降雨条件下黄土路基湿度场变化规律研究

程 飞

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

山西省地处黄土高原，黄土覆盖面广，厚度大，沟壑纵横的地貌特征显著[1]。《山西省“十三五”综合交通运输体系规划》指出“十三五”期间，山西省将继续加大对高速公路等基础设施的投资建设力度，预计到2020年，实现规划的“三纵十二横十二环”高速公路网全部建成。而由于黄土土性较差，透水性强且遇水软化，使得黄土地区公路建设常出现不均匀沉陷、裂缝等工程病害，影响道路正常修建和运营。

降雨入渗对非饱和黄土路基变形及路基边坡稳定性影响较大，非饱和黄土在降雨条件下的入渗规律也得到了学术界广泛的关注[2-4]。为进一步探明降雨入渗条件下非饱和黄土路基中湿度场变化规律以及边坡失稳破坏模式，本文采用有限元软件Geostudio软件中的SIGMA/W和SEEP/W模块，对某黄土路堤进行计算分析，对降雨过程中路基中孔隙水压力、含水率、降雨影响深度以及边坡安全系数的变化情况进行研究。

1 降雨条件下非饱和入渗理论

非饱和黄土路基中的雨水入渗过程为饱和-非饱和渗流过程，如图1所示，其包含降雨强度控制入渗、非饱和入渗和饱和入渗3个阶段。降雨前期，由于表层土体含水率低，水势梯度较大，土壤入渗能力较强，此时降雨全部入渗至地下，此阶段为降雨强度控制入渗阶段（ 0＜t＜t1），地面尚未产生积水现象；随着表层土体含水率增大，水势梯度减小，土壤入渗能力下降，当土壤入渗能力小于降雨强度R0时，超出土壤入渗能力部分的降雨不能入渗，地表将出现积水，此阶段为非饱和入渗阶段（ t1＜t＜t2）；最终，地表土体完全饱和，土体入渗率减小至土体的饱和渗透系数 K0，进入稳定的饱和入渗阶段（ t＞t2）。其中，t1、t2时刻分别对应积水点和饱水点。

图1 分阶段降雨入渗过程曲线

降雨入渗条件下非饱和土中含水率的变化是随时间和空间动态变化的过程，1944年Coleman和Bodman[5]研究了雨水入渗过程中土壤含水率的垂直变化规律，如图2所示。垂直方向上土壤含水率的分布划分为以下4个区域：

a）饱和区 在外界水源补给下，近地表一定范围内土体含水率率先达到饱和含水率。

b）过渡区 此区域土体含水率随深度增加迅速降低。

c）传导区 此区域土体含水率基本保持不变，水势梯度极小。

d）湿润区 此区域位于降雨影响范围下端区域，土体含水率逐渐减小至初始含水率。湿润区的末端为湿润锋线，代表雨水入渗深度。

图2 土体含水率随深度变化曲线

2 数值计算模型

有限元数值计算模型和土体参数取值如图3所示，模型长58 m，高30 m，其中路堤高10 m，路堤边坡坡比为1∶1.5。模型底部为固定边界，两侧为法向约束边界。在进行渗流计算时，模型底部及两侧均设置为不透水边界，上边界设置为渗流边界，超出土体入渗能力部分的降雨将以地表径流形式流走。初始地下水位位于路堤下6 m处，水位以下为随深度线性增加的正孔隙水压力；水位以上为负孔隙水压力，即基质吸力，其中路面处基质吸力最大，为160 kPa。

图3 有限元数值计算模型

路基黄土服从Mohr-Coulomd理想弹塑性屈服准则，弹性模量为8 MPa，黏聚力为20 kPa，内摩擦角为15°，天然重度为19.8 kN/m3。非饱和黄土的土-水特征曲线和渗透性函数如图4和图5所示，其中，黄土的饱和体积含水率为51.8%，残余体积含水率为9%，饱和渗透系数为0.0108 m/h。降雨雨型采用等强型，降雨强度为110 mm/d，降雨持续5 d。

图4 非饱和黄土土-水特征曲线

图5 非饱和黄土渗透特性曲线

数值计算流程简述如下：

a）建立如图3所示的有限元数值计算模型，划分网格，设置土体参数及初始边界条件。

b）打开SIGMA/W模块，进行初始地应力平衡计算。

c）打开SEEP/W模块，调取地应力平衡计算结果文件，输入非饱和黄土土-水特征曲线函数、非饱和渗透系数函数以及其他相关渗流参数，设置顶面为渗流入渗边界，并进行非饱和渗流计算。

d）计算结束后，整理并分析计算结果。

3 计算结果分析

3.1 湿度场变化规律

路基土体中孔隙水压力和体积含水率分布随降雨历时的变化情况如图6～图8所示。

图6 降雨1 d后孔隙水压力和体积含水率分布

图7 降雨3 d后孔隙水压力和体积含水率分布

图8 降雨5 d后孔隙水压力和体积含水率分布

从图6～图8可以看出，降雨影响范围内土中孔隙水压力升高，体积含水率增大。近地表土中孔隙水压力和体积含水率等值线出现不同程度的环状分布，自上至下，孔隙水压力和体积含水率表现出高→低→高的分布形式。降雨持续一段时间后，近地表土体孔隙水压力趋于零，基质吸力显著减小，土体体积含水率接近饱和体积含水率。图9为降雨过程中路基中心降雨影响深度变化曲线，从中可以看出，降雨初期浸润锋线推进速度较快，之后以基本稳定的速度推进；降雨影响深度与降雨历时基本呈线性关系，持续5 d后雨水浸入深度为4.44 m。

图9 降雨过程中降雨影响深度变化

图10 降雨过程中路基不同位置处孔隙水压力变化

为研究降雨过程中路基不同位置竖直方向各点孔隙水压力变化情况，选取路面中心和边坡坡脚两个位置进行监测。图10为降雨过程中路基中心和坡脚处孔隙水压力沿深度分布变化。

可以看出，降雨1 d后路基中心处地表孔隙水压力便迅速由-156.91 kPa增加到-12.88 kPa，基质吸力减小了144.03 kPa，减小幅度达91.79%；此后，随着降雨过程的持续，地表孔隙水压力变化较小；降雨5 d后，地表孔隙水压力增大至-11.13 kPa，基本达到稳定渗流状态。坡脚位置在降雨1 d后地表空隙水压力由-58.84 kPa增大至-13.47 kPa，基质吸力减小了45.37 kPa，减小幅度77.11%；降雨5 d后，地表空隙水压力增大至-11.6 kPa，基本达到稳定渗流状态。

3.2 边坡安全系数

图11 降雨过程中路基边坡安全系数变化

图11为降雨前和降雨后路基边坡临界滑移面分布云图以及对应的边坡安全系数。从图中可以看出降雨前路基边坡安全系数为1.82，对应的临界滑移面位置较深；降雨结束后边坡安全系数显著降低，对应的临界滑移面位置较浅。结果表明，随着近地表土体含水率增加，基质吸力减小，非饱和土抗剪强度降低，边坡失稳破坏模式由潜在的深层滑移转变为浅层滑移。

4 结论

采用有限元软件对非饱和黄土路基在降雨入渗条件下的非饱和渗流过程进行了研究。数值计算结果表明：降雨入渗过程中，湿润锋线向路基深处推进，降雨影响范围逐渐增大，降雨影响区域内土体含水率增加，孔隙水压力增大。尤其是近地表非饱和土中含水率增加速度最快，基质吸力减小明显，并逐渐消失。路堤中孔隙水压力和体积含水率等值线出现不同程度的环状分布，自地表到坡体内部，孔隙水压力和体积含水率呈现高→低→高的分布形式。降雨影响深度与降雨历时基本呈线性关系，持续5 d后雨水浸入深度为4.44 m。受降雨入渗影响，路基边坡失稳破坏模式由潜在的深层滑移转变为浅层滑移。