降雨對(duì)半填半挖路基邊坡穩(wěn)定性的影響分析

劉 曉, 葛 聰

[1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015；2.交通運(yùn)輸安全應(yīng)急信息保障技術(shù)及裝備行業(yè)研發(fā)中心(長(zhǎng)沙)，湖南 長(zhǎng)沙 410015]

0 引言

半填半挖式路基是在自然山坡中挖出部分路基，并將一側(cè)挖方巖土體經(jīng)處理后用于填筑另一側(cè)填方路基，從而減少土石方的開挖和運(yùn)輸量，避免大范圍征地和棄土，減少環(huán)境破壞，具有顯著的因地制宜特點(diǎn)。因此，半填半挖式路基在傍靠自然邊坡的公路修筑中被廣泛采用。

路基邊坡穩(wěn)定性是工程設(shè)計(jì)和施工考慮的重點(diǎn)之一，尤其降雨條件下坡體的非飽和滲流及穩(wěn)定性演化備受關(guān)注。史振寧等[1]基于非飽和土強(qiáng)度特性和極限平衡理論分析了降雨強(qiáng)度、時(shí)間和邊坡初始表面含水率對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。索增輝等[2]基于黏塑性理論和有限元法分析發(fā)現(xiàn)，降雨對(duì)黏土邊坡穩(wěn)定性的影響小于對(duì)粉土邊坡的影響。蘇永華等[3]基于Green-Ampt模型建立了強(qiáng)降雨下可考慮濕潤(rùn)層含水率分布的邊坡穩(wěn)定性分析方法。蔣水華等[4]提出了同時(shí)考慮土體滲透系數(shù)和抗剪強(qiáng)度空間變異性的降雨入滲邊坡穩(wěn)定可靠度分析方法。楊曉杰等[5]指出強(qiáng)降雨(暴雨、大暴雨)是高陡邊坡滑動(dòng)的主要誘因，且滑坡相較降雨具有一定滯后性。張社榮等[6]研究發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)長(zhǎng)時(shí)降雨下，邊坡易發(fā)生深層失穩(wěn)，高強(qiáng)短時(shí)降雨則易誘發(fā)坡趾失穩(wěn)。石振明等[7]改進(jìn)了Green-Ampt入滲模型，并提出了降雨入滲效應(yīng)下，多層非飽和土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法。Santo 等[8]基于大量山體滑坡分析指出，滑坡前60 d內(nèi)的降雨量及滑坡當(dāng)天的強(qiáng)降雨是誘發(fā)滑坡災(zāi)害的兩個(gè)主要因素。Wang等[9]提出了可反映大變形特點(diǎn)的降雨誘發(fā)滑坡全過程的物質(zhì)點(diǎn)法，并分析了降雨過程中，土坡基質(zhì)吸力和抗剪強(qiáng)度的變化情況。

目前，在路基邊坡的穩(wěn)定性研究中，針對(duì)半填半挖式路基的研究相對(duì)較少。王灝等[10]基于ABAQUS有限元仿真計(jì)算，分析了不良地基厚度、壓縮模量及填方體含水率對(duì)半填半挖路基變形的影響。夏英志[11]基于PLAXIS有限元仿真分析，探討了路基填筑高度對(duì)某半填半挖公路路基邊坡穩(wěn)定性及滑動(dòng)面的影響，指出隨填高增加，邊坡位移逐步向內(nèi)發(fā)展，并最終發(fā)展形成一條光滑的失穩(wěn)破裂面。劉建磊等[12]基于簡(jiǎn)化Bishop法分析了半填半挖路基邊坡穩(wěn)定性對(duì)交接面結(jié)構(gòu)形式、填方高度、填土強(qiáng)度參數(shù)和地下水位的敏感性，并指出填方高度和地下水位是影響路基邊坡穩(wěn)定性的兩個(gè)關(guān)鍵要素。李群等[13]研究指出，交接面處設(shè)置臺(tái)階和加筋材料可有效提升半填半挖路基的穩(wěn)定性。周娟等[14]基于Janbu法分析指出地形坡度是影響半填半挖路基穩(wěn)定性的重要因素，填方土體內(nèi)摩擦角應(yīng)大于地形坡角，以避免半填半挖路基失穩(wěn)。蘇永華等[15]分析了交接面臺(tái)階特征和填方強(qiáng)度參數(shù)對(duì)半填半挖路基邊坡穩(wěn)定性的影響，并基于灰色關(guān)聯(lián)分析法指出路基穩(wěn)定性對(duì)填方體強(qiáng)度參數(shù)的敏感性大于其對(duì)填方體幾何參數(shù)的敏感性[16]。劉志祥等[17]基于PLAXIS有限元仿真分析，研究了降雨引起地下水位上漲對(duì)某半填半挖路基邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)高地下水位條件下，宜采用土釘加固以保障該路基邊坡的整體穩(wěn)定性。

綜上所述，目前有關(guān)半填半挖路基邊坡穩(wěn)定特性的研究尚不全面，多聚焦于填方高度、填方物理力學(xué)參數(shù)、交接面結(jié)構(gòu)形式和幾何參數(shù)等對(duì)其穩(wěn)定性的影響，缺乏對(duì)降雨入滲條件下路基穩(wěn)定性的深入分析。對(duì)此，本文結(jié)合某潮汐灣海岸半填半挖路基邊坡工程，基于PLAXIS有限元仿真計(jì)算，著重分析了降雨強(qiáng)度、降雨量及地下水位上升對(duì)半填半挖路基邊坡基質(zhì)吸力、飽和度和穩(wěn)定性的影響。

1 工程背景

某沿海潮汐灣海岸公路傍坡而建。為減少大范圍征用私人用地，控制征地和施工成本，最終采用半填半挖的形式在陡坡地段填筑路基[17]。圖1為該半填半挖路基的典型斷面圖。整個(gè)海岸線以上的自然邊坡高15 m，主要分為3個(gè)部分，即上段緩坡區(qū)、中段較陡區(qū)和下段近海緩和區(qū)。原自然坡體主要由表層強(qiáng)風(fēng)化和下層中風(fēng)化粉砂巖地層組成。路基施工時(shí)，將上部挖方巖土體經(jīng)機(jī)械粉碎后與碎石和砂料混合作為填方部分路基填料。中風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層和填方路基填料的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1[17]，其中，γu、γs、E、μ、c和φ分別為土體的非飽和重度、飽和重度、彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角。粗粒土路基填料的黏聚力達(dá)到8 kPa，通常為保持填料良好的級(jí)配和壓實(shí)性能，粗粒土填料亦含有一定量的細(xì)顆粒(<15%)，加之路基的壓實(shí)度要求很高(一般>90%)，因此實(shí)際路基粗粒土壓實(shí)后仍可能呈現(xiàn)較高黏聚力的情況[18-19]。整個(gè)路基工程在旱季施工，地下水位相對(duì)穩(wěn)定，且埋深較深，距坡頂約13 m，施工期間邊坡穩(wěn)定性受水的影響較小。但在雨季強(qiáng)降雨時(shí)，雨水的入滲會(huì)顯著改變坡體的基質(zhì)吸力、飽和度和重度，并引起地下水位上升，進(jìn)而影響邊坡的整體穩(wěn)定性。因此，有必要對(duì)該半填半挖路基邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性展開分析，以全面評(píng)估其安全性。

圖1 半填半挖路基邊坡橫斷面(單位：m)

表1 土層參數(shù)土層γu/(kN·m-3)γs/(kN·m-3)E/MPaμc/kPaφ/(°)中風(fēng)化層1617120.3835強(qiáng)風(fēng)化層1617120.3819路基填土1921200.3830

2 有限元模型

采用PLAXIS有限元軟件建立該半填半挖路基邊坡的數(shù)值仿真模型，并結(jié)合流固耦合計(jì)算和強(qiáng)度折減法分析其在降雨條件下的穩(wěn)定特性。各地層和路基填料采用摩爾-庫(kù)倫模型模擬，各土層具體本構(gòu)參數(shù)采用表1中數(shù)值。為研究降雨入滲過程中坡體基質(zhì)吸力及穩(wěn)定性的變化，需要考慮土體的非飽和特性，并定義土層的非飽和有效應(yīng)力行為。PLAXIS有限元軟件采用Bishop非飽和土有效應(yīng)力原理計(jì)算土層的有效應(yīng)力，其表達(dá)式如式(1)所示：

σ′=σ-ua+χ(ua-uw)

(1)

式中：σ′為土體的有效應(yīng)力，kPa；σ為土體的總應(yīng)力，kPa；ua為土體中的氣壓，kPa；uw為土體中的孔隙水壓，kPa；(ua-uw)為土體的基質(zhì)吸力，kPa；χ是與飽和度相關(guān)的系數(shù)。χ值通常需要通過不同飽和度下的土體三軸試驗(yàn)獲得，前人總結(jié)了不同類型土體的χ值與其飽和度S的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者之間的函數(shù)關(guān)系較為復(fù)雜[20]。由于缺少相關(guān)非飽和三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文采用PLAXIS的默認(rèn)設(shè)置，令χ=S，并在此基礎(chǔ)上分析降雨對(duì)上述半填半挖路基邊坡穩(wěn)定性的影響。

此外，非飽和土仿真計(jì)算中還需對(duì)土體的滲透性函數(shù)(即基質(zhì)吸力水頭與相對(duì)滲透系數(shù)間的關(guān)系)和土水特征曲線(即基質(zhì)吸力水頭與飽和度間的關(guān)系)進(jìn)行定義。圖2、圖3分別為巖土層的滲透性函數(shù)曲線和土水特征曲線。本文采用PLAXIS中標(biāo)準(zhǔn)模式下的粗粒土水力特性表征中風(fēng)化層和強(qiáng)風(fēng)化層的滲透性函數(shù)[見圖2(a)]和土水特征曲線[圖3(a)]，而填方路基土的非飽和特性則采用標(biāo)準(zhǔn)模式下的中-粗土水力特征描述[見圖2(b)和圖3(b)]。

(a)粗粒土

(b)中-粗土圖2 巖土層滲透性函數(shù)曲線

(a)粗粒

(b)中-粗土圖3 巖土層土水特征曲線

圖4為半填半挖路基邊坡的有限元網(wǎng)格，其中加密了開挖區(qū)和填筑區(qū)的網(wǎng)格。模型總高23m，寬55 m，初始地下水位距模型底面10 m，近海側(cè)有2 m深海水覆蓋。模型表面為自由邊界，左右邊界約束了法向位移，底部邊界則同時(shí)約束了豎向和水平向位移。滲流邊界方面，除模型底部為封閉邊界外，其余邊界均允許水的滲入和滲出；路面層通常屬于弱透水邊界，但為全面考慮長(zhǎng)時(shí)降雨入滲的不良影響，建模時(shí)參考文獻(xiàn)[17]的處理方式，將其設(shè)置為透水邊界。該半填半挖路基邊坡仿真計(jì)算主要分為以下幾個(gè)步驟：①開挖原始自然邊坡；②填筑填方側(cè)路基；③施工路面層并施加等效交通荷載；④計(jì)算無(wú)降雨時(shí)邊坡安全系數(shù)；⑤計(jì)算不同降雨強(qiáng)度和時(shí)長(zhǎng)下邊坡的安全系數(shù)；⑥計(jì)算不同地下水位下邊坡的安全系數(shù)；⑦結(jié)合具體計(jì)算結(jié)果考慮是否需要加固邊坡。根據(jù)文獻(xiàn)[17]的相關(guān)推薦，等效交通荷載按10 kN/m2考慮；路面層采用線彈性板單元模擬，等效路面層自重荷載按3 kN/m2考慮。本文主要分析降雨強(qiáng)度、降雨量(或降雨時(shí)長(zhǎng))和地下水位對(duì)該半填半挖路基邊坡穩(wěn)定性的定性影響，為減小流固耦合的計(jì)算時(shí)間成本，在文獻(xiàn)[17]基礎(chǔ)上上調(diào)了邊坡土層的飽和滲透系數(shù)；結(jié)合具體研究需求，中風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層和填方路基土的飽和滲透系數(shù)分別取為0.1、0.2、0.3 m/d。

圖4 半填半挖路基邊坡有效元模型網(wǎng)格(單位：m)

3 結(jié)果分析

3.1 降雨量的影響

圖5為半填半挖路基邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨量的變化關(guān)系曲線。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)，降雨前期路基邊坡安全系數(shù)與降雨量呈現(xiàn)一定的線性變化規(guī)律，且整體上兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。以降雨強(qiáng)度100 mm/d為例，不同降雨量下的邊坡基質(zhì)吸力分布云圖如圖6所示；其中，上部淺色區(qū)域表示高基質(zhì)吸力區(qū)，由淺至深過渡，基質(zhì)吸力逐步減小，深色區(qū)域則代表土體基質(zhì)吸力已接近0 kPa。由圖6可知，降雨入滲時(shí)，地下水位以上路基邊坡的基質(zhì)吸力呈減小趨勢(shì)，且減小程度和范圍隨降雨量的增加而增大。其中，填方路基處邊坡的基質(zhì)吸力減小尤為明顯，圖中深色區(qū)域已接近飽和，基質(zhì)吸力基本為0kPa；而坡頂部分受雨水入滲的影響相對(duì)較小，這與該部分邊坡土體滲透系數(shù)相對(duì)較小有關(guān)。圖7為基于剪應(yīng)變?cè)隽看_定的典型路基邊坡潛在滑動(dòng)面形態(tài)及位置，可見路基整體位于潛在滑動(dòng)區(qū)。結(jié)合圖6和圖7可知，降雨入滲雖然有效減小了表層邊坡土體的基質(zhì)吸力，但對(duì)潛在滑動(dòng)帶處整體基質(zhì)吸力的影響并不十分顯著，這也是降雨2 d后路基邊坡穩(wěn)定系數(shù)減小卻不明顯的原因之一。

圖5 安全系數(shù)隨降雨量的變化關(guān)系

(a)降雨量0 mm

(b)降雨量100 mm

(c)降雨量200 mm圖6 坡體基質(zhì)吸力隨降雨量的變化(100 mm/d)

圖7 路基邊坡典型潛在滑動(dòng)面

3.2 降雨強(qiáng)度及降雨時(shí)長(zhǎng)的影響

由圖5可知，當(dāng)降雨量相同時(shí)，降雨強(qiáng)度越大，路基邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)越大。圖8為降雨強(qiáng)度100 mm/d和200 mm/d對(duì)應(yīng)的路基邊坡飽和度分布云圖(降雨量為200 mm時(shí))，圖中深色區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)。由圖8可知，降雨量相同情況下，降雨強(qiáng)度小的工況所對(duì)應(yīng)的暫態(tài)飽和區(qū)范圍更大。其原因在于：降雨強(qiáng)度200 mm / d的工況只需24h即可達(dá)到200 mm降雨量，而降雨強(qiáng)度100mm/d的工況則需48 h方能達(dá)到同等降雨量，更長(zhǎng)的降雨入滲時(shí)間促使路基邊坡更大范圍達(dá)到飽和狀態(tài)，因此低強(qiáng)長(zhǎng)時(shí)降雨工況計(jì)算所得路基邊坡安全系數(shù)反而較小。由此可見，短時(shí)強(qiáng)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的危害不一定強(qiáng)于長(zhǎng)時(shí)弱降雨；實(shí)際工程中，應(yīng)統(tǒng)籌考慮降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)長(zhǎng)的整體效應(yīng)，當(dāng)降雨強(qiáng)度中等，但降雨持續(xù)時(shí)間卻很長(zhǎng)時(shí)(比如我國(guó)南方典型的梅雨季節(jié))，更應(yīng)關(guān)注邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，并結(jié)合具體需要，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。另外，上述分析結(jié)果也從側(cè)面說(shuō)明了保障邊坡排水通暢的必要性，強(qiáng)降雨條件下，應(yīng)做好邊坡的防排水，以盡量減少雨水滲入邊坡內(nèi)部，消減雨水入滲對(duì)邊坡土層基質(zhì)吸力和穩(wěn)定性的弱化效應(yīng)。

(a)100 mm / d

((b)200 mm / d圖8 降雨量200 mm時(shí)路基邊坡飽和度分布

3.3 地下水位的影響

降雨不僅會(huì)減小邊坡土體的基質(zhì)吸力、增大邊坡的整體飽和度，同時(shí)還不可避免地引起地下水位的變化。具體至本文研究的半填半挖路基邊坡，當(dāng)坡體內(nèi)部地下水上升時(shí)，會(huì)引起邊坡下部土體飽和度增加，同時(shí)還會(huì)伴隨有自坡體向海平面的滲流。本文基于建立的有限元模型，分別計(jì)算了地下水位上升2、3、4、5、6 m工況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。圖9為該半填半挖路基邊坡安全系數(shù)隨地下水位上升高度的變化關(guān)系曲線。由圖可知，該邊坡安全系數(shù)隨地下水位上升高度近似呈線性減小的規(guī)律變化；地下水位上升6 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)由1.311減小至1.131，已不滿足相關(guān)規(guī)范關(guān)于邊坡安全儲(chǔ)備的要求。因此，為避免強(qiáng)降雨及高地下水位引起路基邊坡失穩(wěn)破壞，有必要采用錨桿或土釘對(duì)該邊坡進(jìn)行加固。文獻(xiàn)[17]在不考慮邊坡土體基質(zhì)吸力變化的情況下，計(jì)算發(fā)現(xiàn)于填方路基坡腳附近打設(shè)一排土釘時(shí)，邊坡的潛在滑動(dòng)面發(fā)生了轉(zhuǎn)移，邊坡安全系數(shù)相應(yīng)增加，并可滿足規(guī)范關(guān)于公路路基邊坡穩(wěn)定性的要求。另外，對(duì)比圖5和圖9可知，降雨引起的地下水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響強(qiáng)于雨水入滲的影響；建議在相關(guān)邊坡的設(shè)計(jì)和分析中，結(jié)合實(shí)際情況，綜合考慮降雨入滲和地下水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性的弱化影響，并根據(jù)需要采用單排或多排土釘對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理，以保障路基邊坡的穩(wěn)定安全。

圖9 地下水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

4 結(jié)論

基于PLAXIS有限元仿真計(jì)算探討了半填半挖路基邊坡的穩(wěn)定特性，詳細(xì)分析了降雨量、降雨強(qiáng)度和時(shí)長(zhǎng)及地下水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。所得主要結(jié)論如下：

1)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨量(或降雨時(shí)長(zhǎng))呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；邊坡土體基質(zhì)吸力的衰減范圍和程度均隨降雨量的增加而增大；入滲雨水未達(dá)到或未明顯影響邊坡的潛在滑動(dòng)帶時(shí)，降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響并不顯著。

2)降雨量一定時(shí)，由于強(qiáng)降雨條件下的雨水入滲時(shí)間更短，邊坡的暫態(tài)飽和區(qū)比弱降雨條件時(shí)偏小，因而邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)略大于長(zhǎng)時(shí)弱降雨工況下的數(shù)值。因此，工程中分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)綜合考慮降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)長(zhǎng)(或降雨量)的影響。

3)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨地下水位的上升呈近似線性減小，且水位上升的影響效應(yīng)強(qiáng)于雨水入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；建議實(shí)際工程中，結(jié)合具體情況，統(tǒng)籌考慮降雨入滲和地下水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性的弱化影響。

文中部分仿真參數(shù)采用了PLAXIS有限元軟件的推薦設(shè)置，在此基礎(chǔ)上具體探討了降雨對(duì)粗粒土半填半挖路基邊坡穩(wěn)定性的影響，相關(guān)定性結(jié)果能否推廣至不同類型土質(zhì)邊坡，有待今后進(jìn)一步分析驗(yàn)證。