降雨入滲條件下土質(zhì)路堤邊坡穩(wěn)定性研究

陳釗 姚志勇

摘要：為了分析降雨入滲條件下土質(zhì)路堤邊坡的穩(wěn)定性，文章以壇洛至百色高速公路K768+870～K768+980段人工填筑土質(zhì)路堤邊坡為研究對(duì)象，采用數(shù)值分析軟件建立相應(yīng)的路堤邊坡數(shù)值模型，對(duì)路堤邊坡在降雨入滲條件下的滲流過(guò)程和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：在同一埋深深度條件下，不同位置處土體體積含水率隨降雨歷時(shí)的增加速率不一樣，位于坡腳處的土體體積含水率增加速率較快;邊坡表層土體含水飽和度的增加會(huì)導(dǎo)致雨水滲流速度矢量方向由垂直于坡面改變?yōu)檠刂旅鎯A向入滲;土質(zhì)路堤邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)與降雨入滲量之間呈遞減關(guān)系，隨著降雨入滲量的不斷累積，邊坡最終會(huì)產(chǎn)生滑坡失穩(wěn)破壞。研究成果可為土質(zhì)路堤邊坡的加固設(shè)計(jì)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：降雨入滲;土質(zhì)路堤邊坡;穩(wěn)定性;數(shù)值分析

中圖分類號(hào)：U416.1⁺4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.023

文章編號(hào)：1673—4874（2020）11—0087—03

0引言

土質(zhì)路堤邊坡是指在修建道路過(guò)程中，受地形條件的影響，道路沿線路段采用土石混合料作為填筑材料，對(duì)原有路基進(jìn)行填筑并壓實(shí)而形成的高于原地表的構(gòu)筑工程。我國(guó)地形條件較為復(fù)雜，在修建公路、鐵路及高速公路時(shí)，受山地或丘陵等地形條件的限制修筑了大量的土質(zhì)路堤邊坡工程。這些路堤邊坡工程極大地促進(jìn)了我國(guó)交通行業(yè)的發(fā)展，尤其是高速公路網(wǎng)的建設(shè)。然而，在高速公路運(yùn)營(yíng)期間，人工填筑的路堤邊坡時(shí)常會(huì)因承載能力不足而發(fā)生滑坡失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重威脅道路行車安全。人工填筑土質(zhì)路堤邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題已經(jīng)引起了相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，如：郭立華采用Midas軟件對(duì)人工填筑的土質(zhì)路堤邊坡進(jìn)行了數(shù)值分析，揭示了該類邊坡穩(wěn)定性與邊坡土條力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系;楊起等認(rèn)為土質(zhì)路堤邊坡的穩(wěn)定性和土體的浸水狀態(tài)有關(guān);張定山等認(rèn)為土體強(qiáng)度參數(shù)對(duì)土質(zhì)路堤邊坡的整體穩(wěn)定性有一定的影響;彭剛等認(rèn)為坡比是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。從上述研究成果中可以看出：關(guān)于土質(zhì)路堤邊坡的穩(wěn)定性研究成果中，較少有關(guān)于降雨因素的研究。

鑒于此，本文將以壇洛至百色高速公路K768+870～K768+980段土質(zhì)路堤邊坡為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的研究方法，著重分析降雨入滲條件下滲流水在路堤邊坡內(nèi)的滲流路徑及穩(wěn)定性變化規(guī)律，為土質(zhì)路堤邊坡加固方案的合理設(shè)計(jì)提供理論支持。

1工程概況

壇洛至百色高速公路K768+870～K768+980段屬于微丘一谷地地貌，地形條件較為復(fù)雜，為保證高速公路的平整性，對(duì)該處路基進(jìn)行了填方，形成了填筑高度為10m，坡比為1：1.75的土質(zhì)路堤邊坡。在長(zhǎng)時(shí)間的雨水滲流作用下，該段路堤邊坡發(fā)生了變形，導(dǎo)致路面開(kāi)裂，影響了交通行車安全。為了對(duì)病害進(jìn)行及時(shí)的處治，在發(fā)現(xiàn)路堤變形后，建設(shè)單位綜合考慮了各種因素，采用重力式擋墻的設(shè)計(jì)方案對(duì)變形邊坡進(jìn)行了施工，但隨著雨水的持續(xù)入滲，該處路基部分路段仍發(fā)生了快速變形，產(chǎn)生了滑塌現(xiàn)象，錯(cuò)臺(tái)高度達(dá)1.8m（如圖1所示），給高速公路的安全運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。

路堤邊坡巖土物理力學(xué)參數(shù)：對(duì)壇洛至百色高速公路K768+870～K768+980段路基進(jìn)行鉆芯取樣進(jìn)行室內(nèi)相關(guān)土工試驗(yàn)，并結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)施工資料可知，原路堤邊坡填筑材料成份主要為粉質(zhì)黏土混卵石及圓礫，整體呈黃褐、褐灰色。其物理力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

水文條件：該路堤邊坡處于北回歸線北部邊緣地段，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，常年雨量充沛，累計(jì)年平均降雨日可達(dá)163d，年平均降雨量達(dá)1470mm，地下水位在88.81～993.58之間上下浮動(dòng)，埋深3～4m，與發(fā)生變形后的地形線近似平行。

2數(shù)值分析方案

2.1建立數(shù)值分析模型

根據(jù)依托工程壇洛至百色高速公路K768+870～K768+980段土質(zhì)路堤邊坡的結(jié)構(gòu)尺寸，采用數(shù)值軟件建立了如圖2所示的路堤邊坡數(shù)值分析模型。模型邊坡高度為10m，坡比為1：1.75，地下水位線埋深在3～4m之間，與原路堤邊坡實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸相符，采用2682個(gè)節(jié)點(diǎn)將模型劃分為2570個(gè)單元。在數(shù)值分析模型中設(shè)定了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于坡頂、坡面中點(diǎn)和坡腳處，埋深1m，以便監(jiān)測(cè)模型在雨水滲流過(guò)程中的體積含水率變化規(guī)律。此外，在模型邊坡表面和右側(cè)表面施加了降雨邊界條件。

2.2擬合土水特征曲線

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果可知，依托工程的路堤邊坡填料飽和滲透系數(shù)為1.78×10^-5m·s^-1，飽和體積含水率為0.24，殘余體積含水率為0.01。大量的實(shí)驗(yàn)和研究成果證明，經(jīng)典的Van Genuchten模型擬合的土水特征曲線與原材料最為相符，因此，本文采用Van Genuchten模型對(duì)依托工程路堤邊坡填料的土水特征曲線進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。

2.3降雨方案

依托工程壇洛至百色高速公路K768+870～K768+980段土質(zhì)路堤邊坡所在區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，常年雨量充沛。本文為了研究降雨入滲對(duì)依托工程土質(zhì)路堤邊坡的穩(wěn)定性影響規(guī)律，制定降雨等級(jí)為暴雨，降雨強(qiáng)度設(shè)定為1.04×10^-3mm/s，降雨時(shí)長(zhǎng)為連續(xù)降雨48h。

3數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1體積含水率變化規(guī)律

圖4為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積含水率變化規(guī)律。從圖4中可以看出：在整體變化趨勢(shì)上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積含水率都隨著雨水的不斷入滲而逐漸增加，雖然各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋深深度一樣，但不同位置處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積含水率增加速率卻不一樣。位于坡腳處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的體積含水率增加速率明顯較快，而坡面中點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的體積含水率增加速率卻較慢。分析其中的原因?yàn)椋罕O(jiān)測(cè)點(diǎn)3位于坡腳處，距離地下水位線較近，且由于坡面徑流的存在，雨水在坡腳處的入滲率較大，入滲速度較快，而坡面中點(diǎn)的入滲率會(huì)較小。因此，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處的體積含水率增加速率最快，首先達(dá)到飽和狀態(tài)。

3.2滲流速度矢量變化規(guī)律

對(duì)數(shù)值分析模型中的滲流速度矢量進(jìn)行了繪制，繪制結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出：當(dāng)降雨歷時(shí)3h時(shí)，雨水在邊坡表面入滲，滲流速度矢量方向與邊坡傾向呈垂直關(guān)系，且滲流矢量密度較為疏松;當(dāng)降雨歷時(shí)12h時(shí)，滲流速度矢量逐漸開(kāi)始密集，且矢量方向不再與邊坡傾向垂直，而是沿著坡面傾向向下;當(dāng)降雨歷時(shí)48h時(shí)，滲流速度矢量密集度達(dá)到最大值，在坡腳處形成了反向箭頭，引起了地下水位線在坡腳處的抬升。分析其中的原因?yàn)椋涸谇捌诘慕涤耆霛B過(guò)程中，由于邊坡表面土體的體積含水率較小，基質(zhì)吸力較大，雨水在邊坡表面能夠進(jìn)行快速入滲，入滲方向基本與坡面呈垂直關(guān)系。結(jié)合3.1節(jié)分析結(jié)果可知，邊坡表層土體不同位置處的體積含水率增加速率不一樣，這就導(dǎo)致了邊坡深層土體對(duì)表層土體產(chǎn)生的基質(zhì)吸力有所差異。因此，滲流速度矢量方向會(huì)發(fā)生改變，逐漸沿邊坡傾向方向（坡腳方向）向邊坡內(nèi)部入滲。

3.3穩(wěn)定性安全系數(shù)變化規(guī)律

圖6為穩(wěn)定性安全系數(shù)變化規(guī)律。從圖6中可以看出：本文研究的土質(zhì)路堤邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)與降雨歷時(shí)之間呈遞減關(guān)系，不同降雨歷時(shí)階段的降低速率有所不同。分析其中的原因?yàn)椋郝返踢吰略谌斯ぬ钪簩?shí)后整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)較高，達(dá)到了3.5左右，但在雨水滲流條件下，邊坡土體的體積含水率逐漸升高，導(dǎo)致土顆粒之間的基質(zhì)吸力逐漸喪失，土體本身具有的抗剪強(qiáng)度逐漸降低。由于降雨前期，雨水入滲量較小，土體抗剪強(qiáng)度降低幅度不大，所以穩(wěn)定性安全系數(shù)降低速率較小。當(dāng)降雨入滲量累計(jì)達(dá)到一定程度時(shí)，邊坡表層土體的下滑力會(huì)大于自身的抗滑力，使得邊坡表層滑動(dòng)體逐漸產(chǎn)生滑動(dòng)趨勢(shì)，最終導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4結(jié)語(yǔ)

（1）降雨入滲條件下，土質(zhì)路堤邊坡體積含水率會(huì)逐漸增加，但在同一埋深不同位置處的體積含水率增加速率卻不一樣，位于坡腳處的土體體積含水率增加速率較快。

（2）隨著邊坡表層土體含水飽和度的增加，雨水在路堤邊坡內(nèi)的滲流方向會(huì)由原來(lái)垂直于坡面改變?yōu)檠刂旅鎯A向入滲。

（3）土質(zhì)路堤邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)與降雨入滲量之間呈遞減關(guān)系，隨著降雨入滲量的不斷累積，邊坡最終會(huì)出現(xiàn)滑坡失穩(wěn)破壞。