降雨條件下氣泡輕質土邊坡滲流及穩(wěn)定性分析

■朱承鴻

（福建省交通規(guī)劃設計院有限公司，福州 350004）

為了滿足日益增長的區(qū)域交通需求，進一步完善道路服務功能，對已有道路進行加寬加鋪改造已經越來越普遍，這不僅能夠節(jié)省經濟成本，還能提高道路等級[1]。 因此，對于路基拓寬改造過程中的邊坡穩(wěn)定性及路面沉降等一系列問題的研究備受工程界的關注。

特別是在持續(xù)降雨的情況下，雨水進入路基土體內產生滲流力加劇了易滑動體向坡腳滑動的趨勢，若在設計中對拓寬路基處填土材料或施工方式的選擇不恰當，容易引起邊坡穩(wěn)定問題，甚至引發(fā)滑坡[2]。 馬海燕[3]運用MIDAS／Civil 有限元軟件計算分析發(fā)現，路基拓寬填土的容重越大路面工后沉降越大。 因此合理選擇拓寬路基回填材料對于解決新舊路基不均勻沉降及邊坡穩(wěn)定問題尤為重要。 由于自身輕質的特點，氣泡輕質土作為路基填料性能優(yōu)越，可有效減小拓寬部分路基由于自重而產生的附加應力， 從而達到減輕新舊路基間的不均勻沉降的問題， 多年來在道路改擴建工程中已得到廣泛應用[4-5]。 目前，雖已有很多學者將氣泡輕質土應用于道路的改擴建工程中，并對其性質、效果以及經濟性等展開研究[6-10]，取得了豐碩的成果，但很少有學者對于氣泡輕質土作為邊坡路基回填材料時邊坡穩(wěn)定性，尤其對于持續(xù)降雨情況下邊坡的滲流及穩(wěn)定問題進行過研究。

鑒于此，本文以福建省某道路的改擴建工程為背景， 運用Hydrus 2D/3D 的Water Flow 及Slop Stability 模塊針對持續(xù)降雨條件下氣泡輕質土邊坡的滲流及穩(wěn)定問題展開研究，為泡沫輕質土在工程中的應用提供更加全面的理論和實踐依據。

1 工程概況及模型概化

本文計算模型以福建省某高速公路的改擴建工程為工程地質原型，在已有路基的基礎上，采用氣泡輕質土作為路基填料進行道路的擴建。 其中輕質土分為兩個階梯，第一階梯寬2.5 m，厚1.0 m，第二階梯寬5.0 m， 厚2.2 m。 氣泡輕質土上為0.7 m厚路面基層，路基右側為20 cm 厚的C25 混凝土擋墻。 另外，路基整體處于一庫岸邊坡上，邊坡坡比為1.0∶1.67，通過簡化處理計算模型如圖1 所示。

圖1 計算模型概化

2 數值模擬及結果分析

2.1 網格劃分及邊界條件

根據概化的模型建立有限元模型，計算模型及網格劃分如圖2 所示， 并對ABCDE 邊界進行網格細化。 設置AB 為大氣邊界，BCDE 為變水頭邊界，其余為無流動邊界。 此外，限制AG、EF 的水平位移以及GF 的水平和豎向位移。同時，設置如圖所示的3 個觀測點以便進行更詳細的數據分析， 其坐標分別為（700，625）、（900，425）、（1000，125）。

圖2 有限元模型示意圖

2.2 初始條件

以壓水頭為初始條件， 初始水位線如圖3 所示。 其中水位線以上為非飽和土體，其孔隙水壓力為負值，且逐漸減??；水位線以下為飽和土體，壓力水頭隨著深度的增加呈正增長[11]。

圖3 初始水頭

2.3 計算參數

土樣源自研究區(qū)邊坡路基，通過濾紙法測得含水率與吸力的關系， 并采用Van Genuchten 模型（式1）[12]進行參數標定，如表1 所示。

表1 土層水分參數

式（1）中：θs、θr分別表示飽和含水率和殘余含水率；H 為土壤負孔隙水壓力；α、n、m 為擬合參數，m=1-1/n。

2.4 計算結果分析

2.4.1 降雨強度的影響

本文以0.5、1.7、3.6、7.5 和10.0 cm/d 分別作為小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的降雨強度進行模擬分析。 不同降雨強度下降雨5 d 時路基土體積含水率云圖及安全系數場分別如圖4、5 所示。

由圖4、6 可知，降雨持時相同的情況下，以降雨持時5 d 為例，降雨入滲深度隨著雨強的增大而增大。 當雨強為小雨時，降雨入滲速度緩慢，降雨對氣泡輕質土層含水率幾乎沒有影響（濕潤峰深度小于0.7 m）；當為中雨時，降雨才開始對氣泡輕質土層含水率產生影響（濕潤峰深度大于0.7 m），雨強分別為1.7、3.6、7.5 和10.0 cm/d 時， 濕潤峰深度分別約為0.8、1.4、1.6 和1.7 m， 當雨強由中雨增加至大雨時，入滲深度明顯加快，但當雨強繼續(xù)增大時，由于受到滲透系數的限制， 濕潤鋒深度增加緩慢，降雨入滲速率趨于一個穩(wěn)定值。

圖4 不同降雨強度下路基土含水率云圖

圖5 不同降雨強度下邊坡安全系數場

圖6 不同雨強下濕潤鋒變化

由圖7 可知，不同降雨強度下監(jiān)測點1 處含水率隨降雨持時的變化，降雨強度越大監(jiān)測點含水率變化響應時間越快，但當增快到一定時間由于受到土體滲透系數的限制，監(jiān)測點含水率變化響應時間趨于一個穩(wěn)定值。當雨強為0.5 cm/d，降雨10 d 時，監(jiān)測點含水率仍未發(fā)生變化； 當雨強大于7.5 cm/d時，監(jiān)測點含水率變化響應時間基本保持不變。

圖7 不同雨強下監(jiān)測點1 含水率隨降雨持時變化

由圖5、8 可知，降雨持時相同的情況下，以降雨持時5 d 為例，監(jiān)測點1 處安全系數隨著雨強的增大而減小，但減小幅度較小，且減小的速率逐漸趨于平緩。如從小雨增至中雨時監(jiān)測點安全系數降低了2.41%，而從暴雨增加至大暴雨時監(jiān)測點安全系數僅降低了0.02%。隨著降雨持時的增加監(jiān)測點處安全系數逐漸減小， 但最終趨于穩(wěn)定值32.85，另外降雨強度越大安全系數隨降雨持時減小的速率越快。

圖8 不同雨強下監(jiān)測點1 處安全系數變化（降雨持時5 d）

2.4.2 降雨持時的影響

圖9 為7.5 cm/d 降雨強度條件下不同降雨持時路基土體積含水率變化云圖。 可知，隨著降雨持時的增加降雨入滲的深度不斷增加，約從第2 d 時降雨開始對氣泡輕質土層含水量產生影響。 當降雨持時分別為2、6、8、10 d 時， 降雨入滲至氣泡輕質土層的深度分別約為0.1、1.0、1.45 和1.9 m，每2 天約入滲0.45 m。 由圖8 可知，邊坡安全系數則隨降雨持時的增加逐漸降低， 但降低速率逐漸減小，最終趨于一個穩(wěn)定值，且降低的幅度較小，以監(jiān)測點1為例，一共僅降低了4.48%。

圖9 不同降雨持時邊坡含水率變化云圖（雨強7.5 cm/d）

2.4.3 氣泡輕質土滲透系數的影響

不同配比的氣泡輕質土具有不同的滲透系數，為更加全面地研究泡沫輕質土為其在工程中的應用提供依據，控制雨強（7.5 cm/d）、降雨持時（10 d）等其他條件不變，分別取0.864、4.32、8.64、12.96 和17.28 cm/d 作為氣泡輕質土的滲透系數進行計算。結果顯示，滲透系數由0.864 cm/d 增加至17.28 cm/d時濕潤鋒深度分別增加了0.25、0.20、0.10 和0.08 m，可見降雨入滲深度隨著氣泡輕質土滲透系數的增大而增加，但增大速度逐漸減小。 以監(jiān)測點1 為例，繪制不同滲透系數下監(jiān)測點處含水率及安全系數隨時間的變化曲線分別如圖10、11 所示。

圖10 不同滲透系數下監(jiān)測點1 含水率變化

由圖10 可知， 氣泡輕質土不同滲透系數下監(jiān)測點1 處含水率隨降雨持時的變化曲線可知，滲透系數越大監(jiān)測點含水率變化響應時間越快，但響應后含水率變化速度及變化幅度均越小，即最終趨于穩(wěn)定時的最大含水率越小。

由圖11 可知， 氣泡輕質土滲透系數對邊坡安全系數影響較小，降雨持時相同的情況下，滲透系數增大安全系數略有增大。 各滲透系數下監(jiān)測點安全系數均隨著降雨持時的增加而降低，但降低到一定值時趨于穩(wěn)定，且滲透系數越大趨于穩(wěn)定時的安全系數也越大。

圖11 不同滲透系數下監(jiān)測點1 安全系數變化

3 結論

以福建省某道路的改擴建工程為背景， 運用Hydrus 2D/3D 軟件對降雨條件下氣泡輕質土邊坡的滲流及穩(wěn)定問題進行模擬分析，分別研究了不同降雨強度、降雨持時以及氣泡輕質土滲透系數影響下氣泡輕質土邊坡滲流及穩(wěn)定性變化規(guī)律，得出以下結論：

（1）降雨持時（5 d）和滲透系數（8.64 cm/d）相同的情況下，隨著降雨強度的增加降雨入深的深度越深，當雨強由17 mm/d 增大至36 mm/d 時，入滲深度增加明顯，但當雨強繼續(xù)增大時，由于受到氣泡輕質土滲透系數的限制， 濕潤鋒深度增加緩慢，降雨入滲速率趨于一個穩(wěn)定值；隨著降雨強度的增加邊坡安全系數則不斷減小， 但變化幅度較小，且減小的速率也逐漸趨于平緩。 以監(jiān)測點1 為例，從小雨增至中雨時監(jiān)測點安全系數降低了2.41%，而從暴雨增加至大暴雨時監(jiān)測點安全系數僅降低了0.02%。

（2）降雨強度（7.5 cm/d）和滲透系數（8.64 cm/d）相同的情況下，降雨入滲的深度隨著降雨持時的增加基本呈線性增加， 平均每2 天入滲深度增加0.45 m； 安全系數則隨著降雨持時的增加呈現小幅度的降低，且降低速率也不斷減小，最終趨于一個穩(wěn)定值。

（3）降雨強度（7.5 cm/d）相同的情況下，氣泡輕質土滲透系數越大監(jiān)測點處含水率變化響應越快，但響應后含水率的變化速度及變化幅度均越小，即最終趨于穩(wěn)定時的最大含水率越??；各滲透系數下監(jiān)測點安全系數均隨著降雨持時的增加而降低，但降低到一定值時趨于穩(wěn)定，且滲透系數越大趨于穩(wěn)定時的安全系數也越大。 當降雨持時也相同的情況下，則表現為降雨入滲的深度隨著氣泡輕質土滲透系數的增大而增加，但增加的速度逐漸減小，最終趨于一個穩(wěn)定值。