降雨入渗对土质路堑边坡的稳定性影响分析

打开文本图片集

摘要：为了研究土质路堑边坡在降雨入渗条件下的稳定性，文章以广西桂三高速公路高架桥右侧某土质路堑边坡为研究对象，采用数值分析软件，建立相应的数值分析模型，描述了土质路堑边坡在降雨入渗条件下的渗流场演变规律，揭示了渗流作用下土质路堑边坡的稳定性变化规律。研究结果表明：降雨入渗条件下，边坡土体体积含水率随降雨入渗量的不断累积而逐渐增加;受渗流演变规律的影响，塑性区在边坡内部形成，并随降雨历时的增加，逐渐向边坡内部拓展;研究历时内，边坡安全系数从1.56减小到了1.12，边坡的稳定性受降雨影响较大。

关键词：降雨入渗;路堑边坡;渗流作用;稳定性

中图分类号：U416.1⁺4 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.017

文章编号：1673-4874（2019）10-0058-03

0引言

在道路建设过程中，受路线整体规划的要求，常常会对原有土基进行开挖，形成大量的土质路堑边坡工程。在降雨入渗条件下，该类边坡土体强度会逐渐劣化，导致边坡失稳事件时有发生。目前国内外学者针对土质路堑边坡的稳定性已经进行了相关研究：张涟英等在对依托工程进行现场调研的基础上，提出了红黏土边坡的稳定性计算方法，并利用该方法对红黏土边坡进行了稳定性计算;张坤等对黄土路堑边坡土体的水热变化规律进行了监测，根据监测结果，分析了干湿循环和冻融循环条件下路堑边坡内的体积含水率及温度变化规律;乔翔根据典型的高路堑边坡失稳案例，分析了诱发高路堑边坡发生滑坡破坏的影响因素，并提出了相应的加固方案;侯志峰等以典型的黄土路堑边坡为研究对象，采用数值软件，对黄土路堑边坡进行了数值模拟，揭示了黄土路堑边坡的变形演变规律。从上述研究中可以看出，目前关于路堑边坡稳定性的研究主要集中在稳定性计算及加固技术这两个方面，较少有学者从渗流演变角度出发，考虑降雨入渗对土质路堑边坡稳定性的影响。

鉴于此，本文针对目前国内外关于降雨入渗条件下土质路堑边坡稳定性影响研究的不足，以广西桂三高速公路高架桥右侧某土质路堑边坡为研究对象，采用Geo-studio软件，建立相应的数值分析模型，通过数值模拟土质路堑边坡在降雨入渗条件下的孔隙水压力、体积含水率等渗流演变特征，揭示降雨入渗对土质路堑边坡的稳定性影响机制，为工程实践提供理论参考。

1土质路堑边坡降雨入渗机理及稳定性分析理论

1.1渗流边界

雨水在土质路堑边坡表面入渗的情况如图1所示。根据图1所示的雨水入渗特性，可将渗流边界条件分为3种。

第一种边界条件又称作水头边界条件。通过在边界上指定水头分布，在降雨强度大于土体渗透系数时，雨水在边坡表面入渗的条件为第一种边界条件，如图1中BC段中B对应的阶段所示，具体表达式为：

h"=H₁（x，y，z，t） （1）

第二种边界条件又称为流量边界条件。该情况下，当降雨强度小于土体渗透系数，对应于图1中的A阶段，具体表达式为：

式中：q——一流过边界单位面积上的流量，等同于v_n;l_x、l_y、l_z。指外法线n与坐标之间的方向余弦。

第三种边界条件又称为混合边界条件。该情况下，土质路堑边坡表面水头差与边坡内部交换的流量呈函数关系，雨水在边坡表面产生径流。如图1中BC段中C对应于该阶段，其中线D则表示了土体的入渗能力。具体表达式为：

式中：α——正常数，α与β均是此种边界中各点的已知数。

1.2 非饱和抗剪强度理论

土质路堑边坡的非饱和抗剪强度计算方法采用双应力变量（υ-μ_a，μ_a-μ_w）理论基础上发展而来的非饱和抗剪强度公式：

τ_f=c+（σ-μ_a）tan_ψ+（μ_a-μ_w）tan_ψ^b （5）式中：μ_a——粗粒土土体的进气值，由于考虑边坡孔隙与大气相连μ_a=0;

ψ^b——基质吸力对内摩擦角的贡献，按经验取值ψ^b=14°;

μ_w——孔隙水压力。

2 土质路堑边坡计算参数及数值模型

2.1计算参数

本文计算的土质路堑边坡位于广西桂三高速公路高架桥右側。对路堑边坡进行现场取样，在室内进行变水头渗透试验，测得边坡土体渗透系数为：1.35×10^-7cm/s;通过直剪试验测得土样的粘聚力为27kPa，内摩擦角为21°。此外，参考相关文献，确定土样的物理力学参数如表1所示。

根据当地历年降雨情况，考虑本文主要研究渗流影响下的路堑边坡稳定性，选取本次数值模拟的降雨强度为9.1×10^-4mm/S.降雨時长为24h。通过室内试验可得土样饱和体积含水率和残余体积含水率分别为0.18、0.10，在Geosudio软件的seep模块中，利用Von Genuchten模型对土样的土水特征曲线进行拟合，如图2和图3所示。

2.2 数值计算模型的建立

根据现场裯研资料可知，土质路堑边坡总高度达20m，分两级开挖，第一级边坡坡比为：1：1.75，第二级边坡坡比为1：1.5。为了分析降雨入渗条件下土质路堑边坡的渗流演变规律，选取了两个监测截面。模型边界设定为：边坡表面及坡顶设定为降雨边界，模型底部及两側边界设定为不透水边界。见图4。

3数值模拟结果

本算例采用摩尔库伦模型，在降雨入渗条件下对土质路堑边坡的渗流特性进行计算，降雨24h时边坡监测截面1和截面2的体积含水率变化规律如图5所示。

从图5中可以看出：在截面1处，高程在19-20m内，体积含水率基本达到饱和状态，高程在13-19m内体积含水率随高程的减小而逐渐减小;在截面2处，高程在30-28m内，体积含水率基本达到饱和状态，高程在13-28m内，体积含水率随高程的减小而逐渐减小。高程在5-10m内，两个监测截面体积含水率随高程减小而逐渐增加;高程在0-5m内，两个监测截面体积含水率维持在饱和状态。这主要是因为在高程5m处，土质路堑边坡内存在地下水位，因此，高程5m内的体积含水率基本都维持在饱和状态，受地下水位的影响，地下水位以上的土体在基质吸力的作用下，对地下水具有毛细作用。因此，在一定高程内，土体体积含水率随高程的增加逐渐减小;受降雨入渗的影响，边坡表面土体基本达到饱和状态，下部土体受入渗雨水的影响，体积含水率也有所增加。

将数值模拟的渗流特性通过FiSh语言导入到FLAC3D软件中，计算得到的土质路堑边坡的塑性区如图6昕示.

从图6中可以看出：降雨入渗条件下，雨水在路堑边坡内部渗流，使得边坡内部出现塑性区，随着降雨历时的增加，塑性区面积逐渐增大，在第一边坡坡脚处的塑性区面积也逐渐向边坡内部拓展，直至形成贯通区，导致不能再繼续承受外部荷载或自重力，最终出现沿塑性区发育的失稳现象。

运用强度折减法计算的边坡安全系数变化规律如图7所示。

从图7中可以看出：土质路堑边坡在降雨入渗条件下，安全系数从最初的1.56减小到了1.12，减小了28%，平均每小时减小0.018。可见，在降雨入渗作用下，雨水从路堑边坡表面入渗后，在边坡内部进行渗流，形成渗流场。随着降雨入渗量的不断累积，渗流场逐渐向边坡内部演变，体积含水率逐渐增加，土体抗剪强度逐渐降低，导致路堑边坡的整体稳定性逐渐降低。

4 结语

本文从渗流演变的角度，深入分析了土质路堑边坡在降雨入渗条件下的渗流特性，根据渗流演变规律，采用数值软件，对渗流影响下的土质路堑边坡的稳定性进行了计算，揭示了土质路堑边坡在降雨入渗条件下的稳定性变化规律，得到以下主要结论：

（1）降雨入渗条件下，边坡表面土体体积含水率随降雨入渗量的不断累积而逐渐增加至饱和状态，边坡内部土体体积含水率受渗流场演变规律的影响。

（2）受渗流演变规律的影响，塑性区在边坡内部形成，并随降雨历时的增加，塑性区面积逐渐扩展，直至贯通。

（3）土质路堑边坡在降雨入渗条件下，安全系数随降雨历时的增加而逐渐减小。