降雨条件下路堑高边坡的渗流应力响应分析

2018-06-07蔡唐涛

筑路机械与施工机械化 2018年4期

蔡唐涛

（中交第四公路工程局有限公司，北京 100022）

0 引言

降雨是引起边坡失稳进而发生滑坡的主要因素之一。降雨过大会导致边坡坡脚及局部迅速形成暂态饱和区，而土体中渗入的雨水也会迅速到达地下水位，如果降雨持续时间较长，则边坡可能被满灌而失稳［1－4］。降雨较小时，一方面降雨入渗使得土体含水量增加，增大了滑移面上土体的剪切力；另一方面，降雨将改变边坡的力学性能，降低土体的抗剪强度。因此，研究不同程度的降雨情况对边坡的稳定性影响尤为重要。

国内外学者对此开展了大量研究，如林鸿州等［5］通过试验揭示了降雨入渗对边坡稳定性的作用机制，提出降雨强度和累计降雨相结合的雨量预警参数；石诚鋆等［6］采用灰色关联分析法，选取降雨强度、坡比及岩体参数等对降雨影响的边坡稳定性进行分析，认为降雨强度对稳定性的影响最大；何忠明等［7］以长湘高速公路某路堑边坡为依托，建立含软弱夹层的土坡数值分析模型，分析了强降雨条件下夹层倾角、厚度、埋深以及层数等因素对边坡稳定性的影响规律；颜斌等［8］根据饱和－非饱和土渗流理论，以某高速公路的黄土边坡为研究背景，分析了边坡在强降水条件下的入渗规律和稳定性变化规律；张少宏等［9］分析了黄土边坡在降雨入渗条件下含水率与黄土抗剪强度的关系，并得出不同入渗深度对黄土边坡稳定性的影响；黄蕾鸣等［10］采用边坡现场监测的手段，重点研究了强降雨对边坡的影响规律，总结出边坡加固的方法和经验；胡晋川等［11］通过现场试验和数值模拟，分析了阶梯状黄土高路堑边坡在降雨条件下的变形发展过程、坡面降雨入渗规律、涵水与护坡作用以及稳定性。本文以沪通铁路路堑高边坡工程为依托，选取最不利断面研究分析不同降雨条件下边坡的渗流应力响应，得出边坡稳定性的变化规律，可为类似工程提供一定的参考。

1 工程概况

上海至南通铁路（沪通铁路）为国铁Ⅰ级客货共线型快速铁路，设计时速200km，铁路在里程DK130＋916～DK130＋955段路基设计主要为路堑形式。本文选取最不利断面为研究对象，该断面路堑边坡高约20m，坡度为1∶1。边坡土体主要为第四系全新统松散堆积粉质黏土。该地区年平均降水量为1 144．4mm，月最大降水量为180．0mm。夏季降水量占全年的40%左右，6月中旬至7月中旬为梅雨季节。

2 数值模型

2．1 基本假定

（1）边坡土体性质为均质、同性。

（2）假定降雨全部渗入土体边坡，降雨结束时，总降雨量小于边坡允许的最大入渗量。

（3）边坡的稳定性基于有限元强度折减法分析［12］。

2．2 模型的建立

由于该段路堑边坡纵向长约40m，远大于宽度，且本次研究的侧重点为不同降雨条件对边坡稳定性的影响，因此选取边坡最不利断面，建立二维平面应变模型。土体采用平面应变单元模拟，且服从摩尔库伦屈服准则。渗流边界设置为：地下水位以下左侧边界为隔水边界，右侧为排水边界，边坡坡顶、坡面及坡底设为降雨边界。应力分析时，模型两侧约束水平位移，底部约束水平位移和竖向位移，地表为自由面。同时，为分析边坡在不同程度降雨下的应力响应，在边坡坡脚和坡面中点设置计算监测点A和B。建立的整体模型网格及测点布置如图1所示。

图1 模型网格及测点布置

2．3 参数选取

根据现场勘察设计报告及室内土工试验，模型土体的弹性模量为10MPa，黏聚力为15kPa，摩擦角为20°，重度为17．7kN·m－3，泊松比为0．3。

现场边坡为非饱和土，其渗透系数为基质力的函数，而非常数，即基质力随含水量的变化而变化。土体非饱和特性参数如表1所示，函数模型采用Van Genuchten函数。

表1 土体非饱和特性参数

2．4 降雨工况

根据中国气象部门规定的降雨强度标准（表2），选取50、100、200、300、360mm·d－1等降雨强度以及48h的降雨量进行边坡的渗流应力响应研究。

表2 降雨量等级

3 计算结果分析

3．1 边坡土体渗流特征分析

图2 土体孔隙水压力分布云图

在大暴雨条件下，边坡土体孔隙水的压力分布如图2所示。由图2可知，降雨的入渗使得边坡的表层土体孔隙水压力首先发生变化。降雨10h后，边坡土体外侧开始浸润，而土体内部则变化不大，但坡脚孔隙水压力变化较大。这是由于，降雨初期土体仍为非饱和状态，渗透系数较低，渗入坡面和坡顶的雨水沿坡面流向坡脚，使得该处的孔隙水压力增长。随着降雨时间的增加，整个边坡表层土体的负孔隙水压力不断减少，雨水在重力和水力梯度作用下向边坡下方和前方移动。0～24h内，土体的负孔隙水压力减少幅度较小，在入渗24h后压力为92．2 kPa。当降雨超过48h后，土体的渗透系数逐渐增加，负孔隙水压力减少幅度增大。在降雨72h后，土体的负孔隙水压力为24．5kPa。

3．2 边坡位移分析

图3为不同降雨量下测点A、B的水平位移变化。由图3可以看出，随着降雨量的不断增加，在雨量为400mm时，坡脚测点A的水平位移加速变化，这是由于坡脚的负孔隙水压力随着降雨量的增加逐渐降低，土体的抗剪强度降低，水平位移随之增加。边坡的坡面中点B的水平位移整体变化规律与测点A相似但位移值较小，且变化相对滞后。这主要是由于随着降雨量的增加，土体力学性质改变，加之边坡的自重增加，在坡脚发生相对移动后，边坡中点位移随之增加。

图3 不同降雨量下测点的水平位移

图4为不同降雨量下测点的竖向位移变化，可以看出在坡脚测点A处，随着降雨量的增加其竖向位移逐渐增加，当降雨量超过200mm时，位移增长速度减缓。这主要是因为，降雨初期土体仍为非饱和状态，随着雨水的渗入，土体软化变形相对明显；而降雨量逐渐增大之后，土体由非饱和状态变为饱和状态，降雨量对坡脚的竖向位移影响减弱。边坡中点测点B的竖向位移变化趋势与测点A大致相同，但在降雨量超过400mm后，竖向位移显著增加。这主要是由于，降雨量增大后边坡整体发生水平向滑动，竖向位移增大。

图4 不同降雨量下测点的竖向位移

3．3 边坡最大剪应变分析

不同降雨强度下边坡的最大剪应变变化如图5所示。可以看出，随着降雨强度的增加，边坡的最大剪应变逐渐增加，当降雨强度超过200mm·d－1时，边坡浅层滑动面范围逐渐扩大，且变化幅度增大，滑动面逐渐向土体下方和右前方移动。由此可见，不同程度的降雨强度对边坡的稳定性影响不同，过大的降雨强度将导致边坡失稳甚至发生滑坡，实际工程中需格外重视。

3．4 边坡安全系数分析

基于有限元强度折减法得出不同降雨强度下边坡的安全系数变化，如图6所示。可以看出，边坡的安全系数随着降雨强度的增加而降低，当降雨强度超过100mm·d－1时，边坡的安全系数下降幅度增大；当降雨强度超过300mm·d－1时，安全系数下降幅度更加明显；当降雨强度为360mm·d－1时，边坡安全系数为1．106，相比无降雨时，安全系数降低36．3%。因此降雨强度对边坡的安全性影响显著，工程中应重视降雨时边坡的实时监测，确保边坡的安全稳定。

4 结语

（1）在大暴雨条件下，降雨持续时间小于10h时，由于土体仍处于非饱和状态，土体的渗透系数较小，负孔隙水压力变化缓慢。随着降雨时间的延长，土体的负孔隙水压力不断减小，当超过48h后，土体的渗透系数逐渐增大，负孔隙水压力降低幅度增大。在降雨72h后，土体的负孔隙水压力减小为24．5kPa，土体趋于饱和状态。