降雨條件下水敏性高填方路基邊坡穩(wěn)定性分析

鄭敏敏

（蘭州信息科技學(xué)院，蘭州 730000）

世界各國鐵路系統(tǒng)飛速發(fā)展，鐵路填方路基應(yīng)用較多，對于路基邊坡穩(wěn)定性的評價方法，常用的有基于理論力學(xué)建立的極限平衡法和有限元法等［1-3］，朱大勇等［4］根據(jù)最優(yōu)控制理論引入了邊坡臨界滑動場的概念， 進(jìn)而計算臨界滑動面的最小安全系數(shù)；戴自航等［5］建立了邊坡穩(wěn)定性分析的平面坐標(biāo)系，通過數(shù)值處理程序得到了邊坡下滑力和抗滑力的分布規(guī)律；薛雷等［6］利用強(qiáng)度折減法計算非均質(zhì)邊坡的安全系數(shù)，對比了局部折減和整體折減的區(qū)別，得出整體折減更靠近極限平衡法算出的邊坡整體安全系數(shù)的結(jié)論；盧海峰等［7］通過改進(jìn)的極限平衡法計算反傾巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，對影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素進(jìn)行了分析對比；于斯瀅等［8］結(jié)合了極限平衡法和有限元應(yīng)力分析法的特點分析了尾礦壩壩體的穩(wěn)定性，為設(shè)計安全和施工安全提供依據(jù)；盧坤林等［9］提出了一種基于土壓力理論的滑動面極限平衡法，用此方法分析了邊坡的整體穩(wěn)定并取得了理想效果。

在環(huán)境、造價和工期等各種因素的制約下，應(yīng)用在路基填方的土料并不都是最優(yōu)的路基調(diào)料， 水敏性填方土料便是其中一種。對于填方路基，水敏性土料符合路基的絕大部分力學(xué)和穩(wěn)定性要求， 然而在降雨條件下，高填方路基由于坡面面積較大，降雨入滲量也相對較大， 而降雨入滲量對路基穩(wěn)定性起關(guān)鍵性作用， 因此入滲量過大可能會導(dǎo)致邊坡的整體失穩(wěn)［10-12］。 張盧明等［13］建立了降雨條件下的滑坡體暫態(tài)滲流場模型， 得出影響滑坡體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是降雨強(qiáng)度和水位深度；張勇慧等［14］基于模糊綜合評判了巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性， 結(jié)果表明該方法的合理性；唐棟等［15］采用非飽和滲流分析法研究了前期降雨對不同土體邊坡穩(wěn)定性影響；蔣中明等［16］基于降雨滲入機(jī)制分析了非飽和邊坡的滲流場。

本文基于前人的研究，結(jié)合實際工程案例，采用有限元法分析了降雨條件下水敏性高路基邊坡的體積含水量和孔隙水壓力的變化規(guī)律， 并評價了邊坡的穩(wěn)定性，為工程提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

某公路工程正線全長112.29km。 根據(jù)地勘資料，可得施工路段巖層特性。鐵路走線上層覆蓋地層主要為第四系（Q），主要包括含碎石的粉質(zhì)黏土層、粉質(zhì)黏土、卵石層、碎石層等；深層基巖主要為侏羅系時期對的沉積巖，主要有砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)砂巖等。

高填方路堤是指填土高度大于20m的路堤，在工程路段中， 有一段為水敏性軟巖填筑的高填方路堤， 因此對該路段路基邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評估是必要的。

表1 土體參數(shù)

2 有限元模型

由于近地表淺層路基為非飽和土層， 降雨入滲將致使表層土體飽和度增加， 甚至出現(xiàn)過飽和的現(xiàn)象。 邊坡表層土體的濕潤鋒隨著降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時間的增加而漸漸往土體深層移動， 土體的基質(zhì)吸力漸漸消失， 土體的滲透特性也跟著降雨而持續(xù)改變。 為研究水敏性軟巖填筑的路堤高邊坡的穩(wěn)定性，建立水敏性軟巖高填方路基滲流模型，如圖1。

圖1 模型示意圖

根據(jù)工程實際， 該邊坡模型填土高度為22.5m，以坡腳為原點，模型的左側(cè)范圍取50m，右側(cè)范圍取150m。 為準(zhǔn)確反映邊坡在降雨條件下的變形特征，將網(wǎng)格的尺寸設(shè)定為0.5m， 對整個模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型共有26500個節(jié)點，26056個單元，模型左右兩端限制其水平位移，豎向位移可自由發(fā)生，模型底部固定。 由于本文的主要研究內(nèi)容為降雨入滲對邊坡的穩(wěn)定性影響， 故模型中將土層本構(gòu)模型選定為修正的摩爾庫倫本構(gòu)模型。 為方便分析邊坡的穩(wěn)定性，定義了4個剖面作為觀測邊坡內(nèi)在變化規(guī)律的依據(jù)，如圖1。

降雨條件設(shè)置如下：降雨形式為持續(xù)均勻降雨，降雨總量為300mm，分析時間為7d，在前5d降雨強(qiáng)度為6mm/d，后2d降雨強(qiáng)度為0mm/d。

孔隙水壓力和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可通過軟件中Slope/w模塊計算獲取，Slope/w模塊是軟件中專門計算邊坡穩(wěn)定性的模塊， 獲取邊坡穩(wěn)定性系的本質(zhì)方法是極限平衡法， 即將邊坡抗滑力與邊坡下滑力的比值作為穩(wěn)定系數(shù)。

3 降雨條件下邊坡土體體積含水率的變化規(guī)律

考慮了不同剖面位置邊坡非飽和土層潛在滑動面的滲流特征，4個剖面的體積含水率隨深度的變化規(guī)律如圖2～圖5（體積含水率函數(shù)根據(jù)軟件自帶含水率函數(shù)選取）。

圖2 A剖面體積含水率曲線

從圖2可看出， 邊坡表層受到降雨入滲的影響，且滲入邊坡內(nèi)部的雨水在重力作用下向下滲流，由于剖面A離坡腳處較近，水流將在此處匯集，故該剖面處達(dá)到高飽和度所需要的時間比其他剖面更短，當(dāng)分析時間達(dá)到第3d時深度為5m處的體積含水率已經(jīng)達(dá)到了峰值， 之后該剖面處所有土體均到達(dá)了飽和狀態(tài)。 第5d停止降雨后，由于雨水持續(xù)向下入滲，剖面表層的土體飽和度下降， 而下部土體則維持在高飽和。

從圖3可看出，B剖面處表層土體在降雨的影響下體積含水率持續(xù)升高， 而深層土體的體積含水率變化相對不大，隨著降雨持續(xù)，深部土體的體積含水率也隨之增加，當(dāng)降雨持續(xù)4d后，該剖面處所有土體均達(dá)到最高含水率，而當(dāng)?shù)?d降雨結(jié)束后，表層土體由于雨水下滲的緣故體積含水率有所下降， 深層土體體積含水率基本不變。

圖3 B剖面體積含水率曲線

從圖4可看出，C剖面處表層土體在降雨的影響下體積含水率持續(xù)升高， 而深層土體的體積含水率變化相對不大，隨著降雨持續(xù)，深部土體的體積含水率也隨之增加，但影響范圍在坡面以下10m內(nèi)，第5d時該剖面10m范圍內(nèi)所有土體均已達(dá)到飽和，而10m以下土體處在初始體積含水率的狀態(tài)， 并未受到降雨影響。

圖4 C剖面體積含水率曲線

從圖5可看出，D剖面處體積含水率隨降雨持時的影響與C剖面處相似，不同的是D剖面處的濕潤鋒范圍為坡面以下12m。

圖5 D剖面體積含水率曲線

4 降雨條件下邊坡土體孔隙水壓力的變化規(guī)律

圖6～圖9為不同路基剖面孔隙水壓力隨深度變化的規(guī)律， 土體孔隙水壓力初始值通過在邊坡工程現(xiàn)場據(jù)深度布設(shè)孔壓計獲取。 從圖中可以看出，A剖面在降雨第3d時剖面各點孔壓均出現(xiàn)正值，B剖面則是在降雨第4d出現(xiàn)此現(xiàn)象。 C剖面處在降雨后第5d 10m范圍內(nèi)出現(xiàn)正值，D剖面則是12m范圍內(nèi)，而在更深處的土體則孔壓保持為負(fù)值， 這說明降雨對深層土體的孔壓影響較小。 從變化規(guī)律不難看出孔壓與體積含水率隨降雨入滲的變化規(guī)律相似， 兩者可以相互印證。

圖6 A剖面孔壓曲線

圖7 B剖面孔壓曲線

圖8 C剖面孔壓曲線

圖9 D剖面孔壓曲線

5 降雨條件下路基邊坡的穩(wěn)定性分析

圖10水敏性高路堤填土邊坡不同剖面處在降雨入滲作用下的穩(wěn)定系數(shù)變化曲線。 可知從整體穩(wěn)定性來看， 坡腳表層破壞面和頂部表層滑動面的穩(wěn)定系數(shù)數(shù)值較大， 而底部表層破壞面和中間破壞面初始穩(wěn)定系數(shù)較小， 這是因為受到邊坡上部土體自重作用的緣故。隨著降雨的持續(xù)，各個剖面處的穩(wěn)定系數(shù)均有降低。 A剖面的穩(wěn)定系數(shù)降低最為明顯，D剖面穩(wěn)定系數(shù)降幅較低，這是因為D剖面排水通道較多的緣故。 B剖面和C剖面在降雨持續(xù)4d左右出現(xiàn)了穩(wěn)定系數(shù)的大幅度降低，這是由于隨著濕潤鋒的下移，中部土體的基質(zhì)吸力喪失，滲透特性也隨之改變，土體的力學(xué)性能降低，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性也下降。

圖10 邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化曲線

6 結(jié)語

本文基于有限元分析法， 分析了水敏性高填方邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性，得出了以下結(jié)論：

（1）在降雨條件下，水敏性高填方路堤邊坡不同剖面處的體積含水率呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。A剖面和B剖面在降雨持續(xù)一段時間后剖面下所有深度土體均達(dá)到飽和狀態(tài)，而C剖面和D剖面則在一定深度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出此規(guī)律， 這是因為C、D剖面離邊坡頂部較近，雨水在邊坡內(nèi)部往下滲流的緣故。

（2）在降雨條件下，水敏性高填方路堤邊坡不同剖面處的孔壓呈現(xiàn)的變化規(guī)律與體積含水率近似，兩相對比下可知靠近坡腳的地方土體更容易失去基質(zhì)吸力， 這是由于坡腳處同時受到坡面降雨入滲和坡體雨水滲流的雙重影響， 坡內(nèi)滲流對坡頂土體有利而對坡腳土體不利。

（3）在降雨條件下，不同剖面處的穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律不同，初始穩(wěn)定系數(shù)受重力影響較大，也受到邊坡加固作用的影響。在降雨條件下，靠近坡腳的剖面A和剖面B降低幅度大， 而距離坡頂較近的剖面C和剖面D穩(wěn)定系數(shù)下降較小，這與邊坡體積含水量變化規(guī)律以及孔壓變化規(guī)律相符合。