降雨对半填半挖路基边坡稳定性的影响分析

刘 晓, 葛 聪

[1.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015；2.交通运输安全应急信息保障技术及装备行业研发中心(长沙)，湖南 长沙 410015]

0 引言

半填半挖式路基是在自然山坡中挖出部分路基，并将一侧挖方岩土体经处理后用于填筑另一侧填方路基，从而减少土石方的开挖和运输量，避免大范围征地和弃土，减少环境破坏，具有显著的因地制宜特点。因此，半填半挖式路基在傍靠自然边坡的公路修筑中被广泛采用。

路基边坡稳定性是工程设计和施工考虑的重点之一，尤其降雨条件下坡体的非饱和渗流及稳定性演化备受关注。史振宁等[1]基于非饱和土强度特性和极限平衡理论分析了降雨强度、时间和边坡初始表面含水率对边坡稳定性的影响。索增辉等[2]基于黏塑性理论和有限元法分析发现，降雨对黏土边坡稳定性的影响小于对粉土边坡的影响。苏永华等[3]基于Green-Ampt模型建立了强降雨下可考虑湿润层含水率分布的边坡稳定性分析方法。蒋水华等[4]提出了同时考虑土体渗透系数和抗剪强度空间变异性的降雨入渗边坡稳定可靠度分析方法。杨晓杰等[5]指出强降雨(暴雨、大暴雨)是高陡边坡滑动的主要诱因，且滑坡相较降雨具有一定滞后性。张社荣等[6]研究发现低强长时降雨下，边坡易发生深层失稳，高强短时降雨则易诱发坡趾失稳。石振明等[7]改进了Green-Ampt入渗模型，并提出了降雨入渗效应下，多层非饱和土坡的稳定安全系数计算方法。Santo 等[8]基于大量山体滑坡分析指出，滑坡前60 d内的降雨量及滑坡当天的强降雨是诱发滑坡灾害的两个主要因素。Wang等[9]提出了可反映大变形特点的降雨诱发滑坡全过程的物质点法，并分析了降雨过程中，土坡基质吸力和抗剪强度的变化情况。

目前，在路基边坡的稳定性研究中，针对半填半挖式路基的研究相对较少。王灏等[10]基于ABAQUS有限元仿真计算，分析了不良地基厚度、压缩模量及填方体含水率对半填半挖路基变形的影响。夏英志[11]基于PLAXIS有限元仿真分析，探讨了路基填筑高度对某半填半挖公路路基边坡稳定性及滑动面的影响，指出随填高增加，边坡位移逐步向内发展，并最终发展形成一条光滑的失稳破裂面。刘建磊等[12]基于简化Bishop法分析了半填半挖路基边坡稳定性对交接面结构形式、填方高度、填土强度参数和地下水位的敏感性，并指出填方高度和地下水位是影响路基边坡稳定性的两个关键要素。李群等[13]研究指出，交接面处设置台阶和加筋材料可有效提升半填半挖路基的稳定性。周娟等[14]基于Janbu法分析指出地形坡度是影响半填半挖路基稳定性的重要因素，填方土体内摩擦角应大于地形坡角，以避免半填半挖路基失稳。苏永华等[15]分析了交接面台阶特征和填方强度参数对半填半挖路基边坡稳定性的影响，并基于灰色关联分析法指出路基稳定性对填方体强度参数的敏感性大于其对填方体几何参数的敏感性[16]。刘志祥等[17]基于PLAXIS有限元仿真分析，研究了降雨引起地下水位上涨对某半填半挖路基边坡稳定性的影响，发现高地下水位条件下，宜采用土钉加固以保障该路基边坡的整体稳定性。

综上所述，目前有关半填半挖路基边坡稳定特性的研究尚不全面，多聚焦于填方高度、填方物理力学参数、交接面结构形式和几何参数等对其稳定性的影响，缺乏对降雨入渗条件下路基稳定性的深入分析。对此，本文结合某潮汐湾海岸半填半挖路基边坡工程，基于PLAXIS有限元仿真计算，着重分析了降雨强度、降雨量及地下水位上升对半填半挖路基边坡基质吸力、饱和度和稳定性的影响。

1 工程背景

某沿海潮汐湾海岸公路傍坡而建。为减少大范围征用私人用地，控制征地和施工成本，最终采用半填半挖的形式在陡坡地段填筑路基[17]。图1为该半填半挖路基的典型断面图。整个海岸线以上的自然边坡高15 m，主要分为3个部分，即上段缓坡区、中段较陡区和下段近海缓和区。原自然坡体主要由表层强风化和下层中风化粉砂岩地层组成。路基施工时，将上部挖方岩土体经机械粉碎后与碎石和砂料混合作为填方部分路基填料。中风化层、强风化层和填方路基填料的基本物理力学参数见表1[17]，其中，γu、γs、E、μ、c和φ分别为土体的非饱和重度、饱和重度、弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角。粗粒土路基填料的黏聚力达到8 kPa，通常为保持填料良好的级配和压实性能，粗粒土填料亦含有一定量的细颗粒(<15%)，加之路基的压实度要求很高(一般>90%)，因此实际路基粗粒土压实后仍可能呈现较高黏聚力的情况[18-19]。整个路基工程在旱季施工，地下水位相对稳定，且埋深较深，距坡顶约13 m，施工期间边坡稳定性受水的影响较小。但在雨季强降雨时，雨水的入渗会显著改变坡体的基质吸力、饱和度和重度，并引起地下水位上升，进而影响边坡的整体稳定性。因此，有必要对该半填半挖路基边坡在降雨条件下的稳定性展开分析，以全面评估其安全性。

图1 半填半挖路基边坡横断面(单位：m)

表1 土层参数土层γu/(kN·m-3)γs/(kN·m-3)E/MPaμc/kPaφ/(°)中风化层1617120.3835强风化层1617120.3819路基填土1921200.3830

2 有限元模型

采用PLAXIS有限元软件建立该半填半挖路基边坡的数值仿真模型，并结合流固耦合计算和强度折减法分析其在降雨条件下的稳定特性。各地层和路基填料采用摩尔-库伦模型模拟，各土层具体本构参数采用表1中数值。为研究降雨入渗过程中坡体基质吸力及稳定性的变化，需要考虑土体的非饱和特性，并定义土层的非饱和有效应力行为。PLAXIS有限元软件采用Bishop非饱和土有效应力原理计算土层的有效应力，其表达式如式(1)所示：

σ′=σ-ua+χ(ua-uw)

(1)

式中：σ′为土体的有效应力，kPa；σ为土体的总应力，kPa；ua为土体中的气压，kPa；uw为土体中的孔隙水压，kPa；(ua-uw)为土体的基质吸力，kPa；χ是与饱和度相关的系数。χ值通常需要通过不同饱和度下的土体三轴试验获得，前人总结了不同类型土体的χ值与其饱和度S的经验关系，发现二者之间的函数关系较为复杂[20]。由于缺少相关非饱和三轴试验数据，本文采用PLAXIS的默认设置，令χ=S，并在此基础上分析降雨对上述半填半挖路基边坡稳定性的影响。

此外，非饱和土仿真计算中还需对土体的渗透性函数(即基质吸力水头与相对渗透系数间的关系)和土水特征曲线(即基质吸力水头与饱和度间的关系)进行定义。图2、图3分别为岩土层的渗透性函数曲线和土水特征曲线。本文采用PLAXIS中标准模式下的粗粒土水力特性表征中风化层和强风化层的渗透性函数[见图2(a)]和土水特征曲线[图3(a)]，而填方路基土的非饱和特性则采用标准模式下的中-粗土水力特征描述[见图2(b)和图3(b)]。

(a)粗粒土

(b)中-粗土图2 岩土层渗透性函数曲线

(a)粗粒

(b)中-粗土图3 岩土层土水特征曲线

图4为半填半挖路基边坡的有限元网格，其中加密了开挖区和填筑区的网格。模型总高23m，宽55 m，初始地下水位距模型底面10 m，近海侧有2 m深海水覆盖。模型表面为自由边界，左右边界约束了法向位移，底部边界则同时约束了竖向和水平向位移。渗流边界方面，除模型底部为封闭边界外，其余边界均允许水的渗入和渗出；路面层通常属于弱透水边界，但为全面考虑长时降雨入渗的不良影响，建模时参考文献[17]的处理方式，将其设置为透水边界。该半填半挖路基边坡仿真计算主要分为以下几个步骤：①开挖原始自然边坡；②填筑填方侧路基；③施工路面层并施加等效交通荷载；④计算无降雨时边坡安全系数；⑤计算不同降雨强度和时长下边坡的安全系数；⑥计算不同地下水位下边坡的安全系数；⑦结合具体计算结果考虑是否需要加固边坡。根据文献[17]的相关推荐，等效交通荷载按10 kN/m2考虑；路面层采用线弹性板单元模拟，等效路面层自重荷载按3 kN/m2考虑。本文主要分析降雨强度、降雨量(或降雨时长)和地下水位对该半填半挖路基边坡稳定性的定性影响，为减小流固耦合的计算时间成本，在文献[17]基础上上调了边坡土层的饱和渗透系数；结合具体研究需求，中风化层、强风化层和填方路基土的饱和渗透系数分别取为0.1、0.2、0.3 m/d。

图4 半填半挖路基边坡有效元模型网格(单位：m)

3 结果分析

3.1 降雨量的影响

图5为半填半挖路基边坡稳定安全系数随降雨量的变化关系曲线。根据图中数据，降雨前期路基边坡安全系数与降雨量呈现一定的线性变化规律，且整体上两者呈负相关关系。以降雨强度100 mm/d为例，不同降雨量下的边坡基质吸力分布云图如图6所示；其中，上部浅色区域表示高基质吸力区，由浅至深过渡，基质吸力逐步减小，深色区域则代表土体基质吸力已接近0 kPa。由图6可知，降雨入渗时，地下水位以上路基边坡的基质吸力呈减小趋势，且减小程度和范围随降雨量的增加而增大。其中，填方路基处边坡的基质吸力减小尤为明显，图中深色区域已接近饱和，基质吸力基本为0kPa；而坡顶部分受雨水入渗的影响相对较小，这与该部分边坡土体渗透系数相对较小有关。图7为基于剪应变增量确定的典型路基边坡潜在滑动面形态及位置，可见路基整体位于潜在滑动区。结合图6和图7可知，降雨入渗虽然有效减小了表层边坡土体的基质吸力，但对潜在滑动带处整体基质吸力的影响并不十分显著，这也是降雨2 d后路基边坡稳定系数减小却不明显的原因之一。

图5 安全系数随降雨量的变化关系

(a)降雨量0 mm

(b)降雨量100 mm

(c)降雨量200 mm图6 坡体基质吸力随降雨量的变化(100 mm/d)

图7 路基边坡典型潜在滑动面

3.2 降雨强度及降雨时长的影响

由图5可知，当降雨量相同时，降雨强度越大，路基边坡的整体稳定安全系数越大。图8为降雨强度100 mm/d和200 mm/d对应的路基边坡饱和度分布云图(降雨量为200 mm时)，图中深色区域为饱和区。由图8可知，降雨量相同情况下，降雨强度小的工况所对应的暂态饱和区范围更大。其原因在于：降雨强度200 mm / d的工况只需24h即可达到200 mm降雨量，而降雨强度100mm/d的工况则需48 h方能达到同等降雨量，更长的降雨入渗时间促使路基边坡更大范围达到饱和状态，因此低强长时降雨工况计算所得路基边坡安全系数反而较小。由此可见，短时强降雨对边坡稳定性的危害不一定强于长时弱降雨；实际工程中，应统筹考虑降雨强度和降雨时长的整体效应，当降雨强度中等，但降雨持续时间却很长时(比如我国南方典型的梅雨季节)，更应关注边坡的稳定状态，并结合具体需要，加强监测。另外，上述分析结果也从侧面说明了保障边坡排水通畅的必要性，强降雨条件下，应做好边坡的防排水，以尽量减少雨水渗入边坡内部，消减雨水入渗对边坡土层基质吸力和稳定性的弱化效应。

(a)100 mm / d

((b)200 mm / d图8 降雨量200 mm时路基边坡饱和度分布

3.3 地下水位的影响

降雨不仅会减小边坡土体的基质吸力、增大边坡的整体饱和度，同时还不可避免地引起地下水位的变化。具体至本文研究的半填半挖路基边坡，当坡体内部地下水上升时，会引起边坡下部土体饱和度增加，同时还会伴随有自坡体向海平面的渗流。本文基于建立的有限元模型，分别计算了地下水位上升2、3、4、5、6 m工况下的边坡稳定安全系数。图9为该半填半挖路基边坡安全系数随地下水位上升高度的变化关系曲线。由图可知，该边坡安全系数随地下水位上升高度近似呈线性减小的规律变化；地下水位上升6 m时，边坡安全系数由1.311减小至1.131，已不满足相关规范关于边坡安全储备的要求。因此，为避免强降雨及高地下水位引起路基边坡失稳破坏，有必要采用锚杆或土钉对该边坡进行加固。文献[17]在不考虑边坡土体基质吸力变化的情况下，计算发现于填方路基坡脚附近打设一排土钉时，边坡的潜在滑动面发生了转移，边坡安全系数相应增加，并可满足规范关于公路路基边坡稳定性的要求。另外，对比图5和图9可知，降雨引起的地下水位上升对边坡稳定性的影响强于雨水入渗的影响；建议在相关边坡的设计和分析中，结合实际情况，综合考虑降雨入渗和地下水位上升对边坡稳定性的弱化影响，并根据需要采用单排或多排土钉对边坡进行加固处理，以保障路基边坡的稳定安全。

图9 地下水位上升对边坡稳定性的影响

4 结论

基于PLAXIS有限元仿真计算探讨了半填半挖路基边坡的稳定特性，详细分析了降雨量、降雨强度和时长及地下水位上升对边坡稳定性的影响。所得主要结论如下：

1)边坡的稳定安全系数与降雨量(或降雨时长)呈负相关关系；边坡土体基质吸力的衰减范围和程度均随降雨量的增加而增大；入渗雨水未达到或未明显影响边坡的潜在滑动带时，降雨入渗对边坡稳定性的影响并不显著。

2)降雨量一定时，由于强降雨条件下的雨水入渗时间更短，边坡的暂态饱和区比弱降雨条件时偏小，因而边坡的稳定安全系数略大于长时弱降雨工况下的数值。因此，工程中分析边坡稳定性时，应综合考虑降雨强度和降雨时长(或降雨量)的影响。

3)边坡的稳定安全系数随地下水位的上升呈近似线性减小，且水位上升的影响效应强于雨水入渗对边坡稳定性的影响；建议实际工程中，结合具体情况，统筹考虑降雨入渗和地下水位上升对边坡稳定性的弱化影响。

文中部分仿真参数采用了PLAXIS有限元软件的推荐设置，在此基础上具体探讨了降雨对粗粒土半填半挖路基边坡稳定性的影响，相关定性结果能否推广至不同类型土质边坡，有待今后进一步分析验证。