降雨條件下粉質(zhì)土路基變形與滲流特性及防護(hù)措施研究

關(guān)鍵詞：粉質(zhì)土路基；降雨入滲；數(shù)值模擬；孔隙水壓力；邊坡穩(wěn)定性中圖分類號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.011文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0039-04

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，路基的穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸受到工程界的高度關(guān)注。路基作為道路的重要承載結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性直接影響道路的使用性能和安全性[1-2]。近年來(lái)，由于氣候變化導(dǎo)致降雨頻次和強(qiáng)度的增大，降雨引起的路基變形和失穩(wěn)現(xiàn)象日益嚴(yán)重，尤其是在多雨地區(qū)，降雨入滲導(dǎo)致的滲流作用不僅增加了土體孔隙水壓力，還會(huì)削弱土體的強(qiáng)度，從而顯著影響路基的穩(wěn)定性[3。粉質(zhì)土因其細(xì)粒成分較高、透水性較低、孔隙比大的特點(diǎn)，在受水飽和后容易發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，常導(dǎo)致沉降、滑移等變形問(wèn)題。在降雨條件下，粉質(zhì)土路基在水一力耦合作用下的變形行為和滲流特性尤為復(fù)雜，對(duì)該問(wèn)題的研究將為公路設(shè)計(jì)和施工提供重要的參考[4-5]。因此，研究降雨作用下粉質(zhì)土路基的變形及滲流特性具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

本研究將基于粉質(zhì)土的物理力學(xué)特性，采用數(shù)值模擬方法對(duì)降雨入滲過(guò)程中路基的滲流場(chǎng)與力場(chǎng)耦合作用機(jī)理進(jìn)行分析。通過(guò)位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及孔隙水壓力的變化，深入探討降雨作用下路基的變形模式，并提出合理的變形防護(hù)措施，以期為類似地區(qū)的路基設(shè)計(jì)及維護(hù)提供參考依據(jù)。

工程概況

研究區(qū)域位于廣西某南北向的高速公路，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。區(qū)域內(nèi)年降水量較高，且大部分降水集中于 ?4～9 月，占全年降雨量的 70% 以上。降雨特點(diǎn)為集中、強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，伴隨高溫條件容易引發(fā)較大程度的降水入滲，導(dǎo)致土體濕度迅速增加。突出的氣候特點(diǎn)為雨熱同期，強(qiáng)降雨發(fā)生頻繁，對(duì)路基的穩(wěn)定性構(gòu)成了較大影響。

根據(jù)工程勘察資料揭示，該路段粉質(zhì)土路基段的總長(zhǎng)度為9.18km，共5段，土體主要為第四系全新統(tǒng)坡洪積物，具有較高的飽和敏感性。地層上部為厚度 3～8m 的粉質(zhì)土，質(zhì)地較為均勻。粉質(zhì)土路基段在降雨作用下滲流效應(yīng)顯著，具有較高的濕陷性和變形性，且降雨入滲后孔隙水壓力增大，易對(duì)路基的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

2粉質(zhì)土基本物理力學(xué)特性研究

為研究降雨作用下粉質(zhì)土路基的滲流特性和變形行為，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了土樣采集，取樣過(guò)程中嚴(yán)格按照規(guī)范采集不同深度的粉質(zhì)土樣，以確保土樣的代表性，共采集了5組。利用試驗(yàn)室設(shè)備對(duì)土樣進(jìn)行了滲透試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。基于變水頭滲透試驗(yàn)裝置，測(cè)得采集5組粉質(zhì)土試樣的平均滲透系數(shù)為4 1.65×10^-5cm/s 采用應(yīng)變控制型全自動(dòng)直剪儀，對(duì)土樣進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，根據(jù)土層厚度，上覆荷載分別為350kPa、 400kPa 7450 kPa和500 kPa ，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算，粉質(zhì)土的黏聚力為 25.6kPa ，內(nèi)摩擦角為28. 5^° 。通過(guò)室內(nèi)基本力學(xué)試驗(yàn)，為后文數(shù)值仿真提供力學(xué)參數(shù)。

第一作者簡(jiǎn)介：沈葉星（1990一），工程師，研究方向：合同成本經(jīng)營(yíng)管理。

3降雨作用下粉質(zhì)土路基數(shù)值模擬

3.1模型的建立

依據(jù)該高速公路 18452+864 處路基斷面，將路基簡(jiǎn)化為層狀結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。自上而下分別為路面、路堤、墊層和地基，厚度分別為 $0 . 6 ＼ m . 0 . 9 ＼ m . 0 . 2 ＼$ m和6.8m 。由于地基是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為提高計(jì)算效率，采用半結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，其中沿深度方向模型長(zhǎng)度為5 m₀

3.2本構(gòu)模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，路面路堤均是粉質(zhì)土，本構(gòu)模型使用摩爾一庫(kù)侖本構(gòu)模型，綜合前文試驗(yàn)結(jié)果及地質(zhì)勘察報(bào)告，本文計(jì)算時(shí)采用的模型參數(shù)如表1所示。

3.3 邊界條件

結(jié)合本研究區(qū)的氣候特征，選擇了多個(gè)降雨強(qiáng)度情景進(jìn)行模擬，包括連續(xù)降雨時(shí)間為30h、降雨強(qiáng)度為 極端降雨情況，以反映粉質(zhì)土在不同降雨情境下的入滲與變形響應(yīng)。在模擬過(guò)程中，模型兩側(cè)邊界均設(shè)定為無(wú)總流量邊界，以保持土體橫向穩(wěn)定。底部邊界為防滲邊界，單位流速為零，防止水分通過(guò)底部邊界流出。路基坡面及坡腳區(qū)域設(shè)定為入滲邊界，尤其是坡腳沿線0.5m范圍內(nèi)，模擬降雨作用下的水流入滲效果。

4數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1 位移場(chǎng)分析

不同降雨強(qiáng)度條件下30h后的路基位移場(chǎng)結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，隨著降雨強(qiáng)度逐漸增大 （80mm/d， 90mm/d，100mm/d） ，位移最大值均集中在路基的坡頂區(qū)域，表明坡頂是豎向位移最為敏感的區(qū)域。這是因?yàn)樵搮^(qū)域水分入滲后，土體飽和度增大，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，容易發(fā)生下沉或滑移。隨著降雨強(qiáng)度的增加，坡頂區(qū)域的最大豎向位移逐漸增加。當(dāng)降雨強(qiáng)度由80mm/d增加至100mm/d時(shí)，最大位移由0.22m增加至0. 44m 。這一趨勢(shì)表明，較高的降雨強(qiáng)度加劇了土體變形，導(dǎo)致路基位移增大，這符合降雨入滲引起土體含水量增加、強(qiáng)度降低的作用機(jī)制。

綜上所述，位移場(chǎng)云圖反映了降雨強(qiáng)度對(duì)粉質(zhì)土路基豎向變形的顯著影響，特別是在坡頂和坡面的變形較為突出。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注降雨條件下坡頂區(qū)域的防護(hù)措施，如排水系統(tǒng)的布置和土體加固，以減小高降雨強(qiáng)度帶來(lái)的位移風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

研究不同降雨強(qiáng)度下路基的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律時(shí)，不同降雨強(qiáng)度下路基的應(yīng)力場(chǎng)變化趨勢(shì)大致相同，以100mm/d的降雨工況為例，降雨5h和30h后的應(yīng)力場(chǎng)分布如圖4所示。在降雨強(qiáng)度為100mm/d的條件下，不同降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)路基的應(yīng)力場(chǎng)分布產(chǎn)生了明顯影響。隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加，應(yīng)力場(chǎng)逐漸加深，且分布形態(tài)與邊坡形狀基本一致，呈現(xiàn)出由坡表向內(nèi)部逐漸遞增的態(tài)勢(shì)。從降雨5h到降雨30h，路基頂部區(qū)域的應(yīng)力顯著增大，應(yīng)力等值線逐步深入土體內(nèi)部，顯示長(zhǎng)時(shí)間降雨使水分進(jìn)一步滲入土體深層。這表明隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加，土體含水量逐步增大，導(dǎo)致土體飽和，產(chǎn)生更大的孔隙水壓力，從而使路基深層應(yīng)力逐漸增大。在降雨5h時(shí)，應(yīng)力等值線分布較密集，表明初期降雨影響僅限于坡表區(qū)域，深層土體的應(yīng)力場(chǎng)變化較小。隨著降雨時(shí)長(zhǎng)增加到30h，應(yīng)力等值線的間距變大，顯示出土體深層逐漸受到降雨的影響，且應(yīng)力分布隨深度變化較為均勻。

該應(yīng)力場(chǎng)分析表明，在降雨強(qiáng)度較大的情況下，隨著降雨時(shí)間的增加，坡腳區(qū)域應(yīng)力增大顯著，這種應(yīng)力集中區(qū)域?qū)⒂绊懫履_的穩(wěn)定性。實(shí)際工程中應(yīng)針對(duì)該區(qū)域采取必要的排水和加固措施，防止因長(zhǎng)時(shí)間降雨導(dǎo)致的坡腳失穩(wěn)。

4.3孔隙水壓力分析

針對(duì)孔隙水壓力進(jìn)行分析時(shí)，在模型頂部以下0.5m的部位由外向內(nèi)布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為測(cè)點(diǎn)1^?～3^? ，在路基坡腳正下方設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為4^?～6^? 。以100mm/d的降雨工況為例，經(jīng)過(guò)計(jì)算不同測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，在降雨初期 （0～6h） ，無(wú)論是坡肩還是坡腳，孔隙水壓力的增長(zhǎng)速率都較大。降雨持續(xù)時(shí)間 gt;6 h后，孔隙水壓力的增長(zhǎng)速率逐漸減緩，但仍保持上升趨勢(shì)，表明隨著降雨入滲，土體逐漸趨于飽和狀態(tài)。相比于坡肩區(qū)域，坡腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力增長(zhǎng)更為顯著。特別是在監(jiān)測(cè)點(diǎn) 4^?，5^? 和 6^? ，孔隙水壓力峰值均比坡肩區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn) 1^?，2^? 和 3^? 要高，這表明在降雨過(guò)程中，坡腳由于水分累積和較強(qiáng)的入滲效應(yīng)，孔隙水壓力增大更快且更容易達(dá)到飽和。相同降雨時(shí)間下，坡腳處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力均大于坡肩處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這可能是由于坡腳區(qū)域匯集了更多的地表徑流，導(dǎo)致水分優(yōu)先滲入坡腳區(qū)域，使其孔隙水壓力較早達(dá)到峰值；而坡肩區(qū)域在降雨初期的孔隙水壓力增長(zhǎng)較緩，但在降雨持續(xù)時(shí)也呈現(xiàn)出一定的積累效應(yīng)。

孔隙水壓力的變化趨勢(shì)表明，在強(qiáng)降雨條件下，坡腳區(qū)域更易受到水分入滲的影響，導(dǎo)致較高的孔隙水壓力。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)特別關(guān)注坡腳處的排水設(shè)計(jì)，以減小降雨累積導(dǎo)致的滲透壓力，從而保障邊坡的穩(wěn)定性。

5 防護(hù)措施

根據(jù)本文對(duì)降雨作用下粉質(zhì)土路基變形及滲流特性的研究結(jié)果，針對(duì)坡肩和坡腳區(qū)域的孔隙水壓力增大和位移情況，提出以下工程防護(hù)措施，以提高路基的穩(wěn)定性和抗降雨侵蝕能力。

（1）由于坡腳區(qū)域在降雨過(guò)程中易積水、孔隙水壓力增長(zhǎng)顯著，建議在坡腳處設(shè)置截水溝和排水盲溝，以引導(dǎo)地表徑流和滲流快速排出坡腳區(qū)域，減少水分累積對(duì)坡腳土體穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，可以在坡腳區(qū)域安裝滲水管道，進(jìn)一步降低孔隙水壓力，防止因水分堆積而導(dǎo)致的土體失穩(wěn)。

（2）為減少降雨直接入滲對(duì)坡肩和坡面的影響，可在坡面鋪設(shè)防滲膜或植被護(hù)坡，形成一層防護(hù)屏障，減緩降雨水滲入土體的速度。植被護(hù)坡還可增加坡面的抗沖刷能力，減少水土流失。防滲膜應(yīng)根據(jù)坡面形狀合理布置，確保其與土體緊密貼合，以發(fā)揮最佳防護(hù)效果。

（③）由于坡腳和坡肩區(qū)域的孔隙水壓力和位移較大，建議在這些區(qū)域采用加筋土、砂袋或錨桿等加固措施，提高土體的整體強(qiáng)度和抗變形能力。在坡腳處適當(dāng)布置土釘墻或錨桿，以增強(qiáng)坡腳的穩(wěn)定性，防止邊坡滑移。

6結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)數(shù)值模擬分析了降雨作用下粉質(zhì)土路基的變形及滲流特性，得出以下結(jié)論：

（1）在降雨強(qiáng)度逐漸增加的情況下，路基的豎向位移主要集中在坡頂區(qū)域，并隨降雨強(qiáng)度的增大而加劇，表明較強(qiáng)的降雨顯著降低了粉質(zhì)土的強(qiáng)度，導(dǎo)致路基的沉降和滑移風(fēng)險(xiǎn)增加。

（2）隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加，應(yīng)力場(chǎng)逐步深入土體內(nèi)部，并在坡腳區(qū)域形成應(yīng)力集中區(qū)。這種現(xiàn)象表明，長(zhǎng)時(shí)間降雨不僅增加了土體的含水量，還加大了坡腳區(qū)域的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）在降雨過(guò)程中，坡腳區(qū)域孔隙水壓力增速快、峰值高，尤其在降雨初期增長(zhǎng)最為明顯。這是由于坡腳區(qū)域易積水，水分迅速滲入土體內(nèi)部，導(dǎo)致飽和狀態(tài)下孔隙水壓力大幅上升，對(duì)路基穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，

（4）為應(yīng)對(duì)降雨引起的路基變形與失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，本文提出了設(shè)置坡腳排水溝、坡面防滲設(shè)施、坡腳和坡肩加固等工程措施，以有效減少降雨入滲對(duì)粉質(zhì)土路基的影響。 °ledast

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