強降雨條件下高填路段路基滑坡穩定性數值優化分析

權國紹 劉鵬

摘 要：為改善現有公路路基穩定性考慮隨降雨入滲時間的動態分析問題，提出了一種強降雨條件下高填方路段公路路基滑坡穩定性分析模型。研究了非飽和土壤降雨入滲分析過程中涉及的非飽和土強度，非飽和土壤水流運動方程以及降雨入滲理論；建立了高速公路路基滑坡分析模型，并對模型參數選取進行了分析；基于有限元軟件ABAQUS對所提模型及樣例高速公路路基在降雨條件下的穩定性進行數值分析。結果表明，降雨強度越大，對邊坡穩定性的負面影響越大；隨著降雨時間的增加，邊坡頂層的剪應力逐漸減小，更容易引起滑坡問題。

關鍵詞：高速公路；穩定性分析；非飽和土；路基滑坡；降雨入滲理論

中圖分類號：TP391.92

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0165-04

Numerical optimization analysis of embankment landslide stability in high fill section under heavy rainfall

QUAN Guo shao1，LIN Peng2

（1.ChongqingJinlu Traffic Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 402682，China;

2.Chongqing Underground Application Technology Research Institute Co.，Ltd.，Chongqing 401120，China

）

Abstract：In order to improve the stability of existing highway subgrade，considering the dynamic analysis of infiltration time with rainfall，a landslide stability analysis model of highway subgrade with high fill section under heavy rainfall is proposed.The unsaturated soil strength，the unsaturated soil flow equation and the rainfall infiltration theory involved in the analysis of unsaturated soil rainfall infiltration were studied.The highway subgrade landslide analysis model was established，and the selection of model parameters was also analyzed.Based on the finite element software ABAQUS，the stability of the proposed model and the sample highway subgrade under the condition of rainfall was numerically analyzed.The results showed that the greater the rainfall intensity，the greater the negative influence on slope stability was.With the increase of rain time，the shear stress of the top layer of slope decreased gradually，which was more likely to cause landslide.

Key words：expressway;stability analysis;unsaturated soil;subgrade landslide;rainfall infiltration theory

非飽和土［1］是一種具有膨脹性、裂隙性和吸水軟化性的特殊粘性土，其特殊的工程性質往往給當地的水利渠道和公路工程帶來極大的危害，尤其是非飽和土地基上的路基滑坡失穩［2］是一種較為常見的工程問題。

目前，大量學者對非飽和土吸水軟化強度的變化及其對邊坡穩定性的影響方面進行研究。事實上，這種邊坡失穩是動態的。此外，隨著降雨入滲和地下水位的升高，土體強度降低，邊坡穩定性降低。

為了進一步解決強降雨條件下高速公路邊坡引起的路基滑坡問題，研究通過ABAQUS數值模擬結合現場監測數據，對不同降雨時間和降雨強度下的高液限土邊坡進行了研究。

1 非飽和土壤降雨入滲理論

1.1 非飽和土強度理論

單應力變量非飽和土強度理論公式［17］如下：

式中：σ′ij為有效應力；σ-ij為凈應力；σij為總應力；ua為氣相壓力；s為基質吸力；x為Bishop參數，其中干燥土為0，飽和土為1。單應力變量非飽和土強度理論的優點是公式簡單，其本質是使用σ′ij

來確定非飽和土的變形和強度，易于在現有的有限元程序中實施和應用。

1.2 降雨入滲理論

目前，許多學者基于Richards方程建立了降雨入滲模型。經典的G-A入滲模型［19］假設在入滲初期，干燥土壤上層有一薄層水，并且始終存在一個入滲前沿。此外，假設滲透土壤中只有兩個區域：飽和含水量的濕潤區域和滲透前沿以下的初始含水量區域。入滲模型基本公式如下：

i=kszf+sf+Hzf=（θs-θi）dzfdt（4）

式中：i為初始土壤含水量；zf滲透前沿深度；sf

滲透前沿的土壤基質吸力；H為地表水深度；θs為飽和含水量。

2 高速公路路基滑坡分析模型

2.1 模型建立

本文選取中國某高速公路路基高填方路塹邊坡某段工程為例，從而驗證所提模型有效性。所研究高速公路路基分為3個斜坡：一級、二級邊坡高度為8 m，三級邊坡高度為11 m；一級、二級和三級邊坡坡度分別為1∶? 1.15、1∶??????? 1.75和1∶???????? 1.75。由于高速公路路塹邊坡地形復雜，為簡化計算，將邊坡模型改為巖土雙重結構邊坡進行數值模擬。高填方高速公路簡化模型示意圖如圖1所示。該模型考慮了孔隙壓力和流固耦合，對強風化石灰巖（高液限土）采用彈塑性本構模型；中風化石灰巖采用彈性本構模型，且忽略了塑性變化。同時，采用三維8節點孔隙壓力元件C3D8P，網格模型由29 280個元素和34 317個節點組成。測得的邊坡水位線是一條近似水平且平緩傾斜的曲線，在數值模擬中假定為水平水位線，高程與路基頂面相同。

表1為數值模型中巖土層材料參數。由于孔隙壓力單元的特殊性，很難平衡邊坡的原位應力。因此，有必要假設和改進斜率參數，然后執行場變量變換。在降雨入滲分析之前，將高液限土的場變量設置為1，即使用更高的強度指數。此外，需要設置初始應力分布、初始飽和度分布和初始孔隙壓力分布等一系列初始條件，從而平衡原位應力。表2為場變量變換下的參數設置。

2.2 參數選取

本研究基于土壤結構特征和現場測量提供的數據建立高速公路路基土壤水流特征曲線的數學模型。根據研究所在地的氣象數據，部分實驗參數設置如下：年降雨量為9.78 mm/h，土壤滲透系數為0.018 m/h。由于在實際情況中應考慮垂直裂縫的影響，且由于裂縫的存在，一般高液限土邊坡的降雨入滲率大于其滲透系數。因此，通過數值模擬研究了滲流速度和降雨時間對高液限土邊坡的影響。模擬降雨入滲的主要方法是在坡面和坡頂上進行垂直入滲速度和降雨持續時間的相關實驗。

為了建立高速公路路基非飽和高液限土的邊坡模型，應準確選擇描述基質吸力與飽和度之間關系的土壤水流特征曲線，以便描述滲透系數與飽和度之間的關系的滲透函數。在建模之前，需要建立非飽和土壤的初始狀態。非飽和土壤與飽和土壤的最大區別在于，非飽和土壤在基質吸力作用下的應力狀態需要以飽和土壤為基礎構建。對于土壤水流特征曲線和滲透函數，基質吸力是2種函數的自變量。為此，需要預先設置孔隙壓力分布曲線，并根據孔隙壓力分布擬合降雨時間和入滲速率關系；實驗參數設置如表3所示，共設置3個組實驗（實驗A、實驗B和實驗C）。此外，實驗時考慮到由于路基和排水溝的存在，故路面的孔隙壓力邊界條件設置為0。

3 數值分析

3.1 穩定性分析

降雨前，地應力平衡后，整個邊坡的初始最大垂直位移僅為2.721×10-4m，可以忽略不計。降雨后，當橫軸方向上發生水平位移時，路基邊坡安全系數發生改變。圖2為3個組實驗中不同降雨量下高速公路路基邊坡安全系數圖。

由圖2（a）可以看出，在0.01 m/h的入滲速度下，降雨時間越長，高速公路路基邊坡安全系數越低；但總體下降幅度相對較小。降雨24 h后，邊坡安全系數降低0.015 6。在B組實驗環境中，降雨96 h后，安全系數降低0.069 5，具體如圖2（b）所示。從圖2（c）可以看出，在0.02 m/h的入滲速度下，每增加24 h，安全系數平均降低0.040 8，并隨著降雨時間的增加而增加。C組實驗96 h降雨的安全系數比24 h降雨低0.124 9，大約是B組的2倍，表明降雨強度越大，對邊坡穩定性的負面影響越大。然而，降雨在24 h內對飽和區域的強度幾乎沒有影響。

3.2 應力變化分析

由于邊坡的失穩破壞往往發生在斜坡頂部和底部，因此，本節對高液限土邊坡頂部和底部的Mises應力進行了分析。圖3為斜坡頂部和底部Mises應力隨時間變化結果。

由圖3可以看出，連續降雨96 h后，斜坡頂部和底部的表面Mises應力隨時間逐漸減小。此外，降雨強度對坡頂Mises應力的影響小于降雨時間，降雨強度對于坡底Mises應的影響大于降雨時間。

圖4為從斜坡頂部中不同深度的剪切應力隨降雨時間的變化結果。

由圖4可以看出，在28.8 m以上的位置，剪切應力隨深度逐漸增加，主要是因為上部土壤的上覆荷載重量可以忽略。當總荷載恒定時，孔隙壓力增大，Mises應力減小。降雨前28.8 m處飽和，這主要反映了上覆荷載的增加導致Mises應力的增加。此外，應力變化結果表明，隨著降雨時間的增加，頂層的剪應力逐漸減小，接近于0，這將容易引起滑坡。同時，隨著雨水的滲入，除深層外（28.8 m），各層的剪應力均有所減小。

4 邊坡穩定粘接材料討論

針對邊坡降雨穩定性持續降低的問題，可研制一種觸水粘性材料，并將其制作為平面網狀結構，垂直插入滑坡斷面［20］。即當雨水逐步滲透土體，并接觸到觸水粘性材料后，該粘性材料便與水反應粘接周圍土體結硬，起到穩固土體的作用。

5 結語

研究了非飽和土壤降雨入滲分析過程中涉及的非飽和土強度、非飽和土壤水流運動方程以及降雨入滲理論。建立了高速公路路基滑坡分析模型。基于有限元軟件ABAQUS對所提模型及樣例高速公路路基在降雨條件下的穩定性進行數值分析。提出的模型為高速公路路基穩定性分析及安全故障隱患的發現提供了一定借鑒作用。

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收稿日期：2023-06-11；修回日期：2023-09-21

作者簡介：權國紹（1974-），男，高級工程師，研究方向：土木工程及管理；

E-mail：ccuuhui66488@163.com。

引文格式：權國紹，劉 鵬.強降雨條件下高填路段路基滑坡穩定性數值優化分析［J］.粘接，2023，50（11）：165-168.