水位變化對半填半挖陡坡路基滲流、穩(wěn)定性及沉降的影響分析

龍兵

（珠海市規(guī)劃設計研究院，廣東 珠海 519000）

水位變化對半填半挖陡坡路基滲流、穩(wěn)定性及沉降的影響分析

龍兵

（珠海市規(guī)劃設計研究院，廣東 珠海 519000）

以某城市公園內道路為實例，對半填半挖陡坡路基的滲流、穩(wěn)定性及沉降進行了分析，探討了地下水位變化對此類路基內部地下水滲流、邊坡穩(wěn)定性及路基沉降變形量的影響，可為此類路基的設計提供參考。

水位變化；地下水滲流；路基穩(wěn)定性；沉降變形

0　引言

半填半挖陡坡路基在山區(qū)道路設計中較為常見，由于現狀地面較陡，陡坡面上的填土如果處置不好，很容易引起滑坡、不均勻沉降等路基病害。水是影響路基穩(wěn)定性最重要的因素之一，如果半填半挖陡坡路基處于河邊或水庫邊，在汛期常有水位快速升降的現象出現，變化的水位對路基填土會產生動水壓力及浮力，地下水會使土體的抗剪能力減弱，邊坡穩(wěn)定的安全系數降低。地下水位變化使路基內部孔隙變化，土體膨脹或收縮，從而影響沉降。

本文采用巖土有限元軟件 GeoStudio的SLOPE/W模塊、SEEP/W模塊以及SIGMA/W模塊，以某公園內水庫邊道路為實例，定量分析水庫邊半填半挖陡坡路基在水位升降過程中，路基內部滲流、邊坡穩(wěn)定性及沉降量的變化情況，為工程設計提供參考。

1　工程概況

南方某城市公園內道路，局部路段一側靠山，山體自然坡面較陡，另一側臨近現狀小型水庫，該段路基是臨近水庫的半填半挖陡坡路基。選取該段最不利斷面進行研究，該處斷面現狀地面為傾斜陡坡，坡度為1∶1.8，路基寬度為16.3 m（其中含碎落臺3 m、邊溝0.8 m、機動車道7 m、綠化帶2 m、自行車道2.5 m、土路肩1 m），填方高度為14 m，按兩級8 m+6 m設置，采用相同坡度1∶1.5。圖1、表1為該斷面的參數、土層情況。由于自然地面斜坡陡于1∶5，路基橫向采用挖臺階處理，每級寬度為2 m。因實際施工時，臺階開挖形狀不規(guī)則，難以將填挖結合的地方碾壓緊密，現狀斜坡上的表層土一般強度不高，若滲入雨水，結合部的土強度將會更低。因此，本次分析按不利狀態(tài)，考慮填挖結合部有軟弱滑動帶土體約40 cm厚度，見圖1。另外，水庫底部存在有約2 m厚度的淤泥層，本次采用拋填片石處理。靠水庫的邊坡坡面采用漿砌片石護坡，厚30 cm，坡腳設置漿砌片石護腳，80 cm頂寬，160 cm底寬，80 cm高度。

圖1　最不利計算斷面（單位：m）

表1　相關計算參數表

2　陡坡路基在常水位時的加格柵處理及穩(wěn)定性

2.1陡坡路基不加格柵時的邊坡穩(wěn)定性

首先驗算路基在無土工格柵時的穩(wěn)定性，確定該路基是否需要加格柵，以及加格柵的范圍。采用SLOPE/W模塊為計算工具進行計算，計算方法為摩根斯坦-普瑞斯法。摩根斯坦-普瑞斯法是巖土界公認的較嚴密的邊坡穩(wěn)定性計算方法，對滑裂面形狀無要求，同時滿足力、力矩平衡方程。

首先分析路基填土采用砂土的情況。砂土處于干燥、飽和狀態(tài)時，幾乎沒有粘聚力，但是處于非飽和狀態(tài)時，卻能表現出較小的粘聚力[1]。本次計算，砂土粘聚力以地下水位為界，水位以下粘聚力取零，水位以上粘聚力取2 kPa[2]。經軟件計算，如果路基采用砂性土填筑，半填半挖陡坡路基在無格柵時的安全系數為1.160。

然后將其中的砂土替換為粘性土，計算無格柵時的安全系數為1.170。

根據規(guī)范要求，穩(wěn)定安全系數應不小于1.25，因此，砂土和粘土填筑該陡坡路基，都需要采取加固措施，才能滿足設計要求，見圖2、圖3。

圖2　最危險滑動面位置圖（填砂土）

圖3　最危險滑動面位置圖（填粘土）

雖然粘性土粘聚力較大，對路基的穩(wěn)定性有一定的貢獻，安全系數略大，但是，粘性土的滲透系數小，難以疏干滲入路基的雨水，水庫邊水位升降時，動水壓力大，對路基的穩(wěn)定性不利。綜合考慮，建議采用透水性較好的砂土填筑。下文中的計算，路基填土均采用砂土的參數。

2.2陡坡路基加格柵后的邊坡穩(wěn)定性

由于路基填土采用砂性土，砂性土在干燥和飽和時粘聚力為零，容易出現淺層滑動，因此，本次分析考慮邊坡全高整體加筋。根據《公路土工合成材料應用技術規(guī)范》，對加筋路堤，土工格柵豎向層間距不宜大于80 cm，本次分析首先在路基全高范圍按豎向80 cm等間距布置土工格柵，進行初步試算，計算得安全系數為1.22，略小于規(guī)范值1.25。從計算結果分析可知，上部的土工格柵對邊坡穩(wěn)定起控制作用，為繼續(xù)增大安全系數，可將上部約1/3高度的土工格柵加密，改成間距50 cm，計算得邊坡的安全系數為1.258，滿足規(guī)范不小于1.25的要求。圖4為路基全高范圍格柵間距為80 cm的最危險滑動面位置及形狀，圖5為上部1/3高度的土工格柵加密間距為50 cm，中下部格柵間距為80 cm的計算結果。

圖4　最危險滑動面位置（格柵間距80 cm）

圖5　最危險滑動面位置（上部格柵間距50cm）

3　陡坡路基穩(wěn)定性受水位變化的影響分析

由于道路處于水庫邊，暴雨時期，水庫水位有大幅度上升的情況，暴雨過后以及開啟泄洪閘泄洪后，水庫水位又會迅速降低。快速變化的水位在路基內部產生滲流，影響路基內部水分的變化，對路基土的粘聚力和內摩擦角產生影響，因此，對邊坡的穩(wěn)定性有一定的影響。本次采用巖土有限元軟件GeoStudio的SLOPE/W、SEEP/W模塊進行耦合分析，判斷路基穩(wěn)定性受水位變化的影響究竟有多大。

具體分析步驟如下：

（1）采用SEEP/W模塊，分析常水位時路基內的孔隙水壓力分布情況（工況1），常水位為12.5 m；

（2）采用SLOPE/W模塊，分析常水位時的邊坡穩(wěn)定性（工況1）；

（3）采用SEEP/W模塊，分析水位上升過程中的滲流情況及孔隙水壓力分布情況（工況2），該工況為暴雨期間，2 d內水位由12.5 m快速上升至20.5 m，增幅為8 m；

（4）采用SLOPE/W模塊，分析水位180 d持續(xù)保持20.5 m不變的邊坡穩(wěn)定性（工況2）；

（5）采用SEEP/W模塊，計算泄洪時，水位下降過程中的滲流分析及孔隙水壓力分布情況（工況3），最高水位為20.5 m，3 h內快速下降8 m；

（6）采用SLOPE/W模塊，計算3 h快速下降8 m過程中的邊坡穩(wěn)定性（工況3）;

（7）采用SEEP/W模塊，計算水庫水位從常水位開始，快速放干過程中的滲流分析及孔隙水壓力分布情況（工況4），1 h內水位由常水位12.5 m至放干，快速下降2.5 m；

（8）計算水庫放干過程中的路基邊坡穩(wěn)定性（工況4）。

3.1路基內孔隙水壓力、邊坡穩(wěn)定性在常水位時的計算結果（工況1）

工況1計算的是邊坡在常水位12.5 m時的孔隙水壓力分布情況，孔隙水主要向下部和左側路基內滲流。工況1的邊坡穩(wěn)定安全系數為1.291，見圖6、圖7。

圖6　常水位時孔隙水壓力（單位：kPa）

圖7　最危險滑動面位置及形狀（常水位）

3.2路基內孔隙水壓力、邊坡穩(wěn)定性在水位快速上升8 m過程中的計算結果（工況2）

工況2計算的是水庫水位在暴雨期間2 d內快速上升8 m的情況。圖8反映了工況2的浸潤線變化情況。路基內部的浸潤線隨著水庫水位的升高也相應上升。因路基外側填土為砂性土，滲透系數較大，路基內側為原狀粉質粘土、強風化砂巖，它們的滲透系數較小，所以浸潤線在砂性土中上升速度快，在粉質粘土、強風化砂巖中上升速度慢。浸潤線對路基內部的粉質粘土及強風化砂巖影響較小。水位在2 d內上升8 m，水位達到20.5 m，浸潤線影響范圍僅達到距邊坡坡腳約13 m的范圍。

圖8　浸潤線隨水位上升變化圖

水位開始上升時，雖然路基土的內摩擦力、基質吸力均有減小，但是因水位升高，水對路基產生的側向壓力增加，且側向壓力起主導作用，使路基的穩(wěn)定性安全系數增大。水位上升并在一定時間內保持高水位20.5 m不變，在這期間，浸潤線在路基內部仍然會持續(xù)升高，使得路基土摩擦力、基質吸力會持續(xù)降低，而水位不變，水的側壓力不變，所以安全系數會慢慢減小，并在5個月后基本趨于穩(wěn)定值。圖9的安全系數曲線顯示了這一變化情況，水位上升8 m，邊坡安全系數由1.3增大至1.72，增幅約32%；然后保持高水位一段時間，邊坡安全系數有減小的趨勢，150 d后慢慢趨于穩(wěn)定，180 d后安全系數降低至1.58，降幅約8.1%。

圖9　水位上升、保持高水位期間的安全系數

3.3路基內孔隙水壓力、邊坡穩(wěn)定性在水位快速下降8 m過程中的計算結果（工況3）

工況3計算的是水位達到工況2的最高水位后，在3 h內泄洪，由最高水位20.5 m降低至常水位12.5 m，快速下降8 m。在水位快速下降過程中，路基內部產生了非穩(wěn)定滲流，地下水位線在路基內部不斷變化。圖10表示水位由最高水位20.5 m降低至常水位12.5 m過程中浸潤線的變化情況。由圖10可以看出，隨著水位下降，浸潤線也在不斷下降，開始下降較快，然后慢慢穩(wěn)定下來。浸潤線在砂性土中的變化幅度大，在粉質粘土、強風化砂巖等土層中變化幅度很小，這取決于滲透系數的影響，滲透系數大，路基內部水分運動快，浸潤線位置變化快，幅度大。當水位穩(wěn)定以后，浸潤線位置也相應穩(wěn)定下來。

圖10　水位下降過程的浸潤線位置圖

圖11反映了路基穩(wěn)定安全系數隨著水位快速下降8 m過程中的變化情況。路基穩(wěn)定安全系數隨水位快速下降，也隨之減小。水位在下降8 m的過程中，穩(wěn)定安全系數從1.72降低到1.281，降低幅度為25.5%；然后保持常水位一段時間，2 d內邊坡安全系數略有回升，回升至1.29，然后慢慢穩(wěn)定，180 d后的安全系數為1.291。

圖11　水位下降及保持常水位期間的安全系數

水位降低，路基水分滲透流出路基，浸潤線下降，路基土的基質吸力漸漸增大，內摩擦力也逐步增強，對路基穩(wěn)定性略微有利。但是，水位降低，水對邊坡的側向有利推力也快速減小，并且側向推力的影響起主導作用，因此，邊坡穩(wěn)定安全系數開始仍表現為減小。隨著時間延長，水位維持在常水位一段時間，水的側向推力基本保持不變，土的基質吸力、內摩擦力則繼續(xù)增長，使得穩(wěn)定安全系數在下降后又略有上升，再趨于穩(wěn)定，圖11顯示了這一變化趨勢。

3.4路基內孔隙水壓力、邊坡穩(wěn)定性在常水位至快速放干過程中的計算結果（工況4）

工況4計算的是水位在2小時內放干，由常水位12.5 m降低至水庫底10.0 m，快速下降2.5 m。在水位快速下降過程中，路基內部產生了非穩(wěn)定滲流，地下水位線及浸潤線在路基內部不斷變化。圖12中，浸潤線位置隨著水位由常水位至放干過程而逐漸下降并慢慢穩(wěn)定下來。與工況3類似。

圖12　水位放干過程中的浸潤線位置圖

圖13反映的是水位由常水位至放干過程中，路基邊坡穩(wěn)定安全系數變化情況。水位由常水位至放干過程中，路基穩(wěn)定安全系數隨之迅速降低，然后又略有上升。水位下降2.5 m，穩(wěn)定安全系數從1.253降低到1.236，降低幅度為1.4%；然后保持放干狀態(tài)一段時間，15 h內邊坡安全系數略有回升，回升至1.249，然后慢慢穩(wěn)定下來，相比常水位時的安全系數，降幅約0.3%。

圖13　水位放干過程中的安全系數

工況4的浸潤線、安全系數變化趨勢與工況3的情形類似，變化的原因也與之類似，在此不再贅述。

根據工況4的計算結果，水位由常水位至放干過程中，穩(wěn)定安全系數僅1.236，為以上4種工況中最不利的情況，小于規(guī)范規(guī)定值1.25。因此，需進一步加強路基安全措施，將頂部格柵間距調整40 cm，經計算，加密格柵后安全系數能達到1.26，滿足設計及規(guī)范要求。設計時對這種情況應重點考慮。

4　陡坡路基的沉降變形受水位變化的影響分析

本次利用SEEP/W模塊、SIGMA/W模塊進行耦合分析，探討陡坡路基內部孔隙水運動與路基變形之間的關系。

本次僅分析水位上升及下降過程中，路基內孔隙水變化與路基變形之間的相關關系。首先采用SEEP/W模塊分析路基在常水位時的孔隙水壓力情況，再將常水位時的孔隙水壓力導入SIGMA/W模塊計算初始應力情況。以此為基礎，再進行耦合分析，計算水位變化引起的孔隙水壓力變化、應力變形變化。以下計算結果中x方向位移以向右為正，y方向位移以向上為正。

（1）水位由常水位12.5 m在2 d內上升至20.5 m過程中，路基沉降變形情況。

經計算，路基右上角點的位移變化情況如下：常水位時的x方向位移為5.6 mm，y方向為-7.2 mm，水位升高至20.5 m時的x方向位移為11.9 mm，y方向位移-3.6 mm。x方向位移增加了6.3 mm，y方向位移減小了3.6 mm。

（2）水位由最高水位20.5 m在3 h內下降至12.5 m過程中，路基沉降變形情況。

經計算，路基右上角點的位移變化情況如下：最高水位時的x方向位移為11.9 mm，y方向為-3.6 mm，水位下降至12.5 m時的x方向位移為7.8 mm，y方向位移-5.8 m。x方向位移減小了4.1 mm，y方向位移增加了2.2 mm。

從以上計算結果可知：隨著水位升高，x方向位移有所增加，y方向位移有所減小。隨著水位降低，x方向位移有所減小，y方向位移有所增加。水位上升，水向路基內滲透，路基土體積含水量增加，體積有膨脹趨勢，因此，水平位移有增加的趨勢，豎向位移有減小的趨勢，但是變化幅度不是很大。相反，水位下降，因水從路基內滲出，路基有收縮的趨勢，所以水平位移會減小，豎向位移會增加。

5　結　論

（1）半填半挖陡坡路基在設計時，如果現狀地面坡率陡于1∶2.5時，應驗算其穩(wěn)定性，如果穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求，可設置土工格柵或支擋構筑物增強邊坡穩(wěn)定性。

（2）水位快速上升時，臨水一側路基內的浸潤線也隨之上升，并且在滲透系數大的砂性土內上升速度快，在弱透水性土層中上升速度慢。水位上升，邊坡安全系數相應增加。這是因為水對邊坡的側向有利推力快速增加，并且側向推力的影響起主導作用，路基土內部基質吸力及摩擦力的減小只起次要作用，因此整體表現為安全系數增加。

（3）水位快速下降時，臨水一側路基內的浸潤線也隨之下降，并且在滲透系數大的砂性土內下降速度快，在弱透水性土層中下降速度慢。水位下降，邊坡安全系數相應降低。這是因為水對邊坡的側向有利推力快速減小，并且側向推力的影響起主導作用，路基土內部基質吸力及摩擦力的增加只起次要作用，因此整體表現為安全系數減小。

（4）水位由常水位至放干狀態(tài)為最不利工況，該工況的路基安全系數會在水庫放干過程中進一步降低，可能產生安全隱患，設計時應引起重視，驗算該工況的安全系數，并采取可靠措施，增強路基穩(wěn)定性。

（5）水位上升，水向路基內滲透，路基土體積含水量增加，體積有膨脹趨勢，因此，水平位移有增加的趨勢，豎向位移有減小的趨勢，但是變化幅度不是很大。相反，水位下降，因水從路基內滲出，路基有收縮的趨勢，所以水平位移會減小，豎向位移會增加。

[1]劉豐收.非飽和砂土的表觀粘聚力研究[J].水利水電科技進展, 2001(10):6-7.

[2]崔頔.非飽和砂土的表觀粘聚力研究[J].北方交通.2013(2):86-87.

U416.1

B

1009-7716（2016）03-0038-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.011

2015-11-30

龍兵（1983-），男，湖南安化人，工程師，從事路橋設計工作。