降雨條件下膨脹土地基鐵路路堤邊坡穩(wěn)定性分析

唐小軍

（云南省鐵路集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650118）

對于路堤邊坡穩(wěn)定性方面研究，較多學(xué)者做了相關(guān)研究，李安洪等提出一種適用于地震設(shè)計(jì)工況下的鐵路路基邊坡極限狀態(tài)通用表達(dá)式；葉咸等對復(fù)雜地質(zhì)條件下高填方路段采用泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行路基填筑的技術(shù)方案進(jìn)行了研究；馮忠居等對路堤高邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)及采用何種處置方法進(jìn)行了對比研究；范凌燕利用FLCA3D 有限差分軟件對纖維石灰土路堤邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值仿真；倪振強(qiáng)等對浸水路堤邊坡在不同工程條件下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；陳子敬分析了在寒區(qū)條件下，鹽漬土地區(qū)路基鹽分遷移對路基邊坡穩(wěn)定性影響與礫石隔斷層鋪設(shè)厚度之間的關(guān)系；夏英志基于PLAXIS 有限元軟件，分析了路基填筑高度對半填半挖路基邊坡穩(wěn)定性的影響；劉遠(yuǎn)程等通過現(xiàn)場試驗(yàn)獲得土體參數(shù)，對羅源灣軟土地區(qū)路基填筑進(jìn)行了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理方法有限元模擬分析。

綜合以上分析可知，對于路堤邊坡的研究方向較為廣泛，研究取得的成果也較多，但對于膨脹土地基條件下路堤邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性，研究相對較少。因此本文著重分析在膨脹土地基條件下路堤邊坡降雨工況下的邊坡穩(wěn)定性。

1 工程概況與模型建立

以云南某工業(yè)園區(qū)新建鐵路DK2+000-DK2+100 路堤段為研究對象，根據(jù)地勘報(bào)告內(nèi)容，覆蓋層主要由含有親水性的伊利石黏土組成，為膨脹性質(zhì)土體，下伏巖層為風(fēng)化、中風(fēng)化玄武巖，此次建模主要基于有限元軟件Geo-studio 軟件中SEEP/W 模塊以及SLOP/W 模塊，模型以DK2+040 路基斷面為建模對象，模型的基本情況如圖1所示。在模型中藍(lán)色區(qū)域?yàn)轱L(fēng)化與中風(fēng)化玄武巖層，黃色區(qū)域?yàn)榕蛎浲列再|(zhì)的覆蓋土層，綠色區(qū)域?yàn)槁返烫钔翆印ＤＰ途W(wǎng)格劃分中路基填土層網(wǎng)格單元幾何尺寸最小，膨脹土層果影響不大因此網(wǎng)格設(shè)置較大，采用這種區(qū)分方法其次，玄武巖層最大，模型總共劃分為3470 個(gè)節(jié)點(diǎn)，3399 個(gè)單元，網(wǎng)格單元均為四邊形，路堤填土層為重點(diǎn)分析區(qū)域因此網(wǎng)格尺寸最小，下伏玄武巖層對分析結(jié)，可以減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率，同時(shí)能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖1 路塹開挖模型

2 水力邊界條件設(shè)置

降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析，要在基于SEEP/W 模塊的分析條件下，把分析結(jié)果導(dǎo)入SLOP/W 模塊進(jìn)行降雨對邊坡穩(wěn)定性分析，降雨入滲是典型的非飽和滲流問題，要進(jìn)行非飽和滲流分析，由于非飽和滲流問題為瞬態(tài)滲流，一般來說要瞬態(tài)滲流問題要基于穩(wěn)態(tài)滲流分析，本次模擬中穩(wěn)態(tài)滲流分析的水力邊界條件設(shè)置如圖2所示，具體為：FH、JG 段為壓力水頭邊界，總水頭高度分別為100m 和80m；MF、KJ、HG 段為不透水邊界；ML 與LK 段為零流量邊界。而瞬態(tài)滲流邊界即降雨條件下水力邊界，僅需要把ML 與LK 段改為對應(yīng)雨強(qiáng)的流量邊界即可。在滲流分析中：本次降雨強(qiáng)度設(shè)置為70mm/h，降雨時(shí)長為6h，土體材料模型采用飽和-不飽和土體，其中膨脹土與路基填土的滲透系數(shù)函數(shù)曲線如圖3所示。在邊坡穩(wěn)定性分析中，土體本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫，其中土體的物理力學(xué)參數(shù)參考值如表1所示。

圖2 水力邊界條件設(shè)置

圖3 滲透系數(shù)曲線

表1 各巖土層力學(xué)參數(shù)參考值

3 降雨過程中路堤邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 土體孔隙水壓力變化

為便于分析降雨過程中路堤填土土體孔隙水壓力變化情況，在路堤模型中設(shè)置了4 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，具體布置如圖4所示。通過設(shè)置70mm/h 降雨強(qiáng)度，分析路堤邊坡在連續(xù)6 個(gè)小時(shí)降雨條件下，邊坡孔隙水壓力變化，得到4 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化，如圖4所示，未降雨時(shí)，4 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力均為負(fù)值，表現(xiàn)為土體基質(zhì)吸力，降雨過程中，監(jiān)測點(diǎn)1 孔隙水壓力上升最快，降雨1h 時(shí)即土體飽和，降雨1-2h 中土體中出現(xiàn)大于0 的孔隙水壓力，隨后孔隙水壓穩(wěn)定在0 值，這主要由于監(jiān)測點(diǎn)1 位于路堤表層，最先受到雨水入滲影響；監(jiān)測點(diǎn)3 與監(jiān)測點(diǎn)4 孔隙水壓力在降雨4 小時(shí)后才發(fā)生增大，且監(jiān)測點(diǎn)2 的上升幅度遠(yuǎn)大于監(jiān)測點(diǎn)3，這主要由于降雨入滲隨著土體深度的增大，開始逐漸減弱。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化

3.2 降雨過程中路堤邊坡穩(wěn)定性變化

從圖5-圖8可以得出：當(dāng)路堤邊坡未降雨時(shí)，路堤邊坡的土體浸潤線為模型水力邊界條件設(shè)定的水位高度線，浸潤線無變化，路堤邊坡臨界滑動(dòng)面的安全系數(shù)為1.132；當(dāng)降雨1 小時(shí)條件下，路堤邊坡膨脹土區(qū)域內(nèi)地下水浸潤線有小幅度上升，同時(shí)路堤填土中開始出現(xiàn)浸潤線，但浸潤的深度較淺，表明雨水入滲深度還較小，此時(shí)路堤邊坡臨界滑動(dòng)面的安全系數(shù)下降到1.05，下降較明顯，表明降雨初期路堤邊坡穩(wěn)定性開始明顯下降，且臨界滑動(dòng)面深度較小，表明邊坡易出現(xiàn)淺層滑坡；當(dāng)降雨3 小時(shí)，浸潤線在路堤填土中的深度較大，表明雨水入滲影響進(jìn)一步加大，其中路堤邊坡的臨界滑動(dòng)面深度變大，邊坡安全系數(shù)進(jìn)一步降低到0.987，表明此時(shí)邊坡產(chǎn)生滑坡的深度開始逐漸增大，同時(shí)邊坡穩(wěn)定性逐漸降低；當(dāng)降雨達(dá)到6h 時(shí)，浸潤范圍下進(jìn)一步擴(kuò)大，浸潤線繼續(xù)上升，擴(kuò)展到路堤填土的大部分區(qū)域，邊坡安全系數(shù)進(jìn)一步降低至0.761，表明路堤邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

圖5 無降雨條件下

圖6 降雨1h 條件下

圖7 降雨3h 條件下

圖8 降雨6h 條件下

以上分析可知：當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)，邊坡土體內(nèi)的浸潤線逐漸由路堤表面下滲，地下水位線不斷抬升，邊坡臨界滑動(dòng)面深度不斷增大，路堤邊坡穩(wěn)定性不斷下降。路堤填土中的浸潤線在降雨過程中的變化，并不是向下發(fā)展而是從右往左延伸，這說明膨脹土地基對于雨水的滲入有一定的限制作用，但這樣卻導(dǎo)致雨水在路堤填土中的入滲進(jìn)一步加劇。

4 總結(jié)

通過分析膨脹土地基條件下鐵路路堤在降雨條件下，邊坡土體孔隙水壓力的變化與浸潤線變化情況可以得出，膨脹土地基在一定條件下限制了雨水的滲入地基，但卻同時(shí)加劇了雨水在路堤填土中的擴(kuò)散；通過分析路堤邊坡在降雨過程中的安全系數(shù)變化以及臨界滑動(dòng)面的深度變化，可以認(rèn)為隨著降雨的持續(xù)，路堤邊坡穩(wěn)定性在逐漸降低，路堤邊坡潛在滑動(dòng)面的深度也在不斷增加，而膨脹土地基加劇了這一趨勢的發(fā)展程度。