降雨條件下氣泡輕質(zhì)土邊坡滲流及穩(wěn)定性分析

■朱承鴻

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

為了滿足日益增長的區(qū)域交通需求，進(jìn)一步完善道路服務(wù)功能，對(duì)已有道路進(jìn)行加寬加鋪改造已經(jīng)越來越普遍，這不僅能夠節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，還能提高道路等級(jí)[1]。 因此，對(duì)于路基拓寬改造過程中的邊坡穩(wěn)定性及路面沉降等一系列問題的研究備受工程界的關(guān)注。

特別是在持續(xù)降雨的情況下，雨水進(jìn)入路基土體內(nèi)產(chǎn)生滲流力加劇了易滑動(dòng)體向坡腳滑動(dòng)的趨勢，若在設(shè)計(jì)中對(duì)拓寬路基處填土材料或施工方式的選擇不恰當(dāng)，容易引起邊坡穩(wěn)定問題，甚至引發(fā)滑坡[2]。 馬海燕[3]運(yùn)用MIDAS／Civil 有限元軟件計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，路基拓寬填土的容重越大路面工后沉降越大。 因此合理選擇拓寬路基回填材料對(duì)于解決新舊路基不均勻沉降及邊坡穩(wěn)定問題尤為重要。 由于自身輕質(zhì)的特點(diǎn)，氣泡輕質(zhì)土作為路基填料性能優(yōu)越，可有效減小拓寬部分路基由于自重而產(chǎn)生的附加應(yīng)力， 從而達(dá)到減輕新舊路基間的不均勻沉降的問題， 多年來在道路改擴(kuò)建工程中已得到廣泛應(yīng)用[4-5]。 目前，雖已有很多學(xué)者將氣泡輕質(zhì)土應(yīng)用于道路的改擴(kuò)建工程中，并對(duì)其性質(zhì)、效果以及經(jīng)濟(jì)性等展開研究[6-10]，取得了豐碩的成果，但很少有學(xué)者對(duì)于氣泡輕質(zhì)土作為邊坡路基回填材料時(shí)邊坡穩(wěn)定性，尤其對(duì)于持續(xù)降雨情況下邊坡的滲流及穩(wěn)定問題進(jìn)行過研究。

鑒于此，本文以福建省某道路的改擴(kuò)建工程為背景， 運(yùn)用Hydrus 2D/3D 的Water Flow 及Slop Stability 模塊針對(duì)持續(xù)降雨條件下氣泡輕質(zhì)土邊坡的滲流及穩(wěn)定問題展開研究，為泡沫輕質(zhì)土在工程中的應(yīng)用提供更加全面的理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 工程概況及模型概化

本文計(jì)算模型以福建省某高速公路的改擴(kuò)建工程為工程地質(zhì)原型，在已有路基的基礎(chǔ)上，采用氣泡輕質(zhì)土作為路基填料進(jìn)行道路的擴(kuò)建。 其中輕質(zhì)土分為兩個(gè)階梯，第一階梯寬2.5 m，厚1.0 m，第二階梯寬5.0 m， 厚2.2 m。 氣泡輕質(zhì)土上為0.7 m厚路面基層，路基右側(cè)為20 cm 厚的C25 混凝土擋墻。 另外，路基整體處于一庫岸邊坡上，邊坡坡比為1.0∶1.67，通過簡化處理計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 計(jì)算模型概化

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件

根據(jù)概化的模型建立有限元模型，計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖2 所示， 并對(duì)ABCDE 邊界進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。 設(shè)置AB 為大氣邊界，BCDE 為變水頭邊界，其余為無流動(dòng)邊界。 此外，限制AG、EF 的水平位移以及GF 的水平和豎向位移。同時(shí)，設(shè)置如圖所示的3 個(gè)觀測點(diǎn)以便進(jìn)行更詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析， 其坐標(biāo)分別為（700，625）、（900，425）、（1000，125）。

圖2 有限元模型示意圖

2.2 初始條件

以壓水頭為初始條件， 初始水位線如圖3 所示。 其中水位線以上為非飽和土體，其孔隙水壓力為負(fù)值，且逐漸減小；水位線以下為飽和土體，壓力水頭隨著深度的增加呈正增長[11]。

圖3 初始水頭

2.3 計(jì)算參數(shù)

土樣源自研究區(qū)邊坡路基，通過濾紙法測得含水率與吸力的關(guān)系， 并采用Van Genuchten 模型（式1）[12]進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，如表1 所示。

表1 土層水分參數(shù)

式（1）中：θs、θr分別表示飽和含水率和殘余含水率；H 為土壤負(fù)孔隙水壓力；α、n、m 為擬合參數(shù)，m=1-1/n。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1 降雨強(qiáng)度的影響

本文以0.5、1.7、3.6、7.5 和10.0 cm/d 分別作為小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的降雨強(qiáng)度進(jìn)行模擬分析。 不同降雨強(qiáng)度下降雨5 d 時(shí)路基土體積含水率云圖及安全系數(shù)場分別如圖4、5 所示。

由圖4、6 可知，降雨持時(shí)相同的情況下，以降雨持時(shí)5 d 為例，降雨入滲深度隨著雨強(qiáng)的增大而增大。 當(dāng)雨強(qiáng)為小雨時(shí)，降雨入滲速度緩慢，降雨對(duì)氣泡輕質(zhì)土層含水率幾乎沒有影響（濕潤峰深度小于0.7 m）；當(dāng)為中雨時(shí)，降雨才開始對(duì)氣泡輕質(zhì)土層含水率產(chǎn)生影響（濕潤峰深度大于0.7 m），雨強(qiáng)分別為1.7、3.6、7.5 和10.0 cm/d 時(shí)， 濕潤峰深度分別約為0.8、1.4、1.6 和1.7 m， 當(dāng)雨強(qiáng)由中雨增加至大雨時(shí)，入滲深度明顯加快，但當(dāng)雨強(qiáng)繼續(xù)增大時(shí)，由于受到滲透系數(shù)的限制， 濕潤鋒深度增加緩慢，降雨入滲速率趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

圖4 不同降雨強(qiáng)度下路基土含水率云圖

圖5 不同降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)場

圖6 不同雨強(qiáng)下濕潤鋒變化

由圖7 可知，不同降雨強(qiáng)度下監(jiān)測點(diǎn)1 處含水率隨降雨持時(shí)的變化，降雨強(qiáng)度越大監(jiān)測點(diǎn)含水率變化響應(yīng)時(shí)間越快，但當(dāng)增快到一定時(shí)間由于受到土體滲透系數(shù)的限制，監(jiān)測點(diǎn)含水率變化響應(yīng)時(shí)間趨于一個(gè)穩(wěn)定值。當(dāng)雨強(qiáng)為0.5 cm/d，降雨10 d 時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)含水率仍未發(fā)生變化； 當(dāng)雨強(qiáng)大于7.5 cm/d時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)含水率變化響應(yīng)時(shí)間基本保持不變。

圖7 不同雨強(qiáng)下監(jiān)測點(diǎn)1 含水率隨降雨持時(shí)變化

由圖5、8 可知，降雨持時(shí)相同的情況下，以降雨持時(shí)5 d 為例，監(jiān)測點(diǎn)1 處安全系數(shù)隨著雨強(qiáng)的增大而減小，但減小幅度較小，且減小的速率逐漸趨于平緩。如從小雨增至中雨時(shí)監(jiān)測點(diǎn)安全系數(shù)降低了2.41%，而從暴雨增加至大暴雨時(shí)監(jiān)測點(diǎn)安全系數(shù)僅降低了0.02%。隨著降雨持時(shí)的增加監(jiān)測點(diǎn)處安全系數(shù)逐漸減小， 但最終趨于穩(wěn)定值32.85，另外降雨強(qiáng)度越大安全系數(shù)隨降雨持時(shí)減小的速率越快。

圖8 不同雨強(qiáng)下監(jiān)測點(diǎn)1 處安全系數(shù)變化（降雨持時(shí)5 d）

2.4.2 降雨持時(shí)的影響

圖9 為7.5 cm/d 降雨強(qiáng)度條件下不同降雨持時(shí)路基土體積含水率變化云圖。 可知，隨著降雨持時(shí)的增加降雨入滲的深度不斷增加，約從第2 d 時(shí)降雨開始對(duì)氣泡輕質(zhì)土層含水量產(chǎn)生影響。 當(dāng)降雨持時(shí)分別為2、6、8、10 d 時(shí)， 降雨入滲至氣泡輕質(zhì)土層的深度分別約為0.1、1.0、1.45 和1.9 m，每2 天約入滲0.45 m。 由圖8 可知，邊坡安全系數(shù)則隨降雨持時(shí)的增加逐漸降低， 但降低速率逐漸減小，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值，且降低的幅度較小，以監(jiān)測點(diǎn)1為例，一共僅降低了4.48%。

圖9 不同降雨持時(shí)邊坡含水率變化云圖（雨強(qiáng)7.5 cm/d）

2.4.3 氣泡輕質(zhì)土滲透系數(shù)的影響

不同配比的氣泡輕質(zhì)土具有不同的滲透系數(shù)，為更加全面地研究泡沫輕質(zhì)土為其在工程中的應(yīng)用提供依據(jù)，控制雨強(qiáng)（7.5 cm/d）、降雨持時(shí)（10 d）等其他條件不變，分別取0.864、4.32、8.64、12.96 和17.28 cm/d 作為氣泡輕質(zhì)土的滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果顯示，滲透系數(shù)由0.864 cm/d 增加至17.28 cm/d時(shí)濕潤鋒深度分別增加了0.25、0.20、0.10 和0.08 m，可見降雨入滲深度隨著氣泡輕質(zhì)土滲透系數(shù)的增大而增加，但增大速度逐漸減小。 以監(jiān)測點(diǎn)1 為例，繪制不同滲透系數(shù)下監(jiān)測點(diǎn)處含水率及安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線分別如圖10、11 所示。

圖10 不同滲透系數(shù)下監(jiān)測點(diǎn)1 含水率變化

由圖10 可知， 氣泡輕質(zhì)土不同滲透系數(shù)下監(jiān)測點(diǎn)1 處含水率隨降雨持時(shí)的變化曲線可知，滲透系數(shù)越大監(jiān)測點(diǎn)含水率變化響應(yīng)時(shí)間越快，但響應(yīng)后含水率變化速度及變化幅度均越小，即最終趨于穩(wěn)定時(shí)的最大含水率越小。

由圖11 可知， 氣泡輕質(zhì)土滲透系數(shù)對(duì)邊坡安全系數(shù)影響較小，降雨持時(shí)相同的情況下，滲透系數(shù)增大安全系數(shù)略有增大。 各滲透系數(shù)下監(jiān)測點(diǎn)安全系數(shù)均隨著降雨持時(shí)的增加而降低，但降低到一定值時(shí)趨于穩(wěn)定，且滲透系數(shù)越大趨于穩(wěn)定時(shí)的安全系數(shù)也越大。

圖11 不同滲透系數(shù)下監(jiān)測點(diǎn)1 安全系數(shù)變化

3 結(jié)論

以福建省某道路的改擴(kuò)建工程為背景， 運(yùn)用Hydrus 2D/3D 軟件對(duì)降雨條件下氣泡輕質(zhì)土邊坡的滲流及穩(wěn)定問題進(jìn)行模擬分析，分別研究了不同降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)以及氣泡輕質(zhì)土滲透系數(shù)影響下氣泡輕質(zhì)土邊坡滲流及穩(wěn)定性變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）降雨持時(shí)（5 d）和滲透系數(shù)（8.64 cm/d）相同的情況下，隨著降雨強(qiáng)度的增加降雨入深的深度越深，當(dāng)雨強(qiáng)由17 mm/d 增大至36 mm/d 時(shí)，入滲深度增加明顯，但當(dāng)雨強(qiáng)繼續(xù)增大時(shí)，由于受到氣泡輕質(zhì)土滲透系數(shù)的限制， 濕潤鋒深度增加緩慢，降雨入滲速率趨于一個(gè)穩(wěn)定值；隨著降雨強(qiáng)度的增加邊坡安全系數(shù)則不斷減小， 但變化幅度較小，且減小的速率也逐漸趨于平緩。 以監(jiān)測點(diǎn)1 為例，從小雨增至中雨時(shí)監(jiān)測點(diǎn)安全系數(shù)降低了2.41%，而從暴雨增加至大暴雨時(shí)監(jiān)測點(diǎn)安全系數(shù)僅降低了0.02%。

（2）降雨強(qiáng)度（7.5 cm/d）和滲透系數(shù)（8.64 cm/d）相同的情況下，降雨入滲的深度隨著降雨持時(shí)的增加基本呈線性增加， 平均每2 天入滲深度增加0.45 m； 安全系數(shù)則隨著降雨持時(shí)的增加呈現(xiàn)小幅度的降低，且降低速率也不斷減小，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

（3）降雨強(qiáng)度（7.5 cm/d）相同的情況下，氣泡輕質(zhì)土滲透系數(shù)越大監(jiān)測點(diǎn)處含水率變化響應(yīng)越快，但響應(yīng)后含水率的變化速度及變化幅度均越小，即最終趨于穩(wěn)定時(shí)的最大含水率越小；各滲透系數(shù)下監(jiān)測點(diǎn)安全系數(shù)均隨著降雨持時(shí)的增加而降低，但降低到一定值時(shí)趨于穩(wěn)定，且滲透系數(shù)越大趨于穩(wěn)定時(shí)的安全系數(shù)也越大。 當(dāng)降雨持時(shí)也相同的情況下，則表現(xiàn)為降雨入滲的深度隨著氣泡輕質(zhì)土滲透系數(shù)的增大而增加，但增加的速度逐漸減小，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。