)以及其他相關(guān)滲流參數(shù)，設(shè)置頂面為滲流入滲邊界，并進(jìn)行非飽和滲流計(jì)算。

d）計(jì)算結(jié)束后，整理并分析計(jì)算結(jié)果。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 濕度場(chǎng)變化規(guī)律

路基土體中孔隙水壓力和體積含水率分布隨降雨歷時(shí)的變化情況如圖6～圖8所示。

圖6 降雨1 d后孔隙水壓力和體積含水率分布

圖7 降雨3 d后孔隙水壓力和體積含水率分布

圖8 降雨5 d后孔隙水壓力和體積含水率分布

從圖6～圖8可以看出，降雨影響范圍內(nèi)土中孔隙水壓力升高，體積含水率增大。近地表土中孔隙水壓力和體積含水率等值線出現(xiàn)不同程度的環(huán)狀分布，自上至下，孔隙水壓力和體積含水率表現(xiàn)出高→低→高的分布形式。降雨持續(xù)一段時(shí)間后，近地表土體孔隙水壓力趨于零，基質(zhì)吸力顯著減小，土體體積含水率接近飽和體積含水率。圖9為降雨過(guò)程中路基中心降雨影響深度變化曲線，從中可以看出，降雨初期浸潤(rùn)鋒線推進(jìn)速度較快，之后以基本穩(wěn)定的速度推進(jìn)；降雨影響深度與降雨歷時(shí)基本呈線性關(guān)系，持續(xù)5 d后雨水浸入深度為4.44 m。

圖9 降雨過(guò)程中降雨影響深度變化

圖10 降雨過(guò)程中路基不同位置處孔隙水壓力變化

為研究降雨過(guò)程中路基不同位置豎直方向各點(diǎn)孔隙水壓力變化情況，選取路面中心和邊坡坡腳兩個(gè)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖10為降雨過(guò)程中路基中心和坡腳處孔隙水壓力沿深度分布變化。

可以看出，降雨1 d后路基中心處地表孔隙水壓力便迅速由-156.91 kPa增加到-12.88 kPa，基質(zhì)吸力減小了144.03 kPa，減小幅度達(dá)91.79%；此后，隨著降雨過(guò)程的持續(xù)，地表孔隙水壓力變化較??；降雨5 d后，地表孔隙水壓力增大至-11.13 kPa，基本達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)。坡腳位置在降雨1 d后地表空隙水壓力由-58.84 kPa增大至-13.47 kPa，基質(zhì)吸力減小了45.37 kPa，減小幅度77.11%；降雨5 d后，地表空隙水壓力增大至-11.6 kPa，基本達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)。

3.2 邊坡安全系數(shù)

圖11 降雨過(guò)程中路基邊坡安全系數(shù)變化

圖11為降雨前和降雨后路基邊坡臨界滑移面分布云圖以及對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)。從圖中可以看出降雨前路基邊坡安全系數(shù)為1.82，對(duì)應(yīng)的臨界滑移面位置較深；降雨結(jié)束后邊坡安全系數(shù)顯著降低，對(duì)應(yīng)的臨界滑移面位置較淺。結(jié)果表明，隨著近地表土體含水率增加，基質(zhì)吸力減小，非飽和土抗剪強(qiáng)度降低，邊坡失穩(wěn)破壞模式由潛在的深層滑移轉(zhuǎn)變?yōu)闇\層滑移。

4 結(jié)論

采用有限元軟件對(duì)非飽和黃土路基在降雨入滲條件下的非飽和滲流過(guò)程進(jìn)行了研究。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：降雨入滲過(guò)程中，濕潤(rùn)鋒線向路基深處推進(jìn)，降雨影響范圍逐漸增大，降雨影響區(qū)域內(nèi)土體含水率增加，孔隙水壓力增大。尤其是近地表非飽和土中含水率增加速度最快，基質(zhì)吸力減小明顯，并逐漸消失。路堤中孔隙水壓力和體積含水率等值線出現(xiàn)不同程度的環(huán)狀分布，自地表到坡體內(nèi)部，孔隙水壓力和體積含水率呈現(xiàn)高→低→高的分布形式。降雨影響深度與降雨歷時(shí)基本呈線性關(guān)系，持續(xù)5 d后雨水浸入深度為4.44 m。受降雨入滲影響，路基邊坡失穩(wěn)破壞模式由潛在的深層滑移轉(zhuǎn)變?yōu)闇\層滑移。