降雨入滲作用下帶裂縫公路路塹邊坡穩定性研究

為分析降雨條件下公路路塹邊坡的穩定性，文章依托某路塹邊坡工程，利用有限元法建立正常、帶裂縫無降雨、降雨+裂縫等三種工況的邊坡穩定性數值分析模型，從位移、最大剪切應變增量（滑動面）及邊坡安全系數等方面描述公路路塹邊坡穩定性。結果表明：由位移分析出邊坡穩定性排序為正常＞干燥裂縫＞裂縫+降雨，邊坡整體水平向左滑動，坡頂、裂縫為沉降位移而坡腳為隆起；裂縫頂端、底端水平與豎向位移均隨降雨持續而增加，降雨入滲效應使裂縫水平擴展及內部發展；正常邊坡滑動面較寬且應變增量較小，帶裂縫邊坡滑動面減小且與裂縫交匯處突變，上部滑動面軌跡與裂縫重合，降雨影響下邊坡滑動面相較于干燥裂縫有所變化；正常、帶裂縫、降雨+裂縫等工況邊坡安全系數依次下降且對降雨因素更為敏感；裂縫、降雨均導致邊坡安全系數降低，預測暴雨34 h后依托工程的邊坡將失穩，應于降雨34 h前采取加固措施進行干預。

降雨入滲；邊坡穩定；路基邊坡；裂縫發育；數值仿真

U416.1+4A150494

作者簡介：

朱成勝（1992—），工程師，主要從事高速公路施工、運營管理工作。

0" 引言

公路土質邊坡裂縫發育現象屢見不鮮，在各種不利因素影響下，裂縫數量及深度迅速發展，例如地震、地下水、降雨等自然因素。若不采取人工干預措施，邊坡安全系數會隨時間逐漸下降，低于界限值后將發生失穩破壞，比如滑坡、塌方等工程災害［1］。除了人為施工等不利因素，自然降雨對邊坡耐久性及穩定性有著明顯影響。部分學者認為邊坡裂縫形成有助于地表水、地下水排出，使得邊坡穩定；部分學者認為降雨會改變土體含水率等性質，導致邊坡應力狀態瞬時變化，結合裂縫發育將加速邊坡失穩［2］。

降雨或裂縫影響下的邊坡穩定性分析方法主要包含數值模擬、室外觀測與室內模擬。梁承龍等［3］引入豎直張拉裂縫，建立能量方程求解邊坡穩定系數并探究非均質、各向異性對裂縫邊坡穩定性的影響規律；李晨等［4］發現邊坡裂縫發育嚴重影響邊坡穩定性，裂縫可視為降雨排水通道，其土體性質近似砂；宋欣玲等［5］建立有限元數值模型探究裂縫部位、角度對降雨過程中的邊坡穩定性的影響；王磊等［6］討論連續降雨條件下黃土陡坡滲流、位移與安全系數的變化規律，并使用創新“隔離槽技術”對降雨邊界進行優化；吳加紅等［7］對開挖與降雨雙重作用下邊坡穩定性展開研究，分析出應力、滲流場分布特征以及安全系數演變規律；張碩等［8］對降雨條件下坡體基質吸力、含水率、水壓力、浸潤線與位移進行動態響應監測，建立室內模型試驗對裂縫發育與邊坡破壞類型進行探究。基于某公路路塹邊坡存在一條豎向深裂縫的背景，本文探究不同降雨歷時下帶裂縫邊坡的穩定性，對比正常、帶裂縫無降雨及降雨+裂縫等工況下的位移、最大剪切應變（滑動面）及邊坡安全系數，用以評價邊坡穩定性。

1" 邊坡概況

某公路路塹邊坡為三層土質邊坡，邊坡高度為10 m，坡率1∶1，具體邊坡尺寸以及土層物理力學參數見圖1。區域雨水量充足，土層形成較多裂縫，在公路運營使用階段經監測發現邊坡存在一條較為發育的豎向張拉裂縫，因此需對邊坡穩定性進行驗算，并判斷出降雨影響下邊坡是否失穩。邊坡區域較為常見降雨類型為暴雨，其日降雨量為0.10 m/d。

2" 建立邊坡二維數值模型

力學邊界：左邊界、右邊界、下邊界均為法向位移限制，正常工況下上邊界自由；滲流邊界：降雨入滲工況（暴雨12 h）上邊界需添加曲面流量、初始水位與飽和水位，并設置非飽和特性函數；在Midas GTS NX軟件中利用析取命令定義裂縫，豎向裂縫深度為5 m，土層、裂縫分別采取M-C、界面模型，網格劃分見下頁圖2。曲面流量分布于模型上表面，初始水位距底部5 m，飽和水位設置為整個模型飽和，非飽和特性函數取值見下頁表1。

3" 公路路塹邊坡穩定性分析

運用數值模擬手段對邊坡穩定性進行求解，常利用強度折減方法求解邊坡安全系數，其分析方法采用SRM。本文建立正常、帶裂縫未降雨、降雨+裂縫等三種

工況，從位移變形、滑動面以及邊坡安全系數等角度對邊坡穩定性展開分析。正常工況條件下未考慮裂縫與降雨影響，裂縫工況未考慮降雨影響，而降雨工況下考慮了裂縫影響，三種工況層層遞減，設置較為合理。

降雨入滲作用下帶裂縫公路路塹邊坡穩定性研究/朱成勝

3.1" 公路路塹邊坡位移分析

邊坡位移變形可以直觀觀察，豎向以及水平位移均能較好反映出邊坡實際變形狀態，一旦超過允許變形值，應采取適當措施進行加固，防止邊坡產生裂縫甚至形成塌方等工程事故。本節分析了正常、帶裂縫、降雨工況下的水平位移以及豎向位移，對比不同條件下邊坡位移特征，評價其邊坡穩定性。

通過圖3邊坡位移分布云圖可以分析得出：

（1）正常、裂縫、裂縫+降雨等三種工況條件下，水平位移峰值均發生于坡腳附近，三者水平位移峰值分別為1.7 mm、3.8 mm、4.5 mm；豎向位移峰值分布特征有所不同，正常工況下豎向位移峰值位于坡頂附近，而裂縫、裂縫+降雨等兩種工況下豎向位移峰值發生于裂縫所處位置，三者豎向位移峰值分別為0.9 mm、4.5 mm、4.9 mm；從水平位移以及豎向位移分析評價穩定性排序為正常工況＞裂縫工況＞裂縫+降雨工況。

（2）不同工況下的水平位移分布均展現出左方滑動的發展趨勢，而豎向位移則表現為兩種分布特征，坡頂以及裂縫處豎向位移為沉降趨勢而坡腳處則表現出隆起趨勢，坡腳處豎直向上發生變形易造成土體開裂，三者豎向隆起峰值分別為0.6 mm、0.3 mm、0.6 mm，由于土體抗拉性質很差，因此應注意坡腳處的土體開裂穩定性。

以上討論了三種工況的水平以及豎向位移整體分布特征，邊坡施工或使用階段的穩定性變化過程為：正常、開裂、加劇開裂、塌方或滑坡，因此提取不同工況模型中裂縫處的水平和豎向位移數據，對正常、開裂、降雨歷時

裂縫發展等條件下位移變化規律進行探究，裂縫處位移時程曲線見圖4。

分析圖4的邊坡裂縫頂端與底端水平及豎向位移隨降雨時間的變化規律，可以得出下列觀點：

（1）針對裂縫頂端以及底端的水平位移進行分析。裂縫頂端、底端處的水平位移均隨降雨時間累積而逐漸增加，且表現為水平向左發展趨勢，干燥條件下的裂縫頂端與底端水平位移分別為1.1 mm、1.5 mm，隨降雨時間的累積，降雨12 h后的裂縫頂端與底端水平位移增大至1.3 mm、1.7 mm，這也驗證了降雨因素會導致裂縫水平方向擴展，使得邊坡穩定性受降雨影響較為明顯。

（2）針對裂縫頂端以及底端的豎向位移進行分析。裂縫頂端、底端的豎向位移變化趨勢與水平位移相同，表現為沉降趨勢，干燥條件下的裂縫頂端與底端豎向位移分別為4.4 mm、3.8 mm，降雨12 h后的豎向位移分別增大至4.8 mm、4.1 mm，說明了降雨入滲會導致裂縫向邊坡內部深度發展，豎向裂縫長度將隨降雨時間增加而增加。

3.2" 公路路塹邊坡滑動面分析

在數值模擬當中的最大剪切應變增量云圖可明顯看出邊坡的潛在滑動趨勢面，形成邊坡滑動面的因素主要體現在土體強度差異、地下水等，于多種因素組合情況下邊坡發生裂縫且逐漸發展，滑動面將隨著變化，因此觀察邊坡應變模擬計算前后變化量對于判定邊坡穩定性至關重要。

圖5為正常、裂縫、降雨入滲+裂縫工況下的滑動面云圖，分析正常、裂縫、降雨+裂縫等工況下的路塹邊坡滑動面（剪切應變增量）。正常工況的邊坡滑動面范圍較寬，說明邊坡應變增量呈現整體增加趨勢但數值處于較

低水平；帶裂縫工況的邊坡由于裂縫的存在與發展，滑動面分布范圍減小且變得更加集中，滑動面與裂縫交匯處發生突變，裂縫下方滑動趨勢與實際滑動面保持一致，而與裂縫交匯處滑動區與實際滑動面有所不同，上方滑動面于實際中應與豎向裂縫發展趨勢一致；裂縫+降雨工況的邊坡受到降雨入滲的影響，地下水位上升導致土體含水率上升，土體性質變差，滑動面與裂縫相較于干燥裂縫工況有所變化，應變峰值從干燥裂縫狀態的2.34×10-3增加至2.76×10-3，說明了隨降雨入滲效應逐漸加劇，邊坡最大剪切應變會逐步增大，導致邊坡穩定性降低。

3.3" 公路路塹邊坡安全系數分析

數值模擬中采用強度折減法迭代計算得出邊坡安全系數，邊坡安全系數作為評價邊坡穩定性的重要指標，在邊坡相關研究分析中是必須分析的選項。而邊坡安全系數采用的強度折減法，是通過逐步劣化土體物理性質的一種理論算法，邊坡若受到裂縫發育、地震以及降雨等影響，其土體性質將加速劣化，進而導致土體粘聚力等指標降低，數值模擬計算得出邊坡安全系數減小［9］。受裂縫以及降雨入滲的影響，路塹邊坡可由穩定狀態轉變為失穩狀態，因此探究正常、帶裂縫、裂縫+降雨等三種工況的邊坡安全系數變化規律是十分有必要的，據公路邊坡規范得出一級公路于降雨工況的邊坡安全系數為1.20，當邊坡安全系數＜1.2時，說明邊坡失穩［10］。不同工況下的邊坡安全系數變化見圖6（a），對降雨歷時下帶裂縫邊坡的安全系數進行擬合分析，預測出降雨強度0.10 m/d條件下邊坡出現失穩時的降雨歷時，擬合曲線見圖6（b）。

對圖6邊坡安全系數變化規律以及降雨時程變化擬合曲線進行分析，總結得出下列觀點：

（1）從圖6（a）可知，正常、帶裂縫、降雨+裂縫等工況的邊坡安全系數依次下降，正常狀態下的邊坡安全系數為1.93，而帶裂縫邊坡在降雨12 h后安全系數下降至1.33，正常至帶裂縫工況的邊坡安全系數下降程度相較于降雨入滲工況緩慢，減小量分別為0.15、0.45，降雨因素對邊坡安全系數的影響更敏感且易誘發裂縫發育；從邊坡安全系數界限值1.2判斷出降雨12 h后的邊坡仍處于穩定狀態，如降雨時間延續，應持續對邊坡安全系數進行監測計算，確保邊坡穩定。

（2）分析圖6（b）中降雨入滲影響下邊坡安全系數時程擬合曲線可知，裂縫與降雨均會導致邊坡安全系數降低，邊坡安全系數隨降雨時間持續而逐漸降低且降低速率逐步減小，于降雨入滲數值模型中按計算工作步提取降雨間隔1 h的邊坡安全系數，并將其進行對數函數擬合分析，相關性指標為0.97說明擬合程度較好；將邊坡安全系數限制值1.2代入擬合方程中，求解得出降雨34 h后邊坡安全系數下降至1.196，說明降雨34 h后，帶裂縫邊坡將失去穩定，若想邊坡保持持續穩定，應于暴雨34 h前進行干預措施。

4" 結語

以某公路路塹邊坡為實際工程背景，采用Midas GTS NX軟件建立正常、帶裂縫無降雨、降雨+裂縫三種數值仿真模型，分析不同工況下的公路路塹邊坡水平與豎向位移、滑動面（最大剪切應變增量）、邊坡安全系數等分布特征，綜合評價判斷邊坡穩定性，總結歸納得出以下觀點：

（1）正常、裂縫、裂縫+降雨等工況的水平位移峰值位于坡腳附近，正常工況的豎向位移峰值位于坡頂附近，裂縫、裂縫+降雨等工況的豎向位移峰值處于裂縫處，由水平及豎向位移角度判斷出邊坡穩定性排序為正常gt;干燥裂縫gt;裂縫+降雨；不同工況的水平位移均為左方滑動趨勢，坡頂、裂縫處豎向位移為沉降趨勢，坡腳為隆起趨勢，應注意坡腳土體開裂穩定性。

（2）裂縫頂端、底端處水平位移均隨降雨持續而增加且水平向左發展，說明降雨會導致裂縫水平擴展；裂縫頂端、底端處豎向位移變化趨勢與水平位移一致且為沉降趨勢，說明降雨入滲會促進裂縫向邊坡土體內部發展，豎向裂縫長度將隨降雨持續而增加。

（3）正常邊坡滑動面范圍較寬，剪切應變增量較小；裂縫工況邊坡滑動面范圍減小且更加集中，滑動面與裂縫交匯處突變，裂縫下方滑動與實際滑動面一致，而裂縫交匯處有所不同；帶裂縫邊坡受降雨影響，滑動面相較于干燥裂縫有所變化，說明降雨入滲效應加劇將導致邊坡穩定性降低。

（4）正常、帶裂縫、降雨+裂縫等工況的邊坡安全系數依次下降，邊坡安全系數對降雨因素更為敏感；降雨12 h后邊坡仍處于穩定，若降雨延續應持續對邊坡安全系數進行監測計算；裂縫與降雨均會導致邊坡安全系數降低，利用對數函數對降雨影響下邊坡安全系數進行擬合，預測得出降雨34 h后邊坡安全系數將＜1.2且邊坡將失穩，邊坡持續穩定應于暴雨34 h前進行干預。

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［5］宋欣玲，陳文蛟.降雨條件下含裂縫岸坡滲流穩定特性研究［J］.河南水利與南水北調，2022，51（3）：71-73.

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［9］李向群，張嘯天.基于有限元強度折減法加固邊坡穩定性分析［J］.吉林建筑大學學報，2023，40（1）：31-35.

［10］JTG D30-2015，公路路基設計規范［S］.

20240312