降雨条件下炭质泥岩-土分层路堤渗流特性分析

白伟 李光裕

摘要：为分析降雨条件下炭质泥岩一土分层路堤渗流特性，文章以西南某高速公路路堤填筑工程为例，采用数值计算软件对降雨条件下炭质泥岩一土分层路堤的渗流特性进行分析。结果表明：在降雨期间，靠近坡面的土体内部易形成暂态饱和区，而在边坡内部未形成暂态饱和区;边坡内部粉质黏土基质吸力下降幅度比炭质泥岩下降幅度大，且距离坡面越远，基质吸力下降的时间越晚;降雨期间坡面土体孔隙水压力上升幅度较大，而边坡内部土体孔隙水压力无明显升高。

关键词：路堤工程;预崩解炭质泥岩;分层填筑;降雨入渗;渗流特性

中图分类号：U416.26 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.018

文章编号：1673-4874（2019）08-0062-04

0引言

在炭质泥岩广泛分布的西南地区，优质填料极为匮乏，从经济和环保两方面考虑，利用炭质泥岩进行路堤填筑是大势所趋。现有研究表明，炭质泥岩完全崩解后可满足路用性能，但考虑炭质泥岩受雨水入渗发生进一步崩解，往往采用崩解炭质泥岩与粉质黏土分层填筑的方式填筑路堤，目的是利用粉质黏土较低的渗透性阻隔水分的渗入，保证炭质泥岩在填筑后不受外部水体入渗的影响，从而降低路堤边坡在复杂环境中的失稳风险。本文以某高速公路路堤填筑工程为例，采用数值计算软件分析降雨条件下炭质泥岩一土分层路堤的渗流特性，以期为炭质泥岩广泛分布地区的路堤填筑与施工提供参考与指导。

1工程背景

某高速位于西南接近云贵高原，公路沿线多为丘陵山区，地形和地质条件复杂，山高坡陡，高填深挖及半填半挖极其普遍。在修建过程中发现大量未崩解炭质泥岩，路堤采用预崩解炭质泥岩一土分层交错的方法填筑，其中桩号k10+700的断面路堤两侧对称，故取k10+700断面半坡面作为研究对象。

2计算模型及参数

2.1计算模型

建立的计算模型如图1所示，路堤坡比为1：1.5，考虑计算效率与精度将模型全局单元尺寸设为0.5，将模型划分为5412个节点和5295个单元。特征截面分布位置与降雨模型试验所设置的一致：特征截面I-I位于距模型坡顶3m的水平面上（测点3、4、5号）;特征截面Ⅱ-Ⅱ位于距模型坡顶5m的水平面上（测点6、7、8、9号）;特征截面Ⅲ-Ⅲ位于距模型坡顶7m的水平面上（测点10、11、12、13、14号）;特征截面Ⅳ一Ⅳ位于距坡面0.75m且与坡面平行的平面上（2、5、9、14号）;特征截面V-V位于距坡面2.25mE与坡面平行的平面上（1、4、8、13号）。

2.2计算参数

根据土工試验得到预崩解炭质泥岩渗流与物理参数，再取公路附近原状粉质黏土与基岩，采用相同的土工试验得到其各种参数，见表1，通过Van-Genuc hten模型拟合炭质泥岩、粉质黏土与基岩的土一水特征与渗透系数曲线，如图2～3所示。

2.3计算方案

为分析降雨入渗对炭质泥岩一土分层路堤渗流特性的影响，设置降雨强度为3.34×10m/s（该地区连续7d平均降雨量）。水位线以下的孔隙水压力按照静水压力计算，地下水位线处孔隙水压力为O kPa，而地下水位线以上的区域采用VG模型进行非线性拟合，使与大气接触的坡面各处负孔隙水压力相同，初始孔隙水压力如图4所示。

3结果与分析

3.1含水率的变化规律

图5～8为沿高程分布的特征截面I-I、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ一Ⅲ含水率随时间的变化规律，由图可知：（1）在降雨试验过程中，坡面土体（测点3号）含水率的变化分为：持续稳定、迅速升高和迅速下降三个阶段;靠近包边土的内部土体（测点4号）与远离包边土的内部土体（测点5号）含水率变化规律分为两个阶段：持续稳定和缓慢升高;（2）粉质黏土土层（特征截面Ⅱ-Ⅱ）在含水率达到24.52%（饱和含水率的90%）以上时，认为该处土体处于饱和状态，并在该处形成暂态饱和区，如图6所示，在降雨过程中，靠近坡面的土体（测点8）内部形成暂态饱和区，同时距离坡面越近的土体率先形成暂态饱和区;（3）炭质泥岩土层（特征截面III-III）含水率在试验期间未超过其饱和含水率90%，因此认为在炭质泥岩土层中未出现暂态饱和区。

3.2基质吸力的变化规律

沿高程分布的特征截面I-I、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ基质吸力随时间的变化规律如图9～10所示。由图9可知：（1）在试验过程中，坡面土体（测点3号）基质吸力的变化分为：迅速下降、迅速升高和缓慢升高三个阶段;靠近包边土的内部土体（测点4号）与远离包边土的内部土体（测点5号）基质吸力变化规律分为三个阶段：持续稳定、迅速下降和缓慢升高。（2）坡面粉质黏土基质吸力下降幅度最大，同时降雨停止后升高幅度也最大，边坡内部粉质黏土基质吸力下降幅度比炭质泥岩下降幅度大，且距离坡面越远，基质吸力下降的时间越晚。

3.3路堤孔隙水压力分布

图11为分层路堤在降雨条件下，不同时刻的孔隙水压力分布图，由图可知，在降雨期间坡面土体孔隙水压力上升幅度较大，而边坡内部土体孔隙水压力在降雨期间无明显升高，这是由于降雨入渗导致坡面土体含水率升高，孔隙水压力也随之增加。降雨停止后由于雨水持续渗透进入边坡内部，导致边坡内部含水率增加，孔隙水压力也随之增加，而坡面由于雨水入渗，含水率持续降低，孔隙水压力也随之下降。在最终停止时刻（第512h），高程位于7～9m之间的炭质泥岩土层孔隙水压力增加幅度最大。

4结语

本文以西南某高速公路工程为依托，对降雨条件下炭质泥岩一土分层路堤的渗流特征进行研究，得到以下结论：

（1）坡面土体含水率的变化可分为持续稳定、迅速升高和迅速下降三个阶段;降雨期间，靠近坡面的土体内部容易形成暂态饱和区，在边坡内部未形暂态饱和区。

（2）坡面粉质黏土基质吸力下降幅度与降雨停止后升高幅度最大，边坡内部粉质黏土基质吸力下降幅度比炭质泥岩下降幅度大，且距离坡面越远，基质吸力下降的时间越晚。

（3）降雨期间坡面土体孔隙水压力上升幅度较大，而边坡内部土体孔隙水压力无明显升高，降雨停止后边坡内部含水率增加，导致孔隙水压力随之增加。