降雨作用下第四系堆積體路堤穩(wěn)定性

廖 軍，鄧 濤，周越良，龔洪葦，馮文凱，2

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都 610059)

改革開放以來，中國山區(qū)公路得到了快速發(fā)展，在工程建設(shè)中斜坡上填筑形成路堤是一種常見的路基模式[1-3]，且第四系堆積層的土質(zhì)斜坡普遍存在[4-5]。因此，在此類斜坡上進(jìn)行建設(shè)時，要考慮土質(zhì)不勻、厚度較薄、非飽和性等特點。當(dāng)雨季來臨之際，往往會引發(fā)路基失穩(wěn)破壞，給國民生命財產(chǎn)安全造成巨大的損失[6-7]。工程建設(shè)中需要充分重視并及時采取相應(yīng)措施。

在實際工程中斜坡上路堤填筑形式各不相同，據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)規(guī)定[8]路基填土邊坡高度大于20 m為高路堤，小于1～1.5 m為矮路堤，基于兩者之間的為一般路堤。

近年來，中國學(xué)者開展了一系列對斜坡地基上填筑路堤的穩(wěn)定性研究，其中劉涌江等[9]通過數(shù)值分析方法與離心模型試驗驗證，結(jié)果表明塑性區(qū)發(fā)源于路堤與地基交界處，隨路堤的填筑向上擴展則塑性區(qū)逐漸增大；馮文凱等[10]結(jié)合底摩擦試驗方法對斜坡上路堤變形破壞進(jìn)行研究，得到了路堤失穩(wěn)趨勢與斜坡坡度呈正相關(guān)；蔣鑫等[11]基于極限平衡理論對斜坡路基填筑全過程穩(wěn)定性分析，得到了地層厚度、填土高度變化對穩(wěn)定性的影響。

以上研究大部分針對斜坡上路堤填筑過程中或運營期間的穩(wěn)定性。目前廣泛認(rèn)為降雨可作為引發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要誘因[12-13]，喻進(jìn)輝[14]運用Seep模塊對降雨作用下的高路堤邊坡滲流特征及其穩(wěn)定性研究；王瑞鋼等[15]基于飽和—非飽和滲流數(shù)學(xué)模型對降雨作用下高填土質(zhì)路堤邊坡的滲流穩(wěn)定分析；劉麗[16]對強暴雨入滲時不同壓實度的強風(fēng)化軟巖路堤邊坡填土強度變化及滲透性規(guī)律進(jìn)行分析；何忠明等[17]、段旭龍等[18]開展了降雨作用下滲透力對粗粒土高路堤邊坡穩(wěn)定性的影響研究；趙建軍等[19]、付宏淵等[20]、何忠明等[21]基于室內(nèi)模型試驗，探究了降雨入滲對路堤滲流特征與穩(wěn)定性的影響。

可見對高路堤穩(wěn)定性研究較多，但對于一般路堤的填筑層和第四系堆積層非飽和性的穩(wěn)定性分析研究較少。在山區(qū)公路建設(shè)過程中,在穩(wěn)定的第四系堆積體上填筑低路堤雖然滿足路基設(shè)計規(guī)范對一般路基的要求，不需要進(jìn)行單獨驗算,但在長期降雨作用下其穩(wěn)定性持續(xù)降低，出現(xiàn)了變形失穩(wěn)破壞，值得探討。

因此，以四川省閬中市溝溪鄉(xiāng)某段第四系堆積層斜坡路堤(屬一般路堤)失穩(wěn)為依托工程，開展降雨入滲對路堤穩(wěn)定性研究。根據(jù)現(xiàn)場資料與調(diào)查，得到現(xiàn)場相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建邊坡模型，導(dǎo)入SEEP/W進(jìn)行降雨入滲模擬計算可得到填筑前后原始斜坡、斜坡路堤兩種滲流場分布情況，結(jié)合SLOPE得到穩(wěn)定性計算結(jié)果。對降雨作用下第四系堆積斜坡上路堤的穩(wěn)定性評價，為該類邊坡設(shè)計與加固提供工程借鑒。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)環(huán)境

研究區(qū)位于四川省閬中市溝溪鄉(xiāng)某油井進(jìn)場道路的某段第四系堆積斜坡上填筑路堤工程，其填筑高度為1.5～4.2 m，屬于一般路堤，其發(fā)生滑坡破壞地理位置如圖1所示。由圖2所示剖面可知，由碎石填土(人工填土層)和第四系殘、崩堆積斜坡(粉質(zhì)黏土層)及下臥白堊系下統(tǒng)蒼溪組的泥巖組成。

圖1 某油井進(jìn)場道路1號滑坡地理位置圖

圖2 第四系堆積斜坡填筑路堤典型工程地質(zhì)剖面圖

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查巖土體結(jié)構(gòu)特征見圖3，人工填土層填筑高度為1.5～4.2 m，主要含有泥沙和碎塊石，其中泥沙結(jié)構(gòu)松散，為雨水入滲提供優(yōu)勢通道；碎塊石的巖性主要為砂巖和泥巖，呈棱角狀。粉質(zhì)黏土層厚度為2～6 m，整體土質(zhì)不均勻，上部松散、下部稍密。其中泥巖主要成分為黏土礦物，呈層狀構(gòu)造，節(jié)理、裂隙發(fā)育，微-強風(fēng)化，遇水易軟化，可作隔水層，產(chǎn)狀為330°∠ 3°。經(jīng)資料查閱，研究區(qū)域雨量較充沛，平均年降水量為1 045.5 mm，歷史最大降雨強度為71.2 mm/h，全年雨季期在6—8月，各地平均降水量在600 mm以上，占全年降水量的60%～70%。地下水位較淺，主要為第四系覆蓋層上層滯水和基巖裂隙水。

圖3 巖土體結(jié)構(gòu)特征圖

1.2 失穩(wěn)破壞概況

2014年5月修建某油井進(jìn)場道路，在該段第四系堆積斜坡上填筑路堤工程。于8月下旬閬中地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性降雨，據(jù)監(jiān)測資料顯示該時段1 h最大降雨量35.6 mm，24 h最大降雨量142 mm。此時坡體下緣處于滲水狀態(tài)，8月30日坡體出現(xiàn)明顯變形現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場詳勘得到整個滑體后緣高程428 m，前緣高程420 m，相對高差8 m，平面呈“扇形狀”(圖4)。其中路堤上部出現(xiàn)拉裂縫并有沉降變形現(xiàn)象；第四系堆積斜坡坡腳處出現(xiàn)剪切裂縫并導(dǎo)致附近水泥地板被剪脹(圖2、圖4)，剪出口距附近的房屋僅有數(shù)米。這些變形破壞有逐漸加劇的趨勢極有可能出現(xiàn)整體滑移，必將嚴(yán)重威脅到坡體住戶生命和財產(chǎn)安全以及道路安全運行。

圖4 第四系堆積斜坡填筑路堤失穩(wěn)災(zāi)害范圍圖

2 分析方法

2.1 降雨條件下穩(wěn)定性分析理論基礎(chǔ)

2.1.1 非飽和土水滲流控制方程

非飽和滲流與飽和滲流一樣，也符合達(dá)西定律

(1)

式(1)中:vi為達(dá)西流速，m2/s；kij為飽和滲流，m/s；H為總水頭，m；θ為體積含水量；kr(θ)為相對導(dǎo)水系數(shù)。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理和非飽和達(dá)西定律，飽和-非飽和滲流控制微分方程[15]為

(2)

式(2)中:h為壓力水頭，m；Ss為單位貯水系數(shù);t為時間，s；S為源匯項；kr(h)為相對透水系數(shù)，在飽和區(qū)，kr(h)=1，在非飽和區(qū)，kr(h)∈[0,1]；C(h)為容水度，%，正壓區(qū)，C(h)=0，負(fù)壓區(qū)，C(h)=?θ/?h；β為判定飽和、非飽和狀態(tài)的參數(shù)，在非飽和區(qū)，β=0，在飽和區(qū)，β=1。

2.1.2 非飽和土水滲流材料參數(shù)

非飽和參數(shù)采用Van Genuchten(VG)模型擬合水力滲透系數(shù)，即

Se=[1+(αPc)n]-m

(3)

(4)

式中:Se為飽和度；Pc為負(fù)壓，kPa；n為孔隙率，%；α、m均為模型擬合參數(shù)，且m=1-β-1。

2.1.3 非飽和土抗剪強度方程

計算時基于簡化Bishop法并采用非飽和土抗剪強度公式，即

τ=c′+(σn-μa)tanφ′+(σa-μw)tanφb

(5)

式(5)中:τ為非飽和土抗剪強度，kPa；c′為有效黏聚力C，kPa；φ′為有效內(nèi)摩擦角，(°)；φb為基質(zhì)吸力對抗剪強度的貢獻(xiàn)所對應(yīng)的摩擦角，(°)；σn-μa為凈法向應(yīng)力，kPa；σa-μw為基質(zhì)吸力，kPa。

2.2 計算參數(shù)

通過現(xiàn)場勘察資料及試驗，得到模型相關(guān)參數(shù)(表1)。在SEEP/W中使用VG模型計算出人工填土層和粉質(zhì)黏土層的水土特性曲線(圖5、圖6)。在模型構(gòu)建中，由于泥巖的滲透系數(shù)極小，此次研究作為飽和土體計算；水泥地板長度不足兩米，對整個斜坡體穩(wěn)定性影響較小，故計算模型未作考慮。

表1 計算參數(shù)表

圖5 人工填土層水土特性曲線

圖6 粉質(zhì)黏土層水土特性曲線

2.3 計算模型

根據(jù)邊坡的地質(zhì)剖面圖(圖2)，建立降雨作用下填筑前后兩種穩(wěn)定性計算模型(圖7)。模型橫向長66.7 m，原始斜坡左側(cè)高27.6 m、斜坡路堤左側(cè)高29.1 m，右側(cè)高19.2 m。采用四邊形和三角形單元分隔劃分計算域，斜坡路堤模型全局共計1 930個節(jié)點、1 859個單元；原始斜坡模型全局共計1 614個節(jié)點、1 546個單元。

圖7 填筑前后計算模型

根據(jù)已有關(guān)于邊界條件設(shè)置的研究成果，本次模型邊界設(shè)定:BC段為降雨入滲邊界，CD段為逸出邊界；兩側(cè)AB、DE段為定水頭邊界，底面AE段為不透水邊界，初始水位線由穩(wěn)態(tài)分析得到。根據(jù)2014年8月下旬閬中市降雨實際情況，數(shù)值模擬采用等強型、平均降雨強度30 mm/h、持續(xù)時間12 h作為降雨條件，據(jù)此可對邊坡可進(jìn)行各個時刻的滲流分布分析及穩(wěn)定性評價。

3 堆積斜坡路堤穩(wěn)定性分析

3.1 降雨入滲分析

進(jìn)行滲流分析時，當(dāng)降雨強度小于入滲土層飽和滲透系數(shù)時按流量邊界處理，當(dāng)降雨強度大于飽和滲透系數(shù)時根據(jù)坡面高程按水頭邊界處理。運用GEO-STUDIO的SEEP/W模塊可以得到降雨過程中坡體內(nèi)滲流場變化。填筑前后持續(xù)降雨4 h的滲流場分布(圖8)；填筑前后持續(xù)降雨12 h的滲流場分布(圖9)。

圖8 填筑前后降雨4 h暫態(tài)滲流場

圖9 填筑前后降雨12 h暫態(tài)滲流場

如圖8所示，隨著降雨入滲進(jìn)行4 h，填筑前后坡體內(nèi)的浸水面均逐漸下降，入滲至坡體內(nèi)部的雨水已到達(dá)地下水位線，導(dǎo)致坡腳下緣地下水位有小幅度抬升，整個粉質(zhì)黏土層正在由不飽和狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)。而填筑后斜坡路堤的孔隙水壓力上升更為明顯，兩土層交界處滲流場呈圓形分布，其人工填土層正逐漸形成局部暫態(tài)飽和區(qū)，此時填筑前的斜坡滲流場分布卻依舊平緩(呈流線型分布)，亦未見有形成局部暫態(tài)飽和區(qū)的趨勢。

3.2 穩(wěn)定性分析

在SEEP/W模塊中得到的孔隙水壓力計算結(jié)果導(dǎo)入SLOPE/W模塊進(jìn)行穩(wěn)定性計算，運用簡化Bishop法，由程序計算得到最危險滑動面。對以上兩種類型進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)計算(表2)，并繪制穩(wěn)定系數(shù)隨降雨持續(xù)時間的關(guān)系曲線(圖10)。

圖10 填筑前后穩(wěn)定系數(shù)隨降雨持續(xù)時間變化關(guān)系

表2 降雨條件下填筑前后穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

當(dāng)未降雨時，路堤填筑前后坡體穩(wěn)定系數(shù)從1.478降至1.204；經(jīng)歷12 h降雨入滲后，原始斜坡穩(wěn)定系數(shù)由初始狀態(tài)的1.478降至1.020，其變化趨勢呈線性降低，且坡體穩(wěn)定性由穩(wěn)定到欠穩(wěn)定狀態(tài)；填筑后斜坡路堤的穩(wěn)定系數(shù)由初始狀態(tài)的1.204降至0.860，坡體穩(wěn)定性由穩(wěn)定到不穩(wěn)定狀態(tài)，其變化趨勢在0～8 h內(nèi)呈線性降低，在8～12 h內(nèi)出現(xiàn)驟降至安全系數(shù)以下。因此，填筑路堤削弱了第四系堆積斜坡初始穩(wěn)定性，在降雨作用下，更容易誘發(fā)路堤失穩(wěn)。

選取填筑路堤后降雨12 h的最危險滑移面結(jié)果(圖11)，最危險滑移面的剪入口、剪出口與實際路堤張拉裂縫和水泥地板剪脹出位置基本一致(圖2、圖4)。與實際工程情況相吻合，運用數(shù)值分析模擬整個坡體失穩(wěn)過程，較好地分析失穩(wěn)原因，為后期工程防護(hù)提供理論支撐。

圖11 降雨12 h最危險滑面計算結(jié)果

在整個工程中，因填筑層和第四系堆積層的非飽和性，受降雨入滲作用對整個斜坡滲流場造成不利影響，導(dǎo)致整體抗剪強度大大降低，隨著降雨入滲持續(xù)進(jìn)行，最危險潛在滑移面并不局限于路堤內(nèi)，還對第四系堆積斜坡，最終發(fā)生整體性剪切破壞。

4 結(jié)論

以四川閬中溝溪村某道路工程一段第四系堆積體路堤為例，建立路堤填筑前后計算模型，對長期降雨作用下路堤填筑前后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(1)路線通過處第四系堆積體地質(zhì)條件簡單，原始斜坡在最不利的降雨工況下也保持了穩(wěn)定,路堤填筑高度僅4 m,符合一般路基的要求。

(2)堆積體路堤在最不利降雨工況下隨著降雨過程穩(wěn)定性系數(shù)不斷降低,當(dāng)降雨達(dá)到11 h,穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0，此時路堤發(fā)生破壞,與路基失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象一致。

(3)在山區(qū)公路建設(shè)過程中,穩(wěn)定的第四系堆積體上填筑低路堤雖然滿足路基設(shè)計規(guī)范對一般路基的要求，不需要進(jìn)行單獨驗算,但在長期降雨作用下其穩(wěn)定性會持續(xù)降低，極可能出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。因此,在工程設(shè)計與施工中應(yīng)當(dāng)驗算其長期降雨作用下的穩(wěn)定性,以保證工程的安全。