不同降雨條件下路基邊坡穩(wěn)定性及防治措施分析

■王晨韜 宋文凱

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，烏魯木齊 830006）

路基邊坡的穩(wěn)定性是保障交通安全和基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素，在降雨條件下，路基邊坡的穩(wěn)定性常會(huì)受到不同程度的影響[1-3]。 因此，對不同降雨條件下路基邊坡穩(wěn)定性的分析研究具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。 目前，國內(nèi)外學(xué)者已對降雨條件下的路基邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究，這些研究主要集中在降雨對土壤水文特性的影響、降雨對土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響，以及降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬等方面[4-6]。 然而，現(xiàn)有的研究仍存在一些不足，主要表現(xiàn)為大部分研究集中在某一特定類型的降雨或某一特定地區(qū)的降雨，而忽略了不同降雨類型、不同強(qiáng)度和不同地區(qū)降雨的差異性對路基邊坡穩(wěn)定性的影響[7-8]。 基于此，本文通過數(shù)值模擬的方法，深入分析不同降雨條件下路基邊坡的穩(wěn)定性，并重點(diǎn)探討不同降雨類型和降雨強(qiáng)度對路基邊坡安全系數(shù)的影響，研究結(jié)果可為路基邊坡防護(hù)的設(shè)計(jì)和施工提供重要的依據(jù)，同時(shí)也有助于提高道路的安全性和使用壽命。

1 工程概況

某路基邊坡位于華南地區(qū)，以D18+116.6 斷面為研究對象，路基頂部寬度10 m，邊坡坡度1∶1.75，填土高度10 m，采用數(shù)值模擬的手段分析降雨對路基邊坡穩(wěn)定性的影響。 現(xiàn)有的研究表明[4]，根據(jù)邊坡安全系數(shù)來判斷邊坡的穩(wěn)定性最為直接、方便和可靠，表1 給出適合小型邊坡的邊坡穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)。

表1 邊坡穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

采用大型有限元軟件Geostudio 進(jìn)行建模分析，考慮到路基模型的沿道路中軸線左右對稱，本文以右半幅路基進(jìn)行分析，如圖1 所示。 模型頂部寬度5.0 m，整體寬度24 m，模型高度10 m，路基邊坡坡率1∶1.75。模型除上邊界外，其他邊界均設(shè)置為不滲透邊界，邊坡上部設(shè)置為降雨入滲邊界。

圖1 數(shù)值模型圖

2.2 參數(shù)賦值

由于路基壓實(shí)度與土的滲透性密切相關(guān)，本節(jié)分別取路基壓實(shí)度為85%、90%和95%進(jìn)行研究分析。 表2 給出了路基邊坡土體在壓實(shí)度分別為85%、90%和95%時(shí)的物理力學(xué)參數(shù)。

表2 土體的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 工況設(shè)置

研究設(shè)置5 種工況，其中工況1～3 降雨類型均為均勻型降雨，降雨強(qiáng)度不同，分別為50 mm/d、100 mm/d 和150 mm/d；工況2 和工況4、5 降雨強(qiáng)度均為100 mm/d，但降雨類型不同，分別為均勻型降雨、后強(qiáng)型降雨、前強(qiáng)型降雨，如表3 所示。

表3 工況設(shè)置

3 降雨條件下路基邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 降雨對路基邊坡安全系數(shù)的影響

為探究不同降雨強(qiáng)度對路基邊坡安全系數(shù)的變化影響，圖2 給出了不同降雨強(qiáng)度下的路基邊坡安全系數(shù)變化曲線。 由圖可知，路基邊坡的安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而減小，且相同降雨強(qiáng)度下，路基壓實(shí)度越大，其安全系數(shù)越高。 具體分析可知，當(dāng)壓實(shí)度為95%時(shí)，降雨強(qiáng)度由50 mm/d 提高至100 mm/d 和150 mm/d 時(shí)，路基邊坡安全系數(shù)依次減小了8.5%和14.0%；當(dāng)壓實(shí)度為90%時(shí)，降雨強(qiáng)度由50 mm/d 提高至100 mm/d 和150 mm/d 時(shí)，路基邊坡安全系數(shù)依次減小了8.4%和28.2%；當(dāng)壓實(shí)度為85%時(shí)，降雨強(qiáng)度由50 mm/d 提高至100 mm/d和150 mm/d 時(shí)， 路基邊坡安全系數(shù)依次減小了25.7%和42.6%。 由此可知，相同降雨強(qiáng)度下，邊坡安全系數(shù)隨路基壓實(shí)度的減小而減小，降雨強(qiáng)度變化對壓實(shí)度較低的路基邊坡穩(wěn)定性的不利影響更大。

圖2 不同降雨強(qiáng)度下的路基邊坡安全系數(shù)變化曲線

為了探究不同降雨類型對路基邊坡安全系數(shù)的變化影響，圖3 給出了不同降雨類型下的路基邊坡安全系數(shù)變化曲線。 由圖可知，相同降雨強(qiáng)度下，“前強(qiáng)型降雨”類型路基邊坡安全系數(shù)最大，其次是“均勻型降雨”，最小的是“后強(qiáng)型降雨”，且相同降雨類型下，路基壓實(shí)度越大，其安全系數(shù)越高。 此外，當(dāng)壓實(shí)度為95%、90%和85%時(shí)，3 種工況下路基邊坡安全系數(shù)最大差值分別為0.05、0.29 和0.30，即路基邊坡壓實(shí)度越小，不同降雨類型給路基邊坡穩(wěn)定性帶來的不利影響就越大。

圖3 不同降雨類型下的路基邊坡安全系數(shù)變化曲線

3.2 降雨對路基邊坡臨界滑移面分析

為了更直觀地分析降雨作用對路基邊坡穩(wěn)定性的影響， 通過將邊坡強(qiáng)度參數(shù)導(dǎo)入Geostudio 軟件中的Slope/W 極限平衡模塊，獲得不同工況下的邊坡臨界滑移面。

3.2.1 不同降雨強(qiáng)度產(chǎn)生的影響

圖4 為壓實(shí)度為85%、90%和95%時(shí)路基邊坡在不同降雨強(qiáng)度下的臨界滑移面圖。 由圖4（a）和（b）可知，當(dāng)壓實(shí)度為95%和90%時(shí)，3 種工況下的路基邊坡均為穩(wěn)定狀態(tài)，且隨著降雨強(qiáng)度的增大，邊坡安全系數(shù)不斷減小，臨界滑移面由平緩逐漸變得陡峭。 此外，3 種工況的臨界滑移面出口基本重合，但相比于壓實(shí)度為95%時(shí)，壓實(shí)度為90%時(shí)路基邊坡臨界滑移面出口離坡腳距離變近。由圖4（c）可知，當(dāng)壓實(shí)度為85%時(shí)，隨著降雨強(qiáng)度的增大，邊坡安全系數(shù)不斷減小，臨界滑移面由平緩變得陡峭，此時(shí)工況1、工況2 和工況3 的路基邊坡分別為穩(wěn)定狀態(tài)、欠穩(wěn)狀態(tài)和失穩(wěn)狀態(tài)。 此外，工況1 的臨界滑移面出口接近坡腳，工況2 和工況3 的臨界滑移面出口上移出現(xiàn)在邊坡坡面上。

圖4 路基邊坡在不同降雨強(qiáng)度下的臨界滑移面

綜上可知，降雨強(qiáng)度對路基邊坡穩(wěn)定性具有重要的影響，當(dāng)壓實(shí)度為95%時(shí)，降雨強(qiáng)度增大對路基邊坡穩(wěn)定性影響相對較小；當(dāng)壓實(shí)度為90%時(shí)，降雨強(qiáng)度增大對路基邊坡穩(wěn)定性影響程度增大；當(dāng)壓實(shí)度為85%時(shí)，隨著降雨強(qiáng)度的增大，路基邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展為欠穩(wěn)狀態(tài)， 并最終處于失穩(wěn)狀態(tài)。

3.2.2 不同降雨類型產(chǎn)生的影響

圖5 為壓實(shí)度為85%、90%和95%時(shí)路基邊坡在不同降雨類型下的臨界滑移面圖。 由圖5 （a）可知，當(dāng)壓實(shí)度為95%時(shí)，3 種工況下的路基邊坡均為穩(wěn)定狀態(tài)，臨界滑移面差異不大，三者中“前強(qiáng)型降雨”類型路基邊坡安全系數(shù)最大，臨界滑移面也最為平緩；由圖5（b）可知，當(dāng)壓實(shí)度為90%時(shí)，“前強(qiáng)型降雨”和“均勻型降雨”類型路基邊坡均為穩(wěn)定狀態(tài)，“后強(qiáng)型降雨”類型路基的臨界滑移面出口位于坡面上，邊坡發(fā)生失穩(wěn)；由圖5（c）可知，當(dāng)壓實(shí)度為85%時(shí)，“前強(qiáng)型降雨” 類型路基邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)，“均勻型降雨” 類型路基邊坡為欠穩(wěn)狀態(tài)，“后強(qiáng)型降雨”類型路基邊坡為失穩(wěn)狀態(tài)，三者路基的臨界滑移面出口均位于坡面上。

圖5 路基邊坡在不同降雨類型下的臨界滑移面

綜上可知，不同降雨類型對路基邊坡穩(wěn)定性具有重要的影響， 在相同降雨量下，“后強(qiáng)型降雨”類型會(huì)導(dǎo)致更低的邊坡安全系數(shù)，且當(dāng)臨界滑移面出口位于坡面上時(shí)邊坡易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

4 降雨影響機(jī)理及防治措施分析

4.1 降雨對土壤特性的影響

降雨對土壤特性的影響主要表現(xiàn)在2 個(gè)方面：一是改變土壤含水量，二是影響土壤強(qiáng)度。 對于前者，降雨會(huì)使得土壤含水量增加，特別是當(dāng)土壤以黏土為主時(shí)，含水量的增加會(huì)導(dǎo)致土壤顆粒間的連接被削弱，產(chǎn)生流滑現(xiàn)象。 對于后者，降雨會(huì)使土壤的抗剪強(qiáng)度降低，主要是由于水會(huì)填充土壤顆粒間的空隙，使土壤顆間的摩擦力減小。

4.2 降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響

降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）改變地下水位。 降雨會(huì)導(dǎo)致地下水位上升，增加土壤的水壓力，使得邊坡的下滑力增加，從而降低邊坡的穩(wěn)定性。（2）滑坡。降雨會(huì)改變土壤的濕度和強(qiáng)度，使得一部分土壤在重力和水壓力的作用下沿著坡面滑動(dòng)，導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。 （3）侵蝕作用。 持續(xù)的降雨會(huì)產(chǎn)生徑流，對邊坡進(jìn)行沖刷和侵蝕，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

4.3 減輕降雨影響的防治措施

為了減輕降雨對路基邊坡穩(wěn)定性的影響，可以采取以下防治措施：（1）修建排水設(shè)施。 如排水溝或排水管，以防止地下水位上升和減少水對土壤的影響。（2）改變邊坡幾何形狀。通過改變邊坡的幾何形狀，可以增加邊坡的穩(wěn)定性。 （3）增加支撐物。 通過增加支撐物， 如鋼筋混凝土樁或預(yù)應(yīng)力錨索等，可以提高邊坡的穩(wěn)定性。（4）植被恢復(fù)。通過在邊坡上種植植被，可以防止水流的直接沖刷，并提高邊坡的穩(wěn)定性。（5）加強(qiáng)監(jiān)測和維護(hù)。定期對邊坡進(jìn)行監(jiān)測和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理可能存在的問題。

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法，深入分析了不同降雨條件下路基邊坡的穩(wěn)定性，著重探討了不同降雨類型和降雨強(qiáng)度對路基邊坡安全系數(shù)的影響，得到以下結(jié)論：（1）降雨條件下，邊坡安全系數(shù)隨路基壓實(shí)度的減小而減小，降雨強(qiáng)度變化對壓實(shí)度較低的路基邊坡穩(wěn)定性的不利影響更大；（2）相同降雨強(qiáng)度下，“前強(qiáng)型降雨” 類型路基邊坡安全系數(shù)最大，其次是“均勻型降雨”，最小的是“后強(qiáng)型降雨”，且路基壓實(shí)度越大，其安全系數(shù)越高；在相同降雨量下，“后強(qiáng)型降雨” 類型會(huì)導(dǎo)致更低的邊坡安全系數(shù)，且當(dāng)臨界滑移面出口位于坡面上時(shí)邊坡易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；（3）降雨類型變化和壓實(shí)度不足是導(dǎo)致路基邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)的重要原因，施工過程中應(yīng)加以控制；（4）通過修建排水設(shè)施、改變邊坡幾何形狀、增加支撐物、植被恢復(fù)、加強(qiáng)監(jiān)測和維護(hù)等手段可以有效防止路基邊坡發(fā)生失穩(wěn)。