降雨條件下黃土路基濕度場變化規(guī)律研究

程 飛

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

山西省地處黃土高原，黃土覆蓋面廣，厚度大，溝壑縱橫的地貌特征顯著[1]。《山西省“十三五”綜合交通運(yùn)輸體系規(guī)劃》指出“十三五”期間，山西省將繼續(xù)加大對高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施的投資建設(shè)力度，預(yù)計到2020年，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的“三縱十二橫十二環(huán)”高速公路網(wǎng)全部建成。而由于黃土土性較差，透水性強(qiáng)且遇水軟化，使得黃土地區(qū)公路建設(shè)常出現(xiàn)不均勻沉陷、裂縫等工程病害，影響道路正常修建和運(yùn)營。

降雨入滲對非飽和黃土路基變形及路基邊坡穩(wěn)定性影響較大，非飽和黃土在降雨條件下的入滲規(guī)律也得到了學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注[2-4]。為進(jìn)一步探明降雨入滲條件下非飽和黃土路基中濕度場變化規(guī)律以及邊坡失穩(wěn)破壞模式，本文采用有限元軟件Geostudio軟件中的SIGMA/W和SEEP/W模塊，對某黃土路堤進(jìn)行計算分析，對降雨過程中路基中孔隙水壓力、含水率、降雨影響深度以及邊坡安全系數(shù)的變化情況進(jìn)行研究。

1 降雨條件下非飽和入滲理論

非飽和黃土路基中的雨水入滲過程為飽和-非飽和滲流過程，如圖1所示，其包含降雨強(qiáng)度控制入滲、非飽和入滲和飽和入滲3個階段。降雨前期，由于表層土體含水率低，水勢梯度較大，土壤入滲能力較強(qiáng)，此時降雨全部入滲至地下，此階段為降雨強(qiáng)度控制入滲階段（ 0＜t＜t1），地面尚未產(chǎn)生積水現(xiàn)象；隨著表層土體含水率增大，水勢梯度減小，土壤入滲能力下降，當(dāng)土壤入滲能力小于降雨強(qiáng)度R0時，超出土壤入滲能力部分的降雨不能入滲，地表將出現(xiàn)積水，此階段為非飽和入滲階段（ t1＜t＜t2）；最終，地表土體完全飽和，土體入滲率減小至土體的飽和滲透系數(shù) K0，進(jìn)入穩(wěn)定的飽和入滲階段（ t＞t2）。其中，t1、t2時刻分別對應(yīng)積水點(diǎn)和飽水點(diǎn)。

圖1 分階段降雨入滲過程曲線

降雨入滲條件下非飽和土中含水率的變化是隨時間和空間動態(tài)變化的過程，1944年Coleman和Bodman[5]研究了雨水入滲過程中土壤含水率的垂直變化規(guī)律，如圖2所示。垂直方向上土壤含水率的分布劃分為以下4個區(qū)域：

a）飽和區(qū) 在外界水源補(bǔ)給下，近地表一定范圍內(nèi)土體含水率率先達(dá)到飽和含水率。

b）過渡區(qū) 此區(qū)域土體含水率隨深度增加迅速降低。

c）傳導(dǎo)區(qū) 此區(qū)域土體含水率基本保持不變，水勢梯度極小。

d）濕潤區(qū) 此區(qū)域位于降雨影響范圍下端區(qū)域，土體含水率逐漸減小至初始含水率。濕潤區(qū)的末端為濕潤鋒線，代表雨水入滲深度。

圖2 土體含水率隨深度變化曲線

2 數(shù)值計算模型

有限元數(shù)值計算模型和土體參數(shù)取值如圖3所示，模型長58 m，高30 m，其中路堤高10 m，路堤邊坡坡比為1∶1.5。模型底部為固定邊界，兩側(cè)為法向約束邊界。在進(jìn)行滲流計算時，模型底部及兩側(cè)均設(shè)置為不透水邊界，上邊界設(shè)置為滲流邊界，超出土體入滲能力部分的降雨將以地表徑流形式流走。初始地下水位位于路堤下6 m處，水位以下為隨深度線性增加的正孔隙水壓力；水位以上為負(fù)孔隙水壓力，即基質(zhì)吸力，其中路面處基質(zhì)吸力最大，為160 kPa。

圖3 有限元數(shù)值計算模型

路基黃土服從Mohr-Coulomd理想彈塑性屈服準(zhǔn)則，彈性模量為8 MPa，黏聚力為20 kPa，內(nèi)摩擦角為15°，天然重度為19.8 kN/m3。非飽和黃土的土-水特征曲線和滲透性函數(shù)如圖4和圖5所示，其中，黃土的飽和體積含水率為51.8%，殘余體積含水率為9%，飽和滲透系數(shù)為0.0108 m/h。降雨雨型采用等強(qiáng)型，降雨強(qiáng)度為110 mm/d，降雨持續(xù)5 d。

圖4 非飽和黃土土-水特征曲線

圖5 非飽和黃土滲透特性曲線

數(shù)值計算流程簡述如下：

a）建立如圖3所示的有限元數(shù)值計算模型，劃分網(wǎng)格，設(shè)置土體參數(shù)及初始邊界條件。

b）打開SIGMA/W模塊，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計算。

c）打開SEEP/W模塊，調(diào)取地應(yīng)力平衡計算結(jié)果文件，輸入非飽和黃土土-水特征曲線函數(shù)、非飽和滲透系數(shù)函數(shù)以及其他相關(guān)滲流參數(shù)，設(shè)置頂面為滲流入滲邊界，并進(jìn)行非飽和滲流計算。

d）計算結(jié)束后，整理并分析計算結(jié)果。

3 計算結(jié)果分析

3.1 濕度場變化規(guī)律

路基土體中孔隙水壓力和體積含水率分布隨降雨歷時的變化情況如圖6～圖8所示。

圖6 降雨1 d后孔隙水壓力和體積含水率分布

圖7 降雨3 d后孔隙水壓力和體積含水率分布

圖8 降雨5 d后孔隙水壓力和體積含水率分布

從圖6～圖8可以看出，降雨影響范圍內(nèi)土中孔隙水壓力升高，體積含水率增大。近地表土中孔隙水壓力和體積含水率等值線出現(xiàn)不同程度的環(huán)狀分布，自上至下，孔隙水壓力和體積含水率表現(xiàn)出高→低→高的分布形式。降雨持續(xù)一段時間后，近地表土體孔隙水壓力趨于零，基質(zhì)吸力顯著減小，土體體積含水率接近飽和體積含水率。圖9為降雨過程中路基中心降雨影響深度變化曲線，從中可以看出，降雨初期浸潤鋒線推進(jìn)速度較快，之后以基本穩(wěn)定的速度推進(jìn)；降雨影響深度與降雨歷時基本呈線性關(guān)系，持續(xù)5 d后雨水浸入深度為4.44 m。

圖9 降雨過程中降雨影響深度變化

圖10 降雨過程中路基不同位置處孔隙水壓力變化

為研究降雨過程中路基不同位置豎直方向各點(diǎn)孔隙水壓力變化情況，選取路面中心和邊坡坡腳兩個位置進(jìn)行監(jiān)測。圖10為降雨過程中路基中心和坡腳處孔隙水壓力沿深度分布變化。

可以看出，降雨1 d后路基中心處地表孔隙水壓力便迅速由-156.91 kPa增加到-12.88 kPa，基質(zhì)吸力減小了144.03 kPa，減小幅度達(dá)91.79%；此后，隨著降雨過程的持續(xù)，地表孔隙水壓力變化較小；降雨5 d后，地表孔隙水壓力增大至-11.13 kPa，基本達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)。坡腳位置在降雨1 d后地表空隙水壓力由-58.84 kPa增大至-13.47 kPa，基質(zhì)吸力減小了45.37 kPa，減小幅度77.11%；降雨5 d后，地表空隙水壓力增大至-11.6 kPa，基本達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)。

3.2 邊坡安全系數(shù)

圖11 降雨過程中路基邊坡安全系數(shù)變化

圖11為降雨前和降雨后路基邊坡臨界滑移面分布云圖以及對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)。從圖中可以看出降雨前路基邊坡安全系數(shù)為1.82，對應(yīng)的臨界滑移面位置較深；降雨結(jié)束后邊坡安全系數(shù)顯著降低，對應(yīng)的臨界滑移面位置較淺。結(jié)果表明，隨著近地表土體含水率增加，基質(zhì)吸力減小，非飽和土抗剪強(qiáng)度降低，邊坡失穩(wěn)破壞模式由潛在的深層滑移轉(zhuǎn)變?yōu)闇\層滑移。

4 結(jié)論

采用有限元軟件對非飽和黃土路基在降雨入滲條件下的非飽和滲流過程進(jìn)行了研究。數(shù)值計算結(jié)果表明：降雨入滲過程中，濕潤鋒線向路基深處推進(jìn)，降雨影響范圍逐漸增大，降雨影響區(qū)域內(nèi)土體含水率增加，孔隙水壓力增大。尤其是近地表非飽和土中含水率增加速度最快，基質(zhì)吸力減小明顯，并逐漸消失。路堤中孔隙水壓力和體積含水率等值線出現(xiàn)不同程度的環(huán)狀分布，自地表到坡體內(nèi)部，孔隙水壓力和體積含水率呈現(xiàn)高→低→高的分布形式。降雨影響深度與降雨歷時基本呈線性關(guān)系，持續(xù)5 d后雨水浸入深度為4.44 m。受降雨入滲影響，路基邊坡失穩(wěn)破壞模式由潛在的深層滑移轉(zhuǎn)變?yōu)闇\層滑移。