不同降雨条件下对山区公路弃土场稳定性影响分析

2023-11-08金宇轩何忠明

公路工程 2023年5期

杨煜，金宇轩，常森，何忠明，郭芳

(1.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南长沙 410015；2.交通建设工程湖南省重点实验室，湖南长沙 410015；3.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114；4.湖南交通职业技术学院，湖南长沙 410132)

0 引言

随着西部开发建设的格局不断扩大，山区公路基础建设也取得新的突破，由于山区土地资源匮乏，公路建设难度大，建设过程中深切方产生的弃土成为山区公路建设的一贯难题，特别是近几年国家陆续出台了一系列相关政策，如《水土保持工程设计规范》等[1-2]，对弃土场的安全性和稳定性提出了新的要求，要求将保证弃土场中长期安全稳定及水土保持工作为研究重点，并将其安全性作为水土保持中的专项设计内容，同时也将《水土保持方案》列为山区高速公路建设施工前所必备的主体立项及项目获批的前置条件之一。因此，山区公路建设时弃土场的稳定性及保护水土流失是每一个建设者不可推卸的责任。

降雨入渗作为弃土场边坡失稳的重要影响因素之一，颇受广大学者的关注和研究。孙朝燚等[3]从空间角度出发，通过数值模拟分析降雨对弃土场稳定性产生的影响，认为可以通过合理设计弃土场的主横断面、坡度和弃方高度来提高边坡稳定性。考虑到弃土场中长期安全稳定性要求，张万清等[4]、郭佳[5]结合弃土场实际情况，分析了降雨和地震作用下对弃土场整体稳定性的影响，认为降雨和地震共同作用将极大加剧弃土场失稳。吴谦等[6]借助Monte Carlo算法对弃土场的影响因素开展了系统的敏感性分析，并对降雨因素对弃土场稳定性的影响进行了综合评价。周昌群[7]则是从施工工序和工艺出发，认为可以通过调整可控因素减少降雨过程中对弃土场稳定性产生的影响，并对关键控制技术进行了总结。总之，目前对弃土场的稳定性和水土保持要求较多，但相应的设计规范较少且不完善，同时在现实公路建设过程中，弃土场作为主体工程的附属工程，并未严格按照标准压实度进行碾压，导致降雨直接通过弃土体填料间隙入渗，严重威胁到弃土场和主体设施的安全性和水土保持。因此本文结合项目实际情况，在考虑弃土体填料松散的条件下，剖析不同降雨条件下边坡土体饱和度和孔隙水压力变化趋势，并分析降雨过程中饱和区域内弱化效应等因素对弃土场稳定性产生的影响，为弃土场设计和防护提供指导。

1 基于软化效应下的Mohr-Coulomb屈服准则

法国科学家库伦通过大量实验结果，提出了抗剪强度计算公式，但该公式忽略了非饱和时基质吸力对抗剪强度做出的贡献，基于以上研究成果和实际情况，学者Fredlund等依据非饱和土的双应力变量(σ-μa，μa-μw)理论提出了非饱和抗剪强度公式[8]：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中：c′为有效黏聚力；(μa-μw)为基质吸力；μa为路堤边坡的孔隙气压力；φb为基质吸力对内摩擦角的作用；μw为孔隙水压力。

岩土体材料抗剪强度除基质吸力的影响外，在雨水的浸泡作用下出现一定的弱化效应，蒋中明等[9]通过大量试验发现，黏聚力衰减随浸泡时间呈现一定的指数关系，并提出修正后的函数表达式：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′

(2)

c′=ce-mt+(ua-uw)tanφb

(3)

式中：m为拟合参数；t为浸泡时间；c′为修正后的黏聚力；φ′为修正后的内摩擦角。

2 弃土场概况

2.1 弃土场现状及填料参数

本文选取湖南省某二级公路弃土场为依托，该弃土场填料为二级公路路堑爆破开挖土体，弃土主要为风化严重的花岗岩和粉质黏土。根据地勘及相关钻孔资料，该弃土场地表以下依次为3 m厚粉质黏土层和中风化花岗岩，弃土场现场情况及弃土颗粒配分布情况如图1、图2所示。

图2 弃土场颗粒级配分布情况

2.2 弃土场规模评价

根据《水土保持工程设计规范》等相关规范，弃土场规模分类应根据弃土场填料规模、高度及滑塌失事后对主体或环境产生的影响程度进行划分，根据其影响程度，可将弃土场划分为5个级别，并根据级别不同修筑相应建筑物进行支挡[1]。结合该项目实际情况，该弃土场弃方量为156 400 m3，弃土高度为26 m，考虑到弃土场坡脚为饮用水源源头，对居民生活影响较大，可将该弃土场划分为4类、挡渣墙级别为4类。同时相关规范也对弃土场稳定性计算方法提出了建议，指出一般情况下可采用瑞典圆弧滑动法进行计算，对于均质性弃土，宜采用简化毕肖普法进行计算。考虑到该弃土场弃土实际情况，本文采用瑞典圆弧滑动法研究不同降雨工况下对弃土场边坡稳定性产生的影响。

2.3 弃土场填料参数确定

通过现场土工试验确定部分相关参数，并根据现场取回样本进行渗透试验，通过试验和查阅相关规范确定该弃土场填料力学参数[10]，该弃土场填料物理力学参数如表1所示。在弃土场稳定性研究过程中，自然安息角作为重要影响因素，直接影响到弃土场边坡的坡度和高度，也是维持弃土场稳定平衡的关键点，结合该弃土场现场情况，该弃土场综合坡度小于弃渣堆置自然安息角，设计满足相关规范要求。

表1 弃土填料物理力学参数

为研究不同降雨条件下弃土场填料在降雨入渗过程中基质吸力与孔隙水压力之间的变化关系，本文借助一维降雨模型试验(如图3所示)，通过含水率测试仪和张力计，记录各监测点在不同降雨类型下基质吸力与体积含水率变化数据；选取具有代表性数据，结合Van Genuchten模型中土水特征曲线规律，拟合出X-方向渗透系数、体积含水量随着基质吸力的变化规律，为弃土场边坡降雨入渗提供基础数据，拟合曲线如图4所示。

图3 一维降雨模型试验

图4 传导率和体积含水量随基质吸力变化规律

3 数值模拟分析

3.1 弃土场模型建立及边界条件设定

结合该弃土场实际情况进行1∶1建立模型，如图5所示。弃土高度26 m，第一级边坡为8 m，第二级边坡坡高为10 m，第三级边坡坡高为8 m，边坡坡率分别为1∶1.5、1∶1.5、1∶1.75，各级边坡间设置2 m宽平台，坡底为高度4 m护脚墙。考虑到数值模拟计算的准确性和及时性，可将模型划分为1 443个节点、1 365个单元。为分析不同降雨条件下对于弃土场填料孔隙水压力、土体饱和度以及斜坡稳定性安全系数产生的影响，参考湖南省该地域当地水文气候材料，将降雨类型分为前锋型、中锋型、后锋型和等强型4种，降雨总量为150 mm，降雨历时为10 d。为详细记录降雨过程中弃土场填料内部孔隙水压力和土体饱和度的变化情况，在每级边坡平台下部2 m处布设监测点。

图5 弃土场模型的建立

边界条件：弃土场顶部平台及斜坡面为降雨边界，左右两侧为透水边界，模型底部为不透水边界，铅直边界上施加水平位移约束，水平边界上施加铅直位移约束。收敛条件：边坡采用迭代法求解稳定安全系数，最终确定力和力矩平衡的安全系数。首先采用Geo-Studio有限元seep模块建立降雨入渗模型，通过该地域地下水文资料，建立稳态渗流阶段，其次建立slop模块，进行初始弃土场稳定性计算，然后根据降雨类型，建立瞬态渗流阶段，进行孔隙水压力、土体饱和度的分析研究，在考虑饱和区域土体参数弱化的前提下，将seep中渗流结果与slop模块进行耦合，开展不同降雨条件下弃土场稳定性研究。降雨类型分布情况如图6所示。

图6 降雨类型分布情况

3.2 不同降雨条件下孔隙水压力和饱和度变化规律

降雨历时10 d结束时，弃土场斜坡内部土体孔隙水压力、饱和度分布情况如图7、图8所示。降雨历时相同，各种降雨工况下边坡孔隙水压力和土体饱和度较为接近，均表现出弃土场坡脚监测点4处孔隙水压力和饱和度最大，饱和度最大值为0.28，表明该处土体已到达暂态饱和区，弃土场浅层土体也逐渐由非饱和区向饱和区过度，降雨入渗和水位线的抬升导致弃土场填料内部非饱和区域逐渐减小。相比后锋型和等强型降雨类型，先锋型降雨条件下降雨入渗和水位线抬高更为明显，其主要原因为：4种降雨条件下，降雨强度均小于弃土场填料渗透系数，先锋型和中锋型在降雨结束时，雨水基本入渗边坡，而后锋型和等强型降雨类型，在降雨结束时，仍有部分雨水滞留坡面，降雨入渗弃土场内部仍需要一定时间。

(a)先锋型

考虑到先锋型降雨对弃土场填料孔隙水压力和土体饱和度影响最大，为进一步研究其影响过程，通过监测点记录先锋型降雨过程中孔隙水压力的变化情况。如图9所示，在降雨前监测点1、监测点2和监测点3处孔隙水压力相接近，均为-49 kPa，降雨持续3 d时，监测点4处孔隙水压力降低速率为1.6，监测点1、监测点2和监测点3处孔隙水压力变化较大，监测点1和监测点2处孔隙水压力变化规律较为接近，降低速率分别为0.26和0.49；在降雨7 d后，监测点1和监测点2孔隙水压力降低速率几乎接近为0.67。监测点1处孔隙水压力正增长速率由原来的2.27降低为0.88，其主要原因为：降雨初期，监测点1和监测点2处浅层土体在降雨作用下，弃土场浅层填料出现短暂的饱和，除部分雨水入渗坡体外，其余雨水通过坡面径流流向边坡下部区域，随着降雨历时的持续，降雨入渗作为主要影响因素，坡面径流变为次要因素，地下水位的抬升和上部边坡降雨入渗共同作用导致监测点3处孔隙水压力变化较为明显。

图9 孔隙水压力变化情况

3.3 不同降雨条件下弃土场安全系数变化规律

由于降雨过程中雨水入渗坡体速率不同，引起弃土场填料内部孔隙水压力、饱和度及抗剪强度等变化，导致弃土场稳定性具有时空影响特征。结合以上弃土场降雨入渗条件，将降雨渗流结果与边坡slop模块进行耦合，基于饱和区域内填料软化效应，得出不同降雨条件下弃土场边坡安全系数变化规律，计算结果如图10所示。降雨初期，边坡安全系数下降速率缓慢，降雨持续2 d后，边坡安全系数均出现大幅度下降，其中先锋型降雨条件下安全系数下降速率最快，其次是中锋型和等强型，后锋型降雨弃土场安全系数下降最慢，降雨终止时，降雨类型对弃土场稳定性影响顺序为前锋型>中锋型>等强型>后锋型，出现以上现象的原因为：降雨初期，边坡降雨入渗增大了指向坡体内部的渗透力，增加了土体之间的作用力，致使边坡出现短暂的安全系数缓和，但由于降雨时间和降雨量的持续增加，填料内部孔隙水压力、重度及雨水的弱化效应开始威胁到弃土场的稳定性。前锋型降雨类型能够使更多的雨水入渗坡体，弱化土体之间作用力，后锋型降雨类型在降雨结束后，仍有部分雨水滞留在坡面及土体毛细管道中，导致其弱化效应未能完全发挥作用。

图10 不同降雨类型下边坡安全系数变化规律

3.4 边坡失稳机理分析

降雨入渗是边坡失稳的主要原因之一，根据降雨过程中孔隙水压力、饱和度及边坡稳定性的变化规律，可得出降雨入渗对边坡稳定性产生的影响主要有以下几方面：

a.降雨入渗直接增加了弃土场填料重度。

在稳态降雨前期，地下水位线以下土体为饱和状态。降雨初期，部分雨水入渗坡面，首先改变浅层土体饱和重度，使得坡面产生指向坡体内部的渗透力，同时，地下水会通过毛细管作用，逐渐向上部非饱和区域延伸，增大弃土体饱和区域，该现象在弃土场坡脚处最为明显。由于填料重度的增加，根据边坡稳定性FS=抗滑力/下滑力，重度增加引起下滑力增大，致使边坡安全系数降低。

b.弃土体内部孔隙水压力变化。

降雨过程中，水位线以上为负孔隙水压力，由于水位线不断抬升，导致浅层填料内部负孔隙水压力出现正增长，且雨水入渗通道路径缩短，加速雨水入渗，加快非暂态饱和区向暂态饱和区的过渡。

c.降雨导致土体基质吸力下降。

基质吸力的变化对边坡稳定性产生重要的影响，其主要原因为，孔隙水压力不断正增长，致使土体内部基质吸力不断下降，直接影响到弃土场填料颗粒间的黏结作用力，从而削弱了整体边坡的抗滑性，从而降低了边坡整体的安全系数。

d.降雨使得弃土斜坡抗剪强度下降。

雨水的入渗在一定程度上使得土体抗剪强度具有弱化特征，在降雨过程中，降雨入渗对饱和区域的土体抗剪强度产生一定的弱化，从而减小边坡土体的抗滑力，致使安全系数减小，同时，降雨过程中，边坡的斜坡张力裂缝会加剧边坡降雨入渗，加剧暂态饱和区域的扩张，从而诱发边坡的失稳。

e.不同降雨类型雨水入渗速率不同。

影响边坡降雨入渗程度除降雨强度外，边坡土体入渗速率也起到关键作用，结合以上4种降雨类型，前锋型和中锋型降雨，大部分雨水均在7 d前完成，导致降雨前期坡面浅层填料孔隙水压力和重度加剧增加，降雨后期，雨水入渗已经在坡体内部形成通道，对填料重度影响较小。由于等强型和后锋型后期仍有大量雨水停滞留在坡面或毛细管中，对边坡稳定性影响具有滞后性，因此对弃土场稳定性影响程度为前锋型>中锋型>等强型>后锋型。

综上所述，降雨入渗对弃土场稳定性的影响因素主要为，降雨导致非饱和区域填料孔隙水压力增加，饱和区域增大，从而降低边坡内部基质吸力，进一步弱化饱和区域土体抗剪强度，从而打破边坡内部平衡状态。因此，降雨对边坡稳定性影响的过程为：雨水入渗-暂态饱和区形成-土体重度增加-基质吸力减小-填料力学强度弱化-裂隙出现-裂隙发育-边坡失稳。