降雨入滲對土質(zhì)路塹邊坡的穩(wěn)定性影響分析

姚志勇

摘要：為了研究土質(zhì)路塹邊坡在降雨入滲條件下的穩(wěn)定性，文章以廣西桂三高速公路高架橋右側(cè)某土質(zhì)路塹邊坡為研究對象，采用數(shù)值分析軟件，建立相應(yīng)的數(shù)值分析模型，描述了土質(zhì)路塹邊坡在降雨入滲條件下的滲流場演變規(guī)律，揭示了滲流作用下土質(zhì)路塹邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：降雨入滲條件下，邊坡土體體積含水率隨降雨入滲量的不斷累積而逐漸增加;受滲流演變規(guī)律的影響，塑性區(qū)在邊坡內(nèi)部形成，并隨降雨歷時的增加，逐漸向邊坡內(nèi)部拓展;研究歷時內(nèi)，邊坡安全系數(shù)從1.56減小到了1.12，邊坡的穩(wěn)定性受降雨影響較大。

關(guān)鍵詞：降雨入滲;路塹邊坡;滲流作用;穩(wěn)定性

中圖分類號：U416.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.017

文章編號：1673-4874（2019）10-0058-03

0引言

在道路建設(shè)過程中，受路線整體規(guī)劃的要求，常常會對原有土基進(jìn)行開挖，形成大量的土質(zhì)路塹邊坡工程。在降雨入滲條件下，該類邊坡土體強度會逐漸劣化，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)事件時有發(fā)生。目前國內(nèi)外學(xué)者針對土質(zhì)路塹邊坡的穩(wěn)定性已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究：張漣英等在對依托工程進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了紅黏土邊坡的穩(wěn)定性計算方法，并利用該方法對紅黏土邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計算;張坤等對黃土路塹邊坡土體的水熱變化規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，分析了干濕循環(huán)和凍融循環(huán)條件下路塹邊坡內(nèi)的體積含水率及溫度變化規(guī)律;喬翔根據(jù)典型的高路塹邊坡失穩(wěn)案例，分析了誘發(fā)高路塹邊坡發(fā)生滑坡破壞的影響因素，并提出了相應(yīng)的加固方案;侯志峰等以典型的黃土路塹邊坡為研究對象，采用數(shù)值軟件，對黃土路塹邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了黃土路塹邊坡的變形演變規(guī)律。從上述研究中可以看出，目前關(guān)于路塹邊坡穩(wěn)定性的研究主要集中在穩(wěn)定性計算及加固技術(shù)這兩個方面，較少有學(xué)者從滲流演變角度出發(fā)，考慮降雨入滲對土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性的影響。

鑒于此，本文針對目前國內(nèi)外關(guān)于降雨入滲條件下土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性影響研究的不足，以廣西桂三高速公路高架橋右側(cè)某土質(zhì)路塹邊坡為研究對象，采用Geo-studio軟件，建立相應(yīng)的數(shù)值分析模型，通過數(shù)值模擬土質(zhì)路塹邊坡在降雨入滲條件下的孔隙水壓力、體積含水率等滲流演變特征，揭示降雨入滲對土質(zhì)路塹邊坡的穩(wěn)定性影響機制，為工程實踐提供理論參考。

1土質(zhì)路塹邊坡降雨入滲機理及穩(wěn)定性分析理論

1.1滲流邊界

雨水在土質(zhì)路塹邊坡表面入滲的情況如圖1所示。根據(jù)圖1所示的雨水入滲特性，可將滲流邊界條件分為3種。

第一種邊界條件又稱作水頭邊界條件。通過在邊界上指定水頭分布，在降雨強度大于土體滲透系數(shù)時，雨水在邊坡表面入滲的條件為第一種邊界條件，如圖1中BC段中B對應(yīng)的階段所示，具體表達(dá)式為：

h|=H（x，y，z，t） （1）

第二種邊界條件又稱為流量邊界條件。該情況下，當(dāng)降雨強度小于土體滲透系數(shù)，對應(yīng)于圖1中的A階段，具體表達(dá)式為：

式中：q——一流過邊界單位面積上的流量，等同于v;l、l、l。指外法線n與坐標(biāo)之間的方向余弦。

第三種邊界條件又稱為混合邊界條件。該情況下，土質(zhì)路塹邊坡表面水頭差與邊坡內(nèi)部交換的流量呈函數(shù)關(guān)系，雨水在邊坡表面產(chǎn)生徑流。如圖1中BC段中C對應(yīng)于該階段，其中線D則表示了土體的入滲能力。具體表達(dá)式為：

式中：α——正常數(shù)，α與β均是此種邊界中各點的已知數(shù)。

1.2 非飽和抗剪強度理論

土質(zhì)路塹邊坡的非飽和抗剪強度計算方法采用雙應(yīng)力變量（υ-μ，μ-μ）理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來的非飽和抗剪強度公式：

τ=c+（σ-μ）tan+（μ-μ）tan （5）式中：μ——粗粒土土體的進(jìn)氣值，由于考慮邊坡孔隙與大氣相連μ=0;

ψ——基質(zhì)吸力對內(nèi)摩擦角的貢獻(xiàn)，按經(jīng)驗取值ψ=14°;

μ——孔隙水壓力。

2 土質(zhì)路塹邊坡計算參數(shù)及數(shù)值模型

2.1計算參數(shù)

本文計算的土質(zhì)路塹邊坡位于廣西桂三高速公路高架橋右側(cè)。對路塹邊坡進(jìn)行現(xiàn)場取樣，在室內(nèi)進(jìn)行變水頭滲透試驗，測得邊坡土體滲透系數(shù)為：1.35×10cm/s;通過直剪試驗測得土樣的粘聚力為27kPa，內(nèi)摩擦角為21°。此外，參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定土樣的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧v年降雨情況，考慮本文主要研究滲流影響下的路塹邊坡穩(wěn)定性，選取本次數(shù)值模擬的降雨強度為9.1×10mm/S.降雨時長為24h。通過室內(nèi)試驗可得土樣飽和體積含水率和殘余體積含水率分別為0.18、0.10，在Geosudio軟件的seep模塊中，利用Von Genuchten模型對土樣的土水特征曲線進(jìn)行擬合，如圖2和圖3所示。

2.2 數(shù)值計算模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場裯研資料可知，土質(zhì)路塹邊坡總高度達(dá)20m，分兩級開挖，第一級邊坡坡比為：1：1.75，第二級邊坡坡比為1：1.5。為了分析降雨入滲條件下土質(zhì)路塹邊坡的滲流演變規(guī)律，選取了兩個監(jiān)測截面。模型邊界設(shè)定為：邊坡表面及坡頂設(shè)定為降雨邊界，模型底部及兩側(cè)邊界設(shè)定為不透水邊界。見圖4。

3數(shù)值模擬結(jié)果

本算例采用摩爾庫倫模型，在降雨入滲條件下對土質(zhì)路塹邊坡的滲流特性進(jìn)行計算，降雨24h時邊坡監(jiān)測截面1和截面2的體積含水率變化規(guī)律如圖5所示。

從圖5中可以看出：在截面1處，高程在19-20m內(nèi)，體積含水率基本達(dá)到飽和狀態(tài)，高程在13-19m內(nèi)體積含水率隨高程的減小而逐漸減小;在截面2處，高程在30-28m內(nèi)，體積含水率基本達(dá)到飽和狀態(tài)，高程在13-28m內(nèi)，體積含水率隨高程的減小而逐漸減小。高程在5-10m內(nèi)，兩個監(jiān)測截面體積含水率隨高程減小而逐漸增加;高程在0-5m內(nèi)，兩個監(jiān)測截面體積含水率維持在飽和狀態(tài)。這主要是因為在高程5m處，土質(zhì)路塹邊坡內(nèi)存在地下水位，因此，高程5m內(nèi)的體積含水率基本都維持在飽和狀態(tài)，受地下水位的影響，地下水位以上的土體在基質(zhì)吸力的作用下，對地下水具有毛細(xì)作用。因此，在一定高程內(nèi)，土體體積含水率隨高程的增加逐漸減小;受降雨入滲的影響，邊坡表面土體基本達(dá)到飽和狀態(tài)，下部土體受入滲雨水的影響，體積含水率也有所增加。

將數(shù)值模擬的滲流特性通過FiSh語言導(dǎo)入到FLAC3D軟件中，計算得到的土質(zhì)路塹邊坡的塑性區(qū)如圖6昕示.

從圖6中可以看出：降雨入滲條件下，雨水在路塹邊坡內(nèi)部滲流，使得邊坡內(nèi)部出現(xiàn)塑性區(qū)，隨著降雨歷時的增加，塑性區(qū)面積逐漸增大，在第一邊坡坡腳處的塑性區(qū)面積也逐漸向邊坡內(nèi)部拓展，直至形成貫通區(qū)，導(dǎo)致不能再繼續(xù)承受外部荷載或自重力，最終出現(xiàn)沿塑性區(qū)發(fā)育的失穩(wěn)現(xiàn)象。

運用強度折減法計算的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律如圖7所示。

從圖7中可以看出：土質(zhì)路塹邊坡在降雨入滲條件下，安全系數(shù)從最初的1.56減小到了1.12，減小了28%，平均每小時減小0.018?？梢?，在降雨入滲作用下，雨水從路塹邊坡表面入滲后，在邊坡內(nèi)部進(jìn)行滲流，形成滲流場。隨著降雨入滲量的不斷累積，滲流場逐漸向邊坡內(nèi)部演變，體積含水率逐漸增加，土體抗剪強度逐漸降低，導(dǎo)致路塹邊坡的整體穩(wěn)定性逐漸降低。

4 結(jié)語

本文從滲流演變的角度，深入分析了土質(zhì)路塹邊坡在降雨入滲條件下的滲流特性，根據(jù)滲流演變規(guī)律，采用數(shù)值軟件，對滲流影響下的土質(zhì)路塹邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計算，揭示了土質(zhì)路塹邊坡在降雨入滲條件下的穩(wěn)定性變化規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

（1）降雨入滲條件下，邊坡表面土體體積含水率隨降雨入滲量的不斷累積而逐漸增加至飽和狀態(tài)，邊坡內(nèi)部土體體積含水率受滲流場演變規(guī)律的影響。

（2）受滲流演變規(guī)律的影響，塑性區(qū)在邊坡內(nèi)部形成，并隨降雨歷時的增加，塑性區(qū)面積逐漸擴展，直至貫通。

（3）土質(zhì)路塹邊坡在降雨入滲條件下，安全系數(shù)隨降雨歷時的增加而逐漸減小。