降雨條件下路塹高邊坡的滲流應力響應分析

蔡唐濤

（中交第四公路工程局有限公司，北京 100022）

0 引 言

降雨是引起邊坡失穩進而發生滑坡的主要因素之一。降雨過大會導致邊坡坡腳及局部迅速形成暫態飽和區，而土體中滲入的雨水也會迅速到達地下水位，如果降雨持續時間較長，則邊坡可能被滿灌而失穩［1－4］。降雨較小時，一方面降雨入滲使得土體含水量增加，增大了滑移面上土體的剪切力；另一方面，降雨將改變邊坡的力學性能，降低土體的抗剪強度。因此，研究不同程度的降雨情況對邊坡的穩定性影響尤為重要。

國內外學者對此開展了大量研究，如林鴻州等［5］通過試驗揭示了降雨入滲對邊坡穩定性的作用機制，提出降雨強度和累計降雨相結合的雨量預警參數；石誠鋆等［6］采用灰色關聯分析法，選取降雨強度、坡比及巖體參數等對降雨影響的邊坡穩定性進行分析，認為降雨強度對穩定性的影響最大；何忠明等［7］以長湘高速公路某路塹邊坡為依托，建立含軟弱夾層的土坡數值分析模型，分析了強降雨條件下夾層傾角、厚度、埋深以及層數等因素對邊坡穩定性的影響規律；顏斌等［8］根據飽和－非飽和土滲流理論，以某高速公路的黃土邊坡為研究背景，分析了邊坡在強降水條件下的入滲規律和穩定性變化規律；張少宏等［9］分析了黃土邊坡在降雨入滲條件下含水率與黃土抗剪強度的關系，并得出不同入滲深度對黃土邊坡穩定性的影響；黃蕾鳴等［10］采用邊坡現場監測的手段，重點研究了強降雨對邊坡的影響規律，總結出邊坡加固的方法和經驗；胡晉川等［11］通過現場試驗和數值模擬，分析了階梯狀黃土高路塹邊坡在降雨條件下的變形發展過程、坡面降雨入滲規律、涵水與護坡作用以及穩定性。本文以滬通鐵路路塹高邊坡工程為依托，選取最不利斷面研究分析不同降雨條件下邊坡的滲流應力響應，得出邊坡穩定性的變化規律，可為類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

上海至南通鐵路（滬通鐵路）為國鐵Ⅰ級客貨共線型快速鐵路，設計時速200km，鐵路在里程DK130＋916～DK130＋955段路基設計主要為路塹形式。本文選取最不利斷面為研究對象，該斷面路塹邊坡高約20m，坡度為1∶1。邊坡土體主要為第四系全新統松散堆積粉質黏土。該地區年平均降水量為1 144．4mm，月最大降水量為180．0mm。夏季降水量占全年的40%左右，6月中旬至7月中旬為梅雨季節。

2 數值模型

2．1 基本假定

（1）邊坡土體性質為均質、同性。

（2）假定降雨全部滲入土體邊坡，降雨結束時，總降雨量小于邊坡允許的最大入滲量。

（3）邊坡的穩定性基于有限元強度折減法分析［12］。

2．2 模型的建立

由于該段路塹邊坡縱向長約40m，遠大于寬度，且本次研究的側重點為不同降雨條件對邊坡穩定性的影響，因此選取邊坡最不利斷面，建立二維平面應變模型。土體采用平面應變單元模擬，且服從摩爾庫倫屈服準則。滲流邊界設置為：地下水位以下左側邊界為隔水邊界，右側為排水邊界，邊坡坡頂、坡面及坡底設為降雨邊界。應力分析時，模型兩側約束水平位移，底部約束水平位移和豎向位移，地表為自由面。同時，為分析邊坡在不同程度降雨下的應力響應，在邊坡坡腳和坡面中點設置計算監測點A和B。建立的整體模型網格及測點布置如圖1所示。

圖1 模型網格及測點布置

2．3 參數選取

根據現場勘察設計報告及室內土工試驗，模型土體的彈性模量為10MPa，黏聚力為15kPa，摩擦角為20°，重度為17．7kN·m－3，泊松比為0．3。

現場邊坡為非飽和土，其滲透系數為基質力的函數，而非常數，即基質力隨含水量的變化而變化。土體非飽和特性參數如表1所示，函數模型采用Van Genuchten函數。

表1 土體非飽和特性參數

2．4 降雨工況

根據中國氣象部門規定的降雨強度標準（表2），選取50、100、200、300、360mm·d－1等降雨強度以及48h的降雨量進行邊坡的滲流應力響應研究。

表2 降雨量等級

3 計算結果分析

3．1 邊坡土體滲流特征分析

圖2 土體孔隙水壓力分布云圖

在大暴雨條件下，邊坡土體孔隙水的壓力分布如圖2所示。由圖2可知，降雨的入滲使得邊坡的表層土體孔隙水壓力首先發生變化。降雨10h后，邊坡土體外側開始浸潤，而土體內部則變化不大，但坡腳孔隙水壓力變化較大。這是由于，降雨初期土體仍為非飽和狀態，滲透系數較低，滲入坡面和坡頂的雨水沿坡面流向坡腳，使得該處的孔隙水壓力增長。隨著降雨時間的增加，整個邊坡表層土體的負孔隙水壓力不斷減少，雨水在重力和水力梯度作用下向邊坡下方和前方移動。0～24h內，土體的負孔隙水壓力減少幅度較小，在入滲24h后壓力為92．2 kPa。當降雨超過48h后，土體的滲透系數逐漸增加，負孔隙水壓力減少幅度增大。在降雨72h后，土體的負孔隙水壓力為24．5kPa。

3．2 邊坡位移分析

圖3為不同降雨量下測點A、B的水平位移變化。由圖3可以看出，隨著降雨量的不斷增加，在雨量為400mm時，坡腳測點A的水平位移加速變化，這是由于坡腳的負孔隙水壓力隨著降雨量的增加逐漸降低，土體的抗剪強度降低，水平位移隨之增加。邊坡的坡面中點B的水平位移整體變化規律與測點A相似但位移值較小，且變化相對滯后。這主要是由于隨著降雨量的增加，土體力學性質改變，加之邊坡的自重增加，在坡腳發生相對移動后，邊坡中點位移隨之增加。

圖3 不同降雨量下測點的水平位移

圖4為不同降雨量下測點的豎向位移變化，可以看出在坡腳測點A處，隨著降雨量的增加其豎向位移逐漸增加，當降雨量超過200mm時，位移增長速度減緩。這主要是因為，降雨初期土體仍為非飽和狀態，隨著雨水的滲入，土體軟化變形相對明顯；而降雨量逐漸增大之后，土體由非飽和狀態變為飽和狀態，降雨量對坡腳的豎向位移影響減弱。邊坡中點測點B的豎向位移變化趨勢與測點A大致相同，但在降雨量超過400mm后，豎向位移顯著增加。這主要是由于，降雨量增大后邊坡整體發生水平向滑動，豎向位移增大。

圖4 不同降雨量下測點的豎向位移

3．3 邊坡最大剪應變分析

不同降雨強度下邊坡的最大剪應變變化如圖5所示。可以看出，隨著降雨強度的增加，邊坡的最大剪應變逐漸增加，當降雨強度超過200mm·d－1時，邊坡淺層滑動面范圍逐漸擴大，且變化幅度增大，滑動面逐漸向土體下方和右前方移動。由此可見，不同程度的降雨強度對邊坡的穩定性影響不同，過大的降雨強度將導致邊坡失穩甚至發生滑坡，實際工程中需格外重視。

3．4 邊坡安全系數分析

基于有限元強度折減法得出不同降雨強度下邊坡的安全系數變化，如圖6所示?？梢钥闯?，邊坡的安全系數隨著降雨強度的增加而降低，當降雨強度超過100mm·d－1時，邊坡的安全系數下降幅度增大；當降雨強度超過300mm·d－1時，安全系數下降幅度更加明顯；當降雨強度為360mm·d－1時，邊坡安全系數為1．106，相比無降雨時，安全系數降低36．3%。因此降雨強度對邊坡的安全性影響顯著，工程中應重視降雨時邊坡的實時監測，確保邊坡的安全穩定。

4 結 語

（1）在大暴雨條件下，降雨持續時間小于10h時，由于土體仍處于非飽和狀態，土體的滲透系數較小，負孔隙水壓力變化緩慢。隨著降雨時間的延長，土體的負孔隙水壓力不斷減小，當超過48h后，土體的滲透系數逐漸增大，負孔隙水壓力降低幅度增大。在降雨72h后，土體的負孔隙水壓力減小為24．5kPa，土體趨于飽和狀態。

圖5 不同降雨強度邊坡的最大剪應變云圖

圖6 不同降雨強度邊坡安全系數的變化

（2）邊坡監測點的豎向和水平位移隨降雨量的增加變化規律相似。邊坡的水平位移先緩慢增長后急速增長，最大水平位移發生在坡腳處；豎向位移受降雨影響相對較小，坡面位移的發生相對于坡腳較為滯后。

（3）隨著降雨強度的增加，邊坡的最大剪應變逐漸增大，安全系數逐漸減小。當降雨強度為360 mm·d－1時，邊坡安全系數為1．106，相比無降雨時，安全系數降低36．3%。因此類似工程中需對邊坡采取必要的加固措施，并保持實時監測，確保降雨時邊坡的穩定和安全。

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