降雨入滲對噴混凝土防護的非飽和土邊坡穩定性的影響研究

2024-01-01 00:00:00王洪剛楊亞戎艷

西部交通科技 2024年5期

摘要：文章以常見的邊坡噴混凝土防護為研究對象，采用有限元數值分析方法，對不同噴混凝土防護工況下非飽和土邊坡降雨入滲進行對比研究，分別從邊坡的滲流場變化和穩定性變化分析相關規律。結果表明：噴混凝土對短期降雨邊坡穩定性提升幅度較大，主要是通過改變邊坡的滲流場引起；噴混凝土層對土體變形有一定限制作用，但對邊坡穩定性提升幅度較??；長期降雨邊坡土體飽和后，無論是否噴混凝土防護，邊坡穩定性都會大幅降低。

關鍵詞：降雨入滲；邊坡穩定；噴混凝土防護；非飽和土

U416.1+4A070233

0 引言

在建高速公路土質邊坡常見滑塌病害，多在降雨后發生，邊坡開挖后未及時防護遭遇降雨入滲引起滑塌的案例屢見不鮮。噴射混凝土作為一種施工便捷、快速高效的防護措施，在邊坡防護中廣泛運用。

在降雨入滲對邊坡的穩定性影響研究中，多數研究都考慮了不同降雨工況，不同土體性質等因素［1-4］，但對邊坡防護情況考慮較少。本文在考慮土體非飽和特性的基礎上，分別考慮邊坡的噴混凝土防護情況、降雨入滲情況，并基于某在建高速公路邊坡，采用巖土有限元分析軟件Midas GTS NX建立數值分析模型，對邊坡的滲流場變化及穩定性變化規律進行研究分析，以期為類似工程項目的邊坡防護提供經驗參考。

1 非飽和土特性及數值實現

非飽和土的力學特性在很大程度上受基質吸力影響，基質吸力和體積含水量有著密切的聯系，二者的關系可通過土-水特征曲線反映。同時，基質吸力的變化會引起土體滲透系數的改變，從而影響到土體中滲流場。由于室內試驗較難直接獲得非飽和土的體積含水量來確定土-水特征曲線，Van Genuchten［5］在前人的研究基礎上，通過試驗結果并結合經驗擬合推導了適用于黏土、砂土非飽和狀態下的基質吸力與含水量的函數關系：

θ-θrθs-θr=F（φ）=11+φαnm（1）

式中：φ——基質吸力；

θ——體積含水量；

θs——飽和體積含水量；

θr——殘余體積含水量；

α、m、n——擬合參數。

在巖土有限元分析軟件Midas GTS NX中，內置了包括Van Genuchten函數在內的多種定義土體非飽和特性的函數，可直接調用，通過設置含水率函數及滲透性函數來實現土體非飽和特性，如圖1所示。

2 計算模型及研究方案

2.1 模型尺寸

以某在建高速公路開挖土質邊坡為背景建立數值計算模型（如圖2所示），邊坡每級坡高10 m，共2級，坡率均為1∶1，一級平臺寬2 m。噴混凝土層的設計厚度為0.1 m。計算模型總寬度為100 m，高度為60 m。根據勘察資料，地下水埋深約為20～25 m。

2.2 計算參數

土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型。根據邊坡勘察資料，并結合相關工程經驗，土體物理力學參數取值如表1所示。由于勘察資料中缺少土體非飽和特性的試驗資料，因此土體非飽和特性參數參考有限元軟件中提供的典型黏土非飽和參數，采用Van Genuchten函數，相關參數取值如表2所示。

噴混凝土層具有較大的剛度，可視為線彈性體。噴混凝土的滲透系數會受到多種因素的影響，包括混凝土配方、水膠比、固化時間、噴射工藝和施工質量等［6-7］。普通混凝土的滲透系數經過試驗統計通常在10-9～10-14 m/s［8］，一般而言，噴射混凝土的抗滲性比普通混凝土差［9］，這是因為噴射混凝土的施工過程中可能會產生較多的孔隙和接縫，導致滲透性增加，通常在10-8到10-10 m/s之間。本文計算模型中，噴混凝土層的計算參數取值如表3所示。

2.3 邊界條件

本文在邊坡降雨入滲及穩定性分析考慮的邊界條件分別有水頭邊界、位移邊界及滲流邊界。

水頭邊界：根據初始地下水位設置地下水頭高度，實現地下水位線以下的孔隙水壓力初始分布。地下水位以上則需另設置土體中初始負孔隙水壓力分布，如不設置，計算軟件中則會默認從地下水位往上線性增加，可能出現遠超土壤基質吸力范圍的不合理值，進而影響模擬結果。

位移邊界：約束模型兩側的水平位移，約束模型底部的水平及豎向位移。

滲流邊界：用于模擬邊坡的降雨入滲，當降雨強度小于等于表層土體滲透能力時，降雨可完全入滲，直接設置降雨強度為滲流邊界模擬降雨入滲；當降雨強度大于土體滲透能力時，雨水無法完全滲入土體中，坡面將產生徑流。李全文等［10］采用GeoStudio軟件模擬該情況時，將流量邊界設置為水頭邊界來考慮，而在Midas GTS NX中，只需勾選“如果q＞ksat，那么總水頭=位置水頭”，即可避免超過飽和滲透能力的流量對水頭產生的額外影響。

2.4 研究方案

基于高速公路邊坡實際施工的過程，考慮噴混凝土和降雨兩種變化因素，制定以下兩種研究工況：

工況1：邊坡開挖后，未施工噴混凝土防護，遇降雨入滲。

工況2：邊坡開挖后，已施工噴混凝土防護，遇降雨入滲。

按降雨持續時間，分別考慮未降雨、短期降雨、長期降雨三種情況。其中，短期降雨按2 d（48 h）來考慮，長期降雨為持續降雨直至整個邊坡土體達到飽和，是一種理想的對照工況。

不同降雨強度對邊坡穩定性的影響已有相關研究成果，本文不再對比多種降雨強度，采用單一降雨強度?？紤]到在建高速公路邊坡滑塌經常由強降雨造成，故選擇氣象部門制定的降雨量等級大暴雨上限值250 mm/d（2.894×10-6 m/s）作為本文模擬降雨強度。

3 計算結果與分析

3.1 孔隙水壓力變化

在未降雨的初始狀態，兩種工況下孔隙水壓力分布規律基本相同：在地下水位線以下呈線性增加，符合靜水壓力的分布規律；在地下水位線以上，孔隙水壓力為負值，反映的是非飽和土中基質吸力的初始值。在短期降雨完成后，兩種工況下的孔隙水壓力分布規律出現明顯的差異：在未噴混凝土的工況下，邊坡內部孔隙水壓力明顯增加，變化范圍較大；而在已噴混凝土的工況下，孔隙水壓力的變化幅度及范圍明顯小于未噴混凝土工況。見圖3。

分別提取坡頂、坡中及坡腳三處節點的孔隙水壓力，得到其隨降雨時間的變化規律如圖4所示，可以看出，隨著降雨的進行，邊坡內部的孔隙水壓力呈逐漸上升的變化，反映出非飽和土中的基質吸力隨著降雨入滲逐漸減小。其中坡腳處的孔隙水壓力變化幅度最大，并且從初始的負值變成正值，這是由于坡腳處更接近地下水位線，隨著降雨的入滲，地下水位上升，直至水位超過坡腳形成靜水壓力。

對比兩種工況可知，噴混凝土對邊坡內部的孔隙水壓力影響最大的位置在邊坡中部，噴混凝土后的邊坡中部孔隙水壓力增幅及增速均較小，且在短期降雨時間內未達到穩定，有進一步增加的趨勢。而在未噴混凝土工況下，邊坡中部孔隙水壓力在48 h內基本已趨于穩定。兩種工況孔隙水壓力變化規律的差異主要由噴混凝土的低滲透性引起。本文噴混凝土滲透系數雖然取了常見范圍的較大值（1×10-8 m/s），但仍遠低于土體的滲透系數，在短期降雨的情況下，噴混凝土層能阻隔雨水向邊坡中入滲，邊坡內的滲流場在短時間內不能達到穩定，因此坡中部的孔隙水壓力變化響應速度會遠低于未噴混凝土的情況。

3.2 安全系數變化

采用強度折減法（SRM），分別計算兩種工況下未降雨、短期、長期降雨三個階段的邊坡穩定安全系數，結果如表4所示。

由表4可知，在未降雨時，兩種工況下的安全系數均滿足《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）中正常工況≥1.20的要求。在短期內降雨后，未噴混凝土的工況下邊坡穩定安全系數已小于規范非正常工況1下的大值，而已噴混凝土的工況下安全系數大于規范要求。在長期降雨邊坡土體全部達到飽和后，兩種工況下的邊坡穩定安全系數均小于規范要求，邊坡均處于不穩定狀態。

在邊坡變形的計算結果中（圖5），可以直觀地看到工況1中滑動面剪出口位于坡腳處，坡面也隨之變形，而在工況2中，滑動面剪出口離開坡腳一定距離，并且坡面無明顯的變形，這說明了噴混凝土層對邊坡變形起到了限制作用，進而能在一定程度上提高安全系數。

通過以上的結果分析可知，噴混凝土對邊坡穩定安全系數提升表現在兩個方面：（1）噴混凝土層的強度及剛度遠大于土體，在邊坡變形時能對其進行一定的限制；（2）噴混凝土層改變了非飽和土邊坡的滲流場，在短期降雨下能影響到土體內基質吸力的變化，基質吸力對維持土體的抗剪強度有明顯作用，進而提高了邊坡穩定性。

在圖6不同安全系數的柱狀圖對比中，能直觀地看到，短期降雨工況下，噴混凝土對邊坡穩定安全系數有明顯的提升，提升幅度約為17.2%。在未降雨和長期降雨工況下，噴混凝土對邊坡安全系數雖有提升，但提升幅度較小，為4%～5%。由此可知，噴混凝土通過限制邊坡變形對安全系數的提升效果較小，對邊坡穩定性的提升較大主要是通過短期內改變邊坡的滲流場實現。

4 結語

本文對比了邊坡開挖后有無噴混凝土防護兩種情況下降雨入滲的影響，分析了不同工況下邊坡穩定性變化的內在機理，分別從邊坡的滲流場和穩定性變化得到以下規律：

（1）噴混凝土會引起邊坡降雨滲流場出現明顯的改變，邊坡內部的非飽和土基質吸力隨降雨入滲的減小幅度及速率明顯變小，能提高邊坡的整體穩定性。

（2）噴混凝土層的強度和剛度較大，對邊坡變形有一定的限制作用，對邊坡穩定性有一定的提升，但提升效果較小。

（3）噴混凝土對短期降雨邊坡穩定性提升效果較大，主要是由改變邊坡的滲流場引起。在長期降雨邊坡土體飽和后，無論邊坡是否噴混凝土防護，其穩定安全系數都大幅降低。

噴混凝土防護具有施工簡單快速、短期降雨時對邊坡穩定性提升顯著等特點，在高速公路邊坡防護、滑塌處治中得到廣泛運用，對一些水穩性差的特殊性巖土邊坡，如炭質泥巖、崩解性泥巖等，常常具有不可替代的優勢。本文的研究結果可為類似工程邊坡防護設計和施工提供參考借鑒。

參考文獻：

［1］代超，易宗石.基于有限元方法的降雨條件下公路路塹邊坡穩定性研究［J］.西部交通科技，2023（6）：31-34.

［2］詹良通，李鶴，陳云敏，等.東南沿海殘積土地區降雨誘發型滑坡預報雨強-歷時曲線的影響因素分析［J］.巖土力學，2012，33（3）：872-880，886.

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［4］劉坤，韓長玉，郝藝丹，等.基于降雨入滲的非飽和土邊坡穩定性影響因素分析［J］.水電能源科學，2022，40（10）：183-186.

［5］Van Genuchten M T.On describing and predicting the hydraulic properties of unsaturated soils［J］.Annales Geophysicae，1985，3（5）：615-628.