強(qiáng)降雨條件下考慮滲透力影響的粗粒土高路堤邊坡穩(wěn)定性

段旭龍，何忠明，王保林

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強(qiáng)降雨條件下考慮滲透力影響的粗粒土高路堤邊坡穩(wěn)定性

段旭龍1，何忠明2，王保林2

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410114)

為了分析強(qiáng)降雨條件下粗粒土高路堤邊坡的穩(wěn)定性，基于滲透力理論，對(duì)邊坡在強(qiáng)降雨條件下的二維滲流特性進(jìn)行計(jì)算，然后，通過(guò)Fish語(yǔ)言編程，將邊坡孔隙水壓力和滲透力等滲流參數(shù)導(dǎo)入FLAC3D軟件中，重點(diǎn)分析滲透力變化對(duì)路堤邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：在強(qiáng)降雨條件下，路堤邊坡在方向的滲流梯度在邊坡表面及第二級(jí)邊坡坡腳處表現(xiàn)為正值，坡腳處包絡(luò)線所包圍的正值區(qū)域逐漸向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展，邊坡坡頂處在和方向的滲流梯度的變化幅度較大；路堤邊坡表層孔隙水壓力隨降雨入滲持續(xù)而逐漸增加，隨雨水的不斷滲出而逐漸減小；路堤邊坡坡頂處體積含水率呈現(xiàn)“凸”型分布，邊坡縱截面體積含水率呈現(xiàn)“凹”型分布；隨著雨水持續(xù)入滲，路堤邊坡塑性區(qū)首先在各級(jí)邊坡坡腳處及第二級(jí)邊坡坡腳下方形成，并逐漸沿坡頂方向向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展，形成塑性貫通區(qū)；受滲透力的影響，邊坡安全系數(shù)演變規(guī)律分為緩慢上升階段、緩慢下降階段、快速下降階段和緩慢回升階段。

強(qiáng)降雨；粗粒土；穩(wěn)定性；滲透力；安全系數(shù)

高速公路的大規(guī)模修建，極大地推動(dòng)了我國(guó)交通及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，但也在一定程度上改變了當(dāng)?shù)鼐植凯h(huán)境。其中，改變最典型的是對(duì)自然地形進(jìn)行了深挖或高填，形成了高低不同、坡度各異的工程邊坡，改變了當(dāng)?shù)卦械膽?yīng)力場(chǎng)，嚴(yán)重影響了道路運(yùn)營(yíng)及行車(chē)安全。為此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究，如：劉俊新等[1]基于流固耦合作用原理，建立了邊坡非飽和區(qū)的流固耦合方程，計(jì)算了流固耦合作用下邊坡的穩(wěn)定性，并認(rèn)為降雨影響了邊坡失穩(wěn)的范圍、深度及程度；徐平等[2]以三峽庫(kù)區(qū)馬家溝附近1個(gè)失穩(wěn)邊坡為例，建立了相應(yīng)的數(shù)值分析模型，并基于強(qiáng)度折減法，計(jì)算了邊坡在1個(gè)水文周期內(nèi)水庫(kù)水位高程變化對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響；MEIN等[3]通過(guò)調(diào)研邊坡實(shí)際工程概況，依托工程邊坡條件，分析了邊坡在降雨入滲條件下的作用機(jī)理，對(duì)積水前、后的邊坡入滲率公式進(jìn)行了推導(dǎo)，最后運(yùn)用數(shù)值軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，揭示了土坡在降雨入滲條件下的穩(wěn)定性變化規(guī)律；DUNKERLEY[4]提出了一種入滲坡面非穩(wěn)態(tài)的分析方法，并利用該方法研究了降雨強(qiáng)度變化幅度對(duì)坡面徑流產(chǎn)生條件的影響，分析了邊坡穩(wěn)定性；張盧明等[5]考慮了降雨及地下水位線對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為邊坡基質(zhì)吸力受降雨強(qiáng)度的影響較大，邊坡穩(wěn)定性對(duì)降雨強(qiáng)度較敏感。從上述研究中可見(jiàn)降雨是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的最直接因素，這些研究者針對(duì)降雨這一因素對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究，但很少考慮降雨入滲條件下滲透力作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。滲透力作為引起土體滲透變形的動(dòng)力，其變化將直接影響邊坡的破壞程度。為此，本文作者在總結(jié)前人研究邊坡穩(wěn)定性成果的基礎(chǔ)上，以粗粒土高路堤邊坡為研究對(duì)象，基于飽和—非飽和滲流理論，計(jì)算邊坡在強(qiáng)降雨條件下的二維滲流特性，然后，將邊坡滲透力和孔隙水壓力等滲流結(jié)果通過(guò)Fish語(yǔ)言導(dǎo)入到FLAC3D軟件中，計(jì)算降雨入滲條件下粗粒土高路堤邊坡的穩(wěn)定性，以便為工程邊坡防護(hù)及排水設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 穩(wěn)定性分析理論基礎(chǔ)

1.1 飽和?非飽和滲流理論

粗粒土高路堤邊坡在降雨入滲條件下的滲流特性滿足達(dá)西定律[6]：

在邊坡飽和區(qū)內(nèi)，土體的滲透系數(shù)一般為定值，但在非飽和區(qū)內(nèi)，由于體積含水率不同，導(dǎo)致邊坡滲透系數(shù)表現(xiàn)出隨基質(zhì)吸力增加而增加，其飽和?非飽和滲流控制微分方程為[6]

式中：為土體中的總水頭；k和k分別為和方向的滲透系數(shù)；為源匯項(xiàng)；ω為比水容量；ω為水的密度；為重力加速度；為時(shí)間。

土水特征曲線是反映邊坡飽和?非飽和狀態(tài)下體積含水率與基質(zhì)吸力之間的特定關(guān)系。為分析這種特定的關(guān)系，F(xiàn)REDLUND 等[7]進(jìn)行了大量的滲流試驗(yàn)，認(rèn)為土水特征曲線為對(duì)數(shù)函數(shù)的冪函數(shù)形式，雖然適用范圍較廣，但由于其分析過(guò)程復(fù)雜，影響因素較多，并沒(méi)有廣泛應(yīng)用于巖土體的滲流分析中；RAHARDJO等[8]根據(jù)大量滲流試驗(yàn)結(jié)果，擬合了土水特征曲線的冪函數(shù)形式。這種形式參數(shù)簡(jiǎn)單，擬合效果符合試驗(yàn)結(jié)果，得到了廣泛應(yīng)用。其具體方程為

式中：c為基質(zhì)吸力；，和為擬合參數(shù)。參數(shù)和之間存在=(1?)?1的關(guān)系，代入式(3)可得

式中：o=1/；e為有效飽和度。

1.2 滲透力理論

滲透力是指土體中水的流動(dòng)對(duì)土骨架顆粒所施加的作用力[9?12]。在強(qiáng)降雨條件下，雨水在粗粒土高路堤邊坡表面入滲，繼而向邊坡內(nèi)部拓展，形成滲流。在雨水滲流過(guò)程中，雨水的流動(dòng)對(duì)粗粒土骨架形成了拖拽力，其作用效果如圖1所示。

圖1 滲透力作用示意圖

在降雨入滲條件下，粗粒土骨架受水流作用的靜力平衡方程為：

式中：a為水上部分自重力；b′為水下部分浮重力；為抗剪強(qiáng)度；為滲透力合力；s為飽和重度；w為水的重度；為水位線以下粗粒土體積。粗粒土高路堤邊坡在強(qiáng)降雨條件下和方向的滲流梯度，可采用Geo-stduio軟件的seep模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果乘以相應(yīng)的水的重度w得到滲透力，其為和方向2個(gè)力的合力，具體計(jì)算公式為[13?14]：

1.3 穩(wěn)定性抗剪強(qiáng)度理論

在自然條件下，粗粒土高路堤邊坡由于地下水的存在，處于一種飽和?非飽和的靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。降雨入滲后，邊坡飽和區(qū)和非飽和區(qū)進(jìn)行了重分布，破壞了邊坡原有的靜態(tài)穩(wěn)定性，使邊坡的穩(wěn)定性處于一種動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中。其飽和區(qū)的飽和抗剪強(qiáng)度f(wàn)滿足[15?17]

式中：為黏聚力；′為剪切滑裂面的有效正應(yīng)力；為內(nèi)摩擦角。

式(9)僅考慮了飽和狀態(tài)下粗粒土骨架的抗剪強(qiáng)度，未考慮非飽和狀態(tài)下孔隙水壓力對(duì)邊坡滲流及穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。為此，F(xiàn)REDLUND等[7]針對(duì)現(xiàn)有飽和抗剪強(qiáng)度公式的不足，根據(jù)非飽和土的雙應(yīng)力變量(?a，a?w)理論提出非飽和抗剪強(qiáng)度公式：

式中：a為邊坡粗粒土骨架的進(jìn)氣值，考慮邊坡孔隙與大氣相連，a=0；b為基質(zhì)吸力對(duì)內(nèi)摩擦角的作用，按經(jīng)驗(yàn)取值b=14°；w為孔隙水壓力。

2 二維滲流特性分析

2.1 二維滲流計(jì)算模型及參數(shù)

二維滲流計(jì)算模型如下：某高速公路在施工過(guò)程中形成了高度約20 m的粗粒土高路堤邊坡，該邊坡分2級(jí)放坡，其中，第1級(jí)坡高8 m，坡率為1:1.50；第2級(jí)坡高12 m，坡率為1:1.75；2級(jí)邊坡交接處平臺(tái)寬2 m。為了研究強(qiáng)降雨條件下該粗粒土高路堤邊坡的二維滲流特性，以該路堤橫斷面的一半為研究對(duì)象，建立二維滲流計(jì)算模型，如圖2所示。為同時(shí)考慮計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)步，將模型劃分為2 342個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 228個(gè)單元；為便于對(duì)強(qiáng)降雨條件下粗粒土高路堤邊坡滲流場(chǎng)的的監(jiān)測(cè)，在邊坡表面以下2 m處布設(shè)4個(gè)特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)~，在路堤左側(cè)布設(shè)特征截面1-1。

滲流邊界條件為：邊坡表面和坡腳左側(cè)均設(shè)置為降雨入滲邊界，路堤表面及模型底部設(shè)定為不透水 邊界。

圖2 二維滲流計(jì)算模型

二維滲流計(jì)算參數(shù)如下：取工程邊坡粗粒土試樣，然后測(cè)定水文參數(shù)，其中，粗粒土飽和滲透系數(shù)經(jīng)室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)量，為1.39×10?6 m/s，飽和體積含水率為0.28，殘余體積含水率為0.11。然后，利用VAN GENUCHTEN模型[8]對(duì)邊坡土水特征曲線及滲透系數(shù)方程進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖3所示。此外，根據(jù)該邊坡當(dāng)?shù)亟?0年降雨資料[18]，擬定本文所采用的降雨等級(jí)為暴雨，降雨強(qiáng)度為12×10?7 m/s，降雨歷時(shí)48 h，降雨停止48 h，總研究歷時(shí)96 h。

1—粗粒土體積含水率；2—粗粒土滲透系數(shù)。

2.2 邊坡在X方向的滲流梯度分布規(guī)律

圖4和圖5所示分別為降雨歷時(shí)48 h和降雨停止48 h時(shí)邊坡在方向的滲流梯度分布規(guī)律。從圖4和圖5可以看出：在降雨階段，邊坡在方向的滲流梯度在邊坡表面及第2級(jí)邊坡坡腳處表現(xiàn)為正值，并隨著降雨歷時(shí)增加，其正值所包圍的區(qū)域也逐漸向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展；當(dāng)降雨歷時(shí)達(dá)到48 h時(shí)，邊坡第2級(jí)坡腳處的滲流梯度已經(jīng)延伸至模型底部，路堤中線附近在方向的滲流梯度為0；降雨停止48 h后，邊坡在方向的滲流梯度在邊坡表面出現(xiàn)了負(fù)值；在第2級(jí)邊坡坡腳處，滲流梯度所包圍的區(qū)域明顯減小，并由模型底部向第2級(jí)邊坡坡腳處抬升，路堤中線附近的方向的滲流梯度仍然表現(xiàn)為0。產(chǎn)生上述變化的原因?yàn)椋涸诮涤觌A段，雨水在路堤邊坡表面主要表現(xiàn)為降雨入滲，入滲的雨水又由于自重應(yīng)力場(chǎng)的作用而逐漸向第2級(jí)邊坡坡腳處滲流，從而對(duì)坡腳處地下水進(jìn)行補(bǔ)給，使得邊坡在方向的滲流在第2級(jí)邊坡坡腳處主要表現(xiàn)為正值，且隨著降雨入滲對(duì)地下水的持續(xù)補(bǔ)給，其正值所包圍的區(qū)域逐漸擴(kuò)展；降雨停止后，邊坡表面入滲的雨水逐漸向外滲透，第2級(jí)邊坡坡腳處地下水位也將隨之降低，因此，在降雨停止48 h后，邊坡表面在方向的滲流梯度表現(xiàn)為負(fù)值。

圖4 降雨歷時(shí)48 h邊坡在X方向的滲流梯度

圖5 降雨停止48 h在邊坡X方向的滲流梯度

2.3 邊坡特征點(diǎn)滲流梯度分布規(guī)律

圖6所示為路堤邊坡特征點(diǎn)在和方向的滲流梯度分布規(guī)律。從圖6可知：在降雨初期，邊坡特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)在方向的滲流梯度增大迅速，當(dāng)降雨達(dá)到30 h左右時(shí)，達(dá)到峰值，然后開(kāi)始持續(xù)降低，最后穩(wěn)定在0左右；邊坡特征點(diǎn)在方向的滲流梯度降雨初期主要沿軸負(fù)方向增加，隨后又慢慢減小，最后穩(wěn)定在?1左右；路堤邊坡特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)在和方向的滲流梯度變化幅度最大，特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)次之。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸诮涤瓿跗?，雨水?huì)由于基質(zhì)吸力及自重應(yīng)力場(chǎng)的作用，產(chǎn)生沿軸正方向和軸負(fù)方向的合流，因此，邊坡特征點(diǎn)在和方向的滲流梯度都會(huì)迅速增加，當(dāng)特征點(diǎn)區(qū)域形成暫態(tài)飽和區(qū)后，其滲流速度矢量會(huì)明顯減小，從而引起特征點(diǎn)在和方向的滲流梯度達(dá)到峰值后開(kāi)始逐漸減??；降雨停止后，邊坡表面雨水一部分會(huì)向外出滲，另一部分會(huì)繼續(xù)向邊坡內(nèi)部滲流，因此，最后邊坡特征點(diǎn)在和方向的滲流梯度都維持在最初值；特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于第2級(jí)邊坡坡頂處，由于邊坡平臺(tái)的存在，此處的雨水滲流速度較大，因此，特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲流梯度變化幅度最大。

1—特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)a在X方向的滲流梯度；2—特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)b在X方向的滲流梯度；3—特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)c在X方向的滲流梯度；4—特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)d在X方向的滲流梯度；5—特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)a在Y方向的滲流梯度；6—特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)b在Y方向的滲流梯度；7—特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)c在Y方向的滲流梯度；8—特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)d在Y方向的滲流梯度。

2.4 邊坡孔隙水壓力及體積含水率分布規(guī)律

圖7所示為路堤邊坡特征點(diǎn)孔隙水壓力分布規(guī)律，圖8所示為路堤邊坡截面1-1體積含水率分布規(guī)律。從圖7可以看出：在降雨階段，邊坡特征點(diǎn)負(fù)孔隙水壓力隨著降雨歷時(shí)的增加而逐漸減小，其中特征點(diǎn)的負(fù)孔隙水壓力從?82 kPa逐漸減小至0 kPa，減小幅度最大；特征點(diǎn)負(fù)孔隙水壓力在降雨歷時(shí)48 h時(shí)減小至10 kPa，峰值最大；降雨停止后，邊坡各特征點(diǎn)孔隙水壓力逐漸恢復(fù)至負(fù)值。從圖8可以看出：路堤邊坡坡頂處體積含水率在降雨入滲條件下迅速增加至飽和狀態(tài)，形成暫態(tài)飽和區(qū)；降雨停止后，坡頂

特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)：1—a；2—b；3—c；4—d。

圖8 路堤邊坡截面1-1體積含水率

3 邊坡穩(wěn)定性研究

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

通過(guò)FLAC3D軟件建立粗粒土高路堤邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算模型，其橫截面尺寸、網(wǎng)格劃分和單元個(gè)數(shù)與2.1節(jié)中建立的滲流模型一致(見(jiàn)圖9)；然后，將滲流計(jì)算結(jié)果中的孔隙水壓力及滲透力等滲流特性參數(shù)按節(jié)點(diǎn)的方式通過(guò)Fish語(yǔ)言導(dǎo)入到FLAC3D軟件中，計(jì)算粗粒土高路堤邊坡的穩(wěn)定性。本文只給出降雨歷時(shí)為48 h時(shí)導(dǎo)入孔隙水壓力及滲透力等滲流特性的穩(wěn)定性計(jì)算模型，如圖10所示。

圖9 穩(wěn)定性計(jì)算模型

圖10 導(dǎo)入滲流特性的穩(wěn)定性計(jì)算模型

按照J(rèn)TG E40—2007“公路土工試驗(yàn)規(guī)程”對(duì)該邊坡粗粒土試樣進(jìn)行室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，測(cè)得其黏聚力為36 kPa，內(nèi)摩擦角為26°，天然重度為18 kN/ m3。此外，其他物理力學(xué)參數(shù)參照文獻(xiàn)[19?21]進(jìn)行取值，如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

3.2 邊坡塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律

邊坡的失穩(wěn)破壞可以看作是塑性區(qū)逐漸形成、擴(kuò)展直至貫通，繼而形成完全的塑流狀態(tài)，導(dǎo)致邊坡無(wú)法繼續(xù)承受荷載的過(guò)程。圖11所示為數(shù)值分析得到的強(qiáng)降雨條件下路堤邊坡塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律。從圖11可以看出：在降雨初期階段，路堤邊坡塑性區(qū)首先在各級(jí)邊坡坡腳處及第2級(jí)邊坡坡腳下方形成，然后，隨著降雨歷時(shí)增加，塑性區(qū)面積不斷增大，并逐漸沿坡頂方向向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展；當(dāng)降雨歷時(shí)達(dá)到48 h時(shí)，塑性區(qū)已經(jīng)由邊坡表面擴(kuò)展至邊坡內(nèi)部，形成塑性貫通區(qū)；當(dāng)降雨停止后，路堤邊坡塑性區(qū)面積由中間向兩邊逐漸縮減；當(dāng)降雨停止48 h后，路堤邊坡邊坡塑性貫通區(qū)已經(jīng)消散，此時(shí)，塑性區(qū)主要分布在模型邊界處。其原因?yàn)椋涸诮涤瓿跗陔A段，路堤邊坡坡腳處的滲流梯度較大，滲透力較強(qiáng)，雨水主要沿坡腳向下滲流，使得邊坡坡腳處孔隙水壓力逐漸增大，地下水位逐漸沿坡腳爬升，粗粒土抗剪強(qiáng)度逐漸降低，因此，路堤邊坡塑性區(qū)首先在各級(jí)邊坡坡腳處及第2級(jí)邊坡坡腳下方形成；隨著降雨歷時(shí)增加，雨水不斷向邊坡內(nèi)部滲流，邊坡坡頂及邊坡內(nèi)部的滲透力逐漸增加，孔隙水壓力逐漸增大，從而引起邊坡塑性區(qū)逐漸沿坡頂方向向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展；當(dāng)降雨停止后，雨水在邊坡表面出滲，邊坡表面滲流梯度開(kāi)始逐漸減小至負(fù)值，孔隙水壓力也開(kāi)始慢慢恢復(fù)，因此，路堤邊坡塑性區(qū)面積又逐漸縮減，貫通現(xiàn)象逐漸消失。

(a) 降雨歷時(shí)12 h塑性區(qū)；(b) 降雨歷時(shí)48 h塑性區(qū)；(c) 降雨停止48 h塑性區(qū)

3.3 邊坡安全系數(shù)演變規(guī)律

路堤邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)[22]是指邊坡剛好處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)層巖土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度，反映了邊坡整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性：在降雨條件下，當(dāng)其小于1.0時(shí)，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)其為[1.0，1.35)時(shí)，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)其大于等于1.35時(shí)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。本文運(yùn)用強(qiáng)度折減法，對(duì)粗粒土高路堤邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其演變規(guī)律如圖12所示。從圖12可以看出在整個(gè)研究歷時(shí)中，路堤邊坡安全系數(shù)的演變規(guī)律分為4個(gè)階段：在0~12 h內(nèi)，邊坡安全系數(shù)從1.80上升至1.65，平均每小時(shí)上升0.004，為緩慢上升階段；在12~24 h內(nèi)，邊坡安全系數(shù)從1.85下降至1.73，平均每小時(shí)下降0.010，為緩慢下降階段；在24~48 h內(nèi)，邊坡安全系數(shù)從1.73下降至1.10，平均每小時(shí)下降0.026，為快速下降階段；在48~96 h內(nèi)，邊坡安全系數(shù)從1.10回升至1.45，平均每小時(shí)回升0.007，為緩慢回升階段。在降雨歷時(shí)48 h內(nèi)，邊坡安全系數(shù)從1.80下降至1.10，降低了43.8%；降雨停止48 h后，邊坡安全系數(shù)從1.10回升至1.45，回升了38.9%。產(chǎn)生上述演變規(guī)律的原因?yàn)椋涸诮涤昵捌冢挥猩倭坑晁谶吰卤砻嫒霛B，雨水填充邊坡表面粗粒土骨架孔隙，在邊坡表面形成沿軸正方向和軸負(fù)方向的滲透力，從而邊坡的穩(wěn)定性有所提高；但隨著雨水持續(xù)入滲，邊坡表面孔隙水壓力逐漸增大，粗粒土抗剪強(qiáng)度慢慢降低，邊坡穩(wěn)定性又開(kāi)始緩慢降低；當(dāng)降雨量達(dá)到一定程度后，邊坡表面逐漸形成暫態(tài)飽和區(qū)，塑性區(qū)面積逐漸沿坡頂方向向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展，因此，邊坡穩(wěn)定性開(kāi)始迅速降低；當(dāng)降雨停止后，隨著雨水在緩慢出滲，邊坡塑性區(qū)貫通現(xiàn)象慢慢消散，暫態(tài)飽和區(qū)面積開(kāi)始縮減，孔隙水壓力逐漸恢復(fù)，因此，邊坡穩(wěn)定性緩慢提高。

圖12 路堤邊坡安全系數(shù)演變規(guī)律

4 結(jié)論

1) 在降雨階段，邊坡在方向的滲流梯度在邊坡表面及第2級(jí)邊坡坡腳處表現(xiàn)為正值，并隨著降雨歷時(shí)增加，坡腳處包絡(luò)線所包圍的正值區(qū)域逐漸向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展；邊坡坡頂處在和方向的滲流梯度的變化幅度較大。

2) 路堤邊坡表層孔隙水壓力隨降雨入滲的持續(xù)而逐漸增加，隨雨水的不斷滲透而逐漸減??；在整個(gè)研究歷時(shí)內(nèi)，路堤邊坡坡頂處體積含水率呈現(xiàn)“凸”型分布，邊坡縱截面體積含水率呈現(xiàn)“凹”型分布。

3) 在強(qiáng)降雨條件下，受滲透力影響，路堤邊坡塑性區(qū)首先在各級(jí)邊坡坡腳處及第2級(jí)邊坡坡腳下方形成，并逐漸沿坡頂方向向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展，形成塑性貫通區(qū)；在滲透力影響下，邊坡安全系數(shù)演變規(guī)律分為緩慢上升階段、緩慢下降階段、快速下降階段和緩慢回升階段。

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(編輯 陳燦華)

Stability of coarse grained soil with high embankment considering permeability under strong rainfall condition

DUAN Xulong1, HE Zhongming2, WANG Baolin2

(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China; 2. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

In order to analyze the stability of coarse grained soil with high embankment under strong rainfall condition, two-dimensional seepage characteristics of slope under heavy rainfall conditions were calculated based on the penetration theory. The seepage pore water pressure and seepage force were imported into FLAC3D software by Fish language programming. The impact of the change of seepage force on the stability of embankment slope was analyzed. The results show that under strong rainfall conditions, the seepage gradient of embankment slope indirection is positive on the surface of the slope and at the foot of the second grade slope. The positive area surrounded by the envelope of the slope foot gradually extends to the interior of the slope, and the rate of change of the seepage gradient inanddirections at the top of the slope is larger. The pore water pressure on the surface of the embankment slope increases gradually with the infiltration of the continuous rainfall, and gradually decreases with the continuous exudation of the rain water. The volumetric water content of embankment slope top shows “convex” distribution, and the vertical section of the slope shows “concave” distribution. With the continuous infiltration of rainwater, the plastic zone of embankment slope is firstly formed at the foot of slope and at the foot of the second grade slope, and gradually extends to the interior of the slope along the top of the slope to form a plastic penetrating zone. Influenced by the seepage force, the evolution law of slope safety factor is divided into 4 stages, i.e. slow rising stage, slow decline stage, rapid descent stage and slow recovery stage.

strong rainfall; coarse grained soil; stability; seepage force; safety factor

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.08.023

U416.12

A

1672?7207(2018)08?2016?08

2017?10?14；

2017?12?22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508042，51678073)(Projects(51508042, 51678073) supported by the National Natural Science Foundation of China)

何忠明，博士(后)，教授，從事道路工程研究；E-mail：hezhongming45@126.com