基于数值分析方法的强降雨浸水路堤稳定性研究

史兴，李浩霖，包林燕

（云南建设投资控股集团有限公司国际工程部，云南昆明650000）

1 工程背景

万万高速公路是老挝磨丁口岸至万象高速公路中的万荣至万象段，该高速公路起于万象市，终于万荣市，向北经琅勃拉邦对接中国磨憨口岸，顺接G8511昆明至磨憨高速公路；向南连接老挝—泰国边境的老泰友谊大桥，连接泰国廊开区境内的高速公路，是亚洲昆曼国际大通道的重要构成部分，此高速公路的设计全长达460余公里，其中第一段万象至万荣高速公路的全长为109.1km。

由于万万高速地处热带雨林地区，该高速公路穿行地段高温多雨，年平均气温处于25℃~28℃之间，全年雨季长，年降水量大，可达2000mm以上，而万万高速公路南段路基填料以土为主，土质路基在强降雨作用下面临边坡失稳等工程问题，雨季的万象平原不论降雨强度还是降雨持续时间均显著异于国内，因此很难直接借鉴国内的工程经验，而必须开展专门的针对性研究。

本研究拟采用数值分析方法研究强降雨对土质路堤稳定性的影响，研究不同降雨强度、降雨时间对路基土体含水率、土体基质吸力、路基边坡稳定性产生的不同影响，以期为强降雨区路基稳定性分析及加固处理提供指导。

2 数值模型构建

根据万万高速公路的气候情况，本文考虑的降雨参数主要包括降雨强度、降雨持续时间两个方面。在实际工程应用过程中，降雨的参数很难准确预测，变化规律十分复杂，为简化计算过程，本文在数值分析时假定降雨是一个均匀持续的过程，即在研究过程中降雨强度为恒定值。降雨的持续时间考虑了分别持续24h、48h和72h三种工况。与暴雨相比，中小雨的强度较低，路基土体的孔隙水压力增长较为缓慢，相对而言安全度更高。因此，本文主要考虑了强降雨条件对路基边坡稳定性的影响。本文的研究采用MIDAS“土木结构专用的结构分析与优化设计软件”进行强降雨路基稳定性分析。

2.1 模型构建

在模型构建时，对土体的本构模型采用摩尔—库仑模型进行参数设定，在分析时由于填方路基可以归纳为轴对称平面应变问题，依照对称性原则完成对模型的假设：①土的渗流速率恒定可以忽略时间的影响；②土为弹塑体；③土体中水的流动遵从达西定律；④土是连续的，且土体均匀。

采用MIDAS GTS有限元软件建立公路模型，并完成对模型的网格划分，由于地基在变形中位移量较小，因此划分较为稀疏；路基在变形中的位移量相对来说较大，因此在划分网格的时候较为密集，在不影响计算精度的同时，加快计算进程。网格划分见图1。在对边界施加约束时，考虑实际情况，对路基底部采用完全约束；对地基施加横向约束，不施加竖向约束。公路路基上方修筑的路面底基层、基层和沥青混凝土面层（统称为路面结构层），厚统一设定为0.68m。沥青混凝土面层厚0.14m，容重23.5kN/m3；基层、底基层厚0.54m，容重21.0kN/m3，车辆荷载取15kPa，故作用于路基顶面的均布荷载取30kPa。由于本项目的公路路面采用沥青混凝土路面，沥青路面透水性差，因此在模型中设定为不透水边界条件。

图1 数值模型网格划分示意图

2.2 模型参数选取

在数值建模过程中，路基中的土体、垫层、路堤填料等主要材料的本构模型均釆用Mohr-Coulomb模型，采用Mohr-Coulomb模型能够较好地反映出土体的受力及变形特性，同时模型的参数也易于确定。模型中主要材料的物理力学参数取值如表1所示。

表1 材料参数和单元形式

3 数值分析结果

在数值分析过程中，边坡的稳定性分析主要采用瑞典圆弧条分法，在数值分析模型构建时考虑了多种不同的工况，研究不同工况时路堤边坡稳定安全系数的演化规律。

3.1 同种工况不同时间模拟

首先对不同降雨持续时间的影响进行了分析，分别选取24h、48h、72h三种工况时路基边坡的稳定性进行对比分析，求得路基边坡的稳定安全系数随时间演化规律，分析结果如图2所示。

图2 暴雨安全系数时间曲线

由图2可知，在持续降雨的过程中，随着雨水不断渗入路基土体内部，路基中土体的含水率和孔隙水压力不断增大，土体的基质吸力不断减小，表现出土体的内聚力和抗剪强度持续降低，这就导致路基边坡的稳定性不断下降。由此导致路堤边坡的稳定性安全系数不断下降随降雨持续时间的增长而持续减小，在降雨结束时安全系数降到最小；随着降雨停止，边坡内雨水向内深入、向外流出，孔隙水压力不断降低导致土体的基质吸力随之增长，土体的抗剪强度逐步回升，因此导致边坡的稳定性安全系数随之增长。

3.2 不同降雨强度模拟分析

随后对不同降雨强度的路基稳定性进行了数值分析，不同降雨强度条件下土体的瞬态含水率分析结果如图3所示。图3中（a）、（b）、（c）三个曲线均描述了路基正中央点位不同深度处土体的含水率变化曲线，分别考虑了不同降雨强度和降雨持续时间的综合影响，降雨强度考虑了三种：4.63×10-6m/s、5.21×10-6m/s、5.787×10-6m/s，降雨持续时间考虑了11种：10min、30min、1h、2h、4h、6h、8h、12h、16h、20h、24h。

图3 不同降雨强度土体含水量分布

两种参数的综合影响下土体的含水率分布情况表明，在同一降雨强度下，随着降雨持续时间的增加，路基中央位置土体的含水率呈逐渐增加趋势，与此同时路基土体的湿润峰值逐渐往下推移。降雨刚开始的时候，随时间的增长路基表层土体的含水率快速增长，随着土体含水率快速饱和，表层土体的基质吸力迅速降为零，路基不同深度处土体的含水率差异显著。随着降雨时间的增加，路基表层土体的含水率增加幅度显著降低，但当土体的含水率达到湿润峰值前期含水率随降雨时间的增加依然不断增加。分析结果表明，在降雨强度相同的条件下，随降雨持续时间的不断增加，路基土体的含水率受影响深度也随之不断增加，当土体的含水量达到接近于饱和含水率时，降雨持续时间的影响就快速衰减。

3.3 降雨对土体基质吸力模拟

随后针对降雨强度和降雨时间对土体基质吸力的影响进行了进一步的分析计算，数值分析结果表明，当土壤的初始含水率为10%时，在距离路基中线6m处，土体的瞬态孔隙水压力以及基质吸力的分布曲线如图4所示。

图4 不同降雨强度孔隙水压力值分布图

由图4、图5的分析结果可知，在一定的降雨强度下，随着降雨持续时间的不断增长，路基不同位置土体的孔隙水压力都随之不断增大，与此同时土体的基质吸力也随之降低。在降雨开始的初期阶段，路基表面土体的孔隙水压力随降雨时间快速增长，处于路基不同埋深土体的孔隙水压力差值显著。随着降雨时间的增加，路基表层土体的孔隙水压力逐步达到饱和，此时土体孔隙水压力的增加幅度显著减少；而路基内部土体在达到湿润峰值前，其孔隙水压力仍然在降雨持续时间的增加而持续快速增长。在一定的降雨强度下，随降雨持续时间的增加，表层土体不断达到饱和状态，并将渗入的雨水持续传递到路基深处的土体，因此路基土体孔隙水压力受影响的深度也随之向深处持续扩展。

图5 浸润线分布图

4 结语

本研究在室内试验得到的物理力学参数基础上建立了数值分析模型，通过数值仿真分析软件建立的降雨入渗模型；对路基在不同降雨强度与降雨持续时间的综合影响下土体孔隙水压力及边坡稳定性的影响进行仿真分析，本研究建立的数值分析模型在本构模型中还考虑了水平方向的流量，即建立了二维的降雨入渗模型。基于上述模型，本文取得的主要研究结论如下：

（1）在一定的降雨强度下，随着降雨持续时间的增长，路基土体的雨水入渗影响深度持续增大，路基土体含水率达到饱和的深度也随之不断加深。

（2）当降雨的持续时间保持一定时，不同的降雨强度对雨水入渗深度的影响差异不大，说明路基土体的雨水入渗深度主要受降雨时间的影响；但在雨水入渗范围内的土体，其孔隙水压力和含水率与降雨强度之间密切相关。

（3）路基在不同降雨持续时间和降雨强度条件下安全系数变化曲线基本相似，安全系数都随降雨持续时间而逐渐减小，在降雨结束时达到最小；随着降雨停止，边坡内土体中的水分逐步下渗或者外流，土体的孔隙水压力降低、边坡土体基质吸力增长，土体的抗剪强度逐步回升，边坡的稳定性安全系数也随之逐步回升。