降雨入滲條件下土質路堤邊坡穩定性研究

陳釗 姚志勇

摘要：為了分析降雨入滲條件下土質路堤邊坡的穩定性，文章以壇洛至百色高速公路K768+870～K768+980段人工填筑土質路堤邊坡為研究對象，采用數值分析軟件建立相應的路堤邊坡數值模型，對路堤邊坡在降雨入滲條件下的滲流過程和穩定性進行了研究。研究結果表明：在同一埋深深度條件下，不同位置處土體體積含水率隨降雨歷時的增加速率不一樣，位于坡腳處的土體體積含水率增加速率較快;邊坡表層土體含水飽和度的增加會導致雨水滲流速度矢量方向由垂直于坡面改變為沿著坡面傾向入滲;土質路堤邊坡的穩定性安全系數與降雨入滲量之間呈遞減關系，隨著降雨入滲量的不斷累積，邊坡最終會產生滑坡失穩破壞。研究成果可為土質路堤邊坡的加固設計提供理論參考。

關鍵詞：降雨入滲;土質路堤邊坡;穩定性;數值分析

中圖分類號：U416.1⁺4 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.023

文章編號：1673—4874（2020）11—0087—03

0引言

土質路堤邊坡是指在修建道路過程中，受地形條件的影響，道路沿線路段采用土石混合料作為填筑材料，對原有路基進行填筑并壓實而形成的高于原地表的構筑工程。我國地形條件較為復雜，在修建公路、鐵路及高速公路時，受山地或丘陵等地形條件的限制修筑了大量的土質路堤邊坡工程。這些路堤邊坡工程極大地促進了我國交通行業的發展，尤其是高速公路網的建設。然而，在高速公路運營期間，人工填筑的路堤邊坡時常會因承載能力不足而發生滑坡失穩破壞，嚴重威脅道路行車安全。人工填筑土質路堤邊坡的穩定性問題已經引起了相關學者的廣泛關注，如：郭立華采用Midas軟件對人工填筑的土質路堤邊坡進行了數值分析，揭示了該類邊坡穩定性與邊坡土條力學參數之間的關系;楊起等認為土質路堤邊坡的穩定性和土體的浸水狀態有關;張定山等認為土體強度參數對土質路堤邊坡的整體穩定性有一定的影響;彭剛等認為坡比是影響邊坡穩定性的關鍵因素。從上述研究成果中可以看出：關于土質路堤邊坡的穩定性研究成果中，較少有關于降雨因素的研究。

鑒于此，本文將以壇洛至百色高速公路K768+870～K768+980段土質路堤邊坡為研究對象，采用數值模擬的研究方法，著重分析降雨入滲條件下滲流水在路堤邊坡內的滲流路徑及穩定性變化規律，為土質路堤邊坡加固方案的合理設計提供理論支持。

1工程概況

壇洛至百色高速公路K768+870～K768+980段屬于微丘一谷地地貌，地形條件較為復雜，為保證高速公路的平整性，對該處路基進行了填方，形成了填筑高度為10m，坡比為1：1.75的土質路堤邊坡。在長時間的雨水滲流作用下，該段路堤邊坡發生了變形，導致路面開裂，影響了交通行車安全。為了對病害進行及時的處治，在發現路堤變形后，建設單位綜合考慮了各種因素，采用重力式擋墻的設計方案對變形邊坡進行了施工，但隨著雨水的持續入滲，該處路基部分路段仍發生了快速變形，產生了滑塌現象，錯臺高度達1.8m（如圖1所示），給高速公路的安全運行帶來了嚴重威脅。

路堤邊坡巖土物理力學參數：對壇洛至百色高速公路K768+870～K768+980段路基進行鉆芯取樣進行室內相關土工試驗，并結合相關設計施工資料可知，原路堤邊坡填筑材料成份主要為粉質黏土混卵石及圓礫，整體呈黃褐、褐灰色。其物理力學參數詳見表1。

水文條件：該路堤邊坡處于北回歸線北部邊緣地段，屬于亞熱帶季風氣候，常年雨量充沛，累計年平均降雨日可達163d，年平均降雨量達1470mm，地下水位在88.81～993.58之間上下浮動，埋深3～4m，與發生變形后的地形線近似平行。

2數值分析方案

2.1建立數值分析模型

根據依托工程壇洛至百色高速公路K768+870～K768+980段土質路堤邊坡的結構尺寸，采用數值軟件建立了如圖2所示的路堤邊坡數值分析模型。模型邊坡高度為10m，坡比為1：1.75，地下水位線埋深在3～4m之間，與原路堤邊坡實際結構尺寸相符，采用2682個節點將模型劃分為2570個單元。在數值分析模型中設定了3個監測點，分別位于坡頂、坡面中點和坡腳處，埋深1m，以便監測模型在雨水滲流過程中的體積含水率變化規律。此外，在模型邊坡表面和右側表面施加了降雨邊界條件。

2.2擬合土水特征曲線

根據室內土工試驗結果可知，依托工程的路堤邊坡填料飽和滲透系數為1.78×10^-5m·s^-1，飽和體積含水率為0.24，殘余體積含水率為0.01。大量的實驗和研究成果證明，經典的Van Genuchten模型擬合的土水特征曲線與原材料最為相符，因此，本文采用Van Genuchten模型對依托工程路堤邊坡填料的土水特征曲線進行了擬合，擬合結果如圖3所示。

2.3降雨方案

依托工程壇洛至百色高速公路K768+870～K768+980段土質路堤邊坡所在區域屬于亞熱帶季風氣候，常年雨量充沛。本文為了研究降雨入滲對依托工程土質路堤邊坡的穩定性影響規律，制定降雨等級為暴雨，降雨強度設定為1.04×10^-3mm/s，降雨時長為連續降雨48h。

3數值計算結果分析

3.1體積含水率變化規律

圖4為監測點的體積含水率變化規律。從圖4中可以看出：在整體變化趨勢上，監測點體積含水率都隨著雨水的不斷入滲而逐漸增加，雖然各監測點的埋深深度一樣，但不同位置處的監測點體積含水率增加速率卻不一樣。位于坡腳處的監測點3的體積含水率增加速率明顯較快，而坡面中點監測點2的體積含水率增加速率卻較慢。分析其中的原因為：監測點3位于坡腳處，距離地下水位線較近，且由于坡面徑流的存在，雨水在坡腳處的入滲率較大，入滲速度較快，而坡面中點的入滲率會較小。因此，監測點3處的體積含水率增加速率最快，首先達到飽和狀態。

3.2滲流速度矢量變化規律

對數值分析模型中的滲流速度矢量進行了繪制，繪制結果如圖5所示。從圖5中可以看出：當降雨歷時3h時，雨水在邊坡表面入滲，滲流速度矢量方向與邊坡傾向呈垂直關系，且滲流矢量密度較為疏松;當降雨歷時12h時，滲流速度矢量逐漸開始密集，且矢量方向不再與邊坡傾向垂直，而是沿著坡面傾向向下;當降雨歷時48h時，滲流速度矢量密集度達到最大值，在坡腳處形成了反向箭頭，引起了地下水位線在坡腳處的抬升。分析其中的原因為：在前期的降雨入滲過程中，由于邊坡表面土體的體積含水率較小，基質吸力較大，雨水在邊坡表面能夠進行快速入滲，入滲方向基本與坡面呈垂直關系。結合3.1節分析結果可知，邊坡表層土體不同位置處的體積含水率增加速率不一樣，這就導致了邊坡深層土體對表層土體產生的基質吸力有所差異。因此，滲流速度矢量方向會發生改變，逐漸沿邊坡傾向方向（坡腳方向）向邊坡內部入滲。

3.3穩定性安全系數變化規律

圖6為穩定性安全系數變化規律。從圖6中可以看出：本文研究的土質路堤邊坡的穩定性安全系數與降雨歷時之間呈遞減關系，不同降雨歷時階段的降低速率有所不同。分析其中的原因為：路堤邊坡在人工填筑壓實后整體處于穩定狀態，安全系數較高，達到了3.5左右，但在雨水滲流條件下，邊坡土體的體積含水率逐漸升高，導致土顆粒之間的基質吸力逐漸喪失，土體本身具有的抗剪強度逐漸降低。由于降雨前期，雨水入滲量較小，土體抗剪強度降低幅度不大，所以穩定性安全系數降低速率較小。當降雨入滲量累計達到一定程度時，邊坡表層土體的下滑力會大于自身的抗滑力，使得邊坡表層滑動體逐漸產生滑動趨勢，最終導致滑坡失穩現象的產生。

4結語

（1）降雨入滲條件下，土質路堤邊坡體積含水率會逐漸增加，但在同一埋深不同位置處的體積含水率增加速率卻不一樣，位于坡腳處的土體體積含水率增加速率較快。

（2）隨著邊坡表層土體含水飽和度的增加，雨水在路堤邊坡內的滲流方向會由原來垂直于坡面改變為沿著坡面傾向入滲。

（3）土質路堤邊坡的穩定性安全系數與降雨入滲量之間呈遞減關系，隨著降雨入滲量的不斷累積，邊坡最終會出現滑坡失穩破壞。