降雨条件下气泡轻质土边坡渗流及稳定性分析

■朱承鸿

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

为了满足日益增长的区域交通需求，进一步完善道路服务功能，对已有道路进行加宽加铺改造已经越来越普遍，这不仅能够节省经济成本，还能提高道路等级[1]。 因此，对于路基拓宽改造过程中的边坡稳定性及路面沉降等一系列问题的研究备受工程界的关注。

特别是在持续降雨的情况下，雨水进入路基土体内产生渗流力加剧了易滑动体向坡脚滑动的趋势，若在设计中对拓宽路基处填土材料或施工方式的选择不恰当，容易引起边坡稳定问题，甚至引发滑坡[2]。 马海燕[3]运用MIDAS／Civil 有限元软件计算分析发现，路基拓宽填土的容重越大路面工后沉降越大。 因此合理选择拓宽路基回填材料对于解决新旧路基不均匀沉降及边坡稳定问题尤为重要。 由于自身轻质的特点，气泡轻质土作为路基填料性能优越，可有效减小拓宽部分路基由于自重而产生的附加应力， 从而达到减轻新旧路基间的不均匀沉降的问题， 多年来在道路改扩建工程中已得到广泛应用[4-5]。 目前，虽已有很多学者将气泡轻质土应用于道路的改扩建工程中，并对其性质、效果以及经济性等展开研究[6-10]，取得了丰硕的成果，但很少有学者对于气泡轻质土作为边坡路基回填材料时边坡稳定性，尤其对于持续降雨情况下边坡的渗流及稳定问题进行过研究。

鉴于此，本文以福建省某道路的改扩建工程为背景， 运用Hydrus 2D/3D 的Water Flow 及Slop Stability 模块针对持续降雨条件下气泡轻质土边坡的渗流及稳定问题展开研究，为泡沫轻质土在工程中的应用提供更加全面的理论和实践依据。

1 工程概况及模型概化

本文计算模型以福建省某高速公路的改扩建工程为工程地质原型，在已有路基的基础上，采用气泡轻质土作为路基填料进行道路的扩建。 其中轻质土分为两个阶梯，第一阶梯宽2.5 m，厚1.0 m，第二阶梯宽5.0 m， 厚2.2 m。 气泡轻质土上为0.7 m厚路面基层，路基右侧为20 cm 厚的C25 混凝土挡墙。 另外，路基整体处于一库岸边坡上，边坡坡比为1.0∶1.67，通过简化处理计算模型如图1 所示。

图1 计算模型概化

2 数值模拟及结果分析

2.1 网格划分及边界条件

根据概化的模型建立有限元模型，计算模型及网格划分如图2 所示， 并对ABCDE 边界进行网格细化。 设置AB 为大气边界，BCDE 为变水头边界，其余为无流动边界。 此外，限制AG、EF 的水平位移以及GF 的水平和竖向位移。同时，设置如图所示的3 个观测点以便进行更详细的数据分析， 其坐标分别为（700，625）、（900，425）、（1000，125）。

图2 有限元模型示意图

2.2 初始条件

以压水头为初始条件， 初始水位线如图3 所示。 其中水位线以上为非饱和土体，其孔隙水压力为负值，且逐渐减小；水位线以下为饱和土体，压力水头随着深度的增加呈正增长[11]。

图3 初始水头

2.3 计算参数

土样源自研究区边坡路基，通过滤纸法测得含水率与吸力的关系， 并采用Van Genuchten 模型（式1）[12]进行参数标定，如表1 所示。

表1 土层水分参数

式（1）中：θs、θr分别表示饱和含水率和残余含水率；H 为土壤负孔隙水压力；α、n、m 为拟合参数，m=1-1/n。

2.4 计算结果分析

2.4.1 降雨强度的影响

本文以0.5、1.7、3.6、7.5 和10.0 cm/d 分别作为小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的降雨强度进行模拟分析。 不同降雨强度下降雨5 d 时路基土体积含水率云图及安全系数场分别如图4、5 所示。

由图4、6 可知，降雨持时相同的情况下，以降雨持时5 d 为例，降雨入渗深度随着雨强的增大而增大。 当雨强为小雨时，降雨入渗速度缓慢，降雨对气泡轻质土层含水率几乎没有影响（湿润峰深度小于0.7 m）；当为中雨时，降雨才开始对气泡轻质土层含水率产生影响（湿润峰深度大于0.7 m），雨强分别为1.7、3.6、7.5 和10.0 cm/d 时， 湿润峰深度分别约为0.8、1.4、1.6 和1.7 m， 当雨强由中雨增加至大雨时，入渗深度明显加快，但当雨强继续增大时，由于受到渗透系数的限制， 湿润锋深度增加缓慢，降雨入渗速率趋于一个稳定值。

图4 不同降雨强度下路基土含水率云图

图5 不同降雨强度下边坡安全系数场

图6 不同雨强下湿润锋变化

由图7 可知，不同降雨强度下监测点1 处含水率随降雨持时的变化，降雨强度越大监测点含水率变化响应时间越快，但当增快到一定时间由于受到土体渗透系数的限制，监测点含水率变化响应时间趋于一个稳定值。当雨强为0.5 cm/d，降雨10 d 时，监测点含水率仍未发生变化； 当雨强大于7.5 cm/d时，监测点含水率变化响应时间基本保持不变。

图7 不同雨强下监测点1 含水率随降雨持时变化

由图5、8 可知，降雨持时相同的情况下，以降雨持时5 d 为例，监测点1 处安全系数随着雨强的增大而减小，但减小幅度较小，且减小的速率逐渐趋于平缓。如从小雨增至中雨时监测点安全系数降低了2.41%，而从暴雨增加至大暴雨时监测点安全系数仅降低了0.02%。随着降雨持时的增加监测点处安全系数逐渐减小， 但最终趋于稳定值32.85，另外降雨强度越大安全系数随降雨持时减小的速率越快。

图8 不同雨强下监测点1 处安全系数变化（降雨持时5 d）

2.4.2 降雨持时的影响

图9 为7.5 cm/d 降雨强度条件下不同降雨持时路基土体积含水率变化云图。 可知，随着降雨持时的增加降雨入渗的深度不断增加，约从第2 d 时降雨开始对气泡轻质土层含水量产生影响。 当降雨持时分别为2、6、8、10 d 时， 降雨入渗至气泡轻质土层的深度分别约为0.1、1.0、1.45 和1.9 m，每2 天约入渗0.45 m。 由图8 可知，边坡安全系数则随降雨持时的增加逐渐降低， 但降低速率逐渐减小，最终趋于一个稳定值，且降低的幅度较小，以监测点1为例，一共仅降低了4.48%。

图9 不同降雨持时边坡含水率变化云图（雨强7.5 cm/d）

2.4.3 气泡轻质土渗透系数的影响

不同配比的气泡轻质土具有不同的渗透系数，为更加全面地研究泡沫轻质土为其在工程中的应用提供依据，控制雨强（7.5 cm/d）、降雨持时（10 d）等其他条件不变，分别取0.864、4.32、8.64、12.96 和17.28 cm/d 作为气泡轻质土的渗透系数进行计算。结果显示，渗透系数由0.864 cm/d 增加至17.28 cm/d时湿润锋深度分别增加了0.25、0.20、0.10 和0.08 m，可见降雨入渗深度随着气泡轻质土渗透系数的增大而增加，但增大速度逐渐减小。 以监测点1 为例，绘制不同渗透系数下监测点处含水率及安全系数随时间的变化曲线分别如图10、11 所示。

图10 不同渗透系数下监测点1 含水率变化

由图10 可知， 气泡轻质土不同渗透系数下监测点1 处含水率随降雨持时的变化曲线可知，渗透系数越大监测点含水率变化响应时间越快，但响应后含水率变化速度及变化幅度均越小，即最终趋于稳定时的最大含水率越小。

由图11 可知， 气泡轻质土渗透系数对边坡安全系数影响较小，降雨持时相同的情况下，渗透系数增大安全系数略有增大。 各渗透系数下监测点安全系数均随着降雨持时的增加而降低，但降低到一定值时趋于稳定，且渗透系数越大趋于稳定时的安全系数也越大。

图11 不同渗透系数下监测点1 安全系数变化

3 结论

以福建省某道路的改扩建工程为背景， 运用Hydrus 2D/3D 软件对降雨条件下气泡轻质土边坡的渗流及稳定问题进行模拟分析，分别研究了不同降雨强度、降雨持时以及气泡轻质土渗透系数影响下气泡轻质土边坡渗流及稳定性变化规律，得出以下结论：

（1）降雨持时（5 d）和渗透系数（8.64 cm/d）相同的情况下，随着降雨强度的增加降雨入深的深度越深，当雨强由17 mm/d 增大至36 mm/d 时，入渗深度增加明显，但当雨强继续增大时，由于受到气泡轻质土渗透系数的限制， 湿润锋深度增加缓慢，降雨入渗速率趋于一个稳定值；随着降雨强度的增加边坡安全系数则不断减小， 但变化幅度较小，且减小的速率也逐渐趋于平缓。 以监测点1 为例，从小雨增至中雨时监测点安全系数降低了2.41%，而从暴雨增加至大暴雨时监测点安全系数仅降低了0.02%。

（2）降雨强度（7.5 cm/d）和渗透系数（8.64 cm/d）相同的情况下，降雨入渗的深度随着降雨持时的增加基本呈线性增加， 平均每2 天入渗深度增加0.45 m； 安全系数则随着降雨持时的增加呈现小幅度的降低，且降低速率也不断减小，最终趋于一个稳定值。

（3）降雨强度（7.5 cm/d）相同的情况下，气泡轻质土渗透系数越大监测点处含水率变化响应越快，但响应后含水率的变化速度及变化幅度均越小，即最终趋于稳定时的最大含水率越小；各渗透系数下监测点安全系数均随着降雨持时的增加而降低，但降低到一定值时趋于稳定，且渗透系数越大趋于稳定时的安全系数也越大。 当降雨持时也相同的情况下，则表现为降雨入渗的深度随着气泡轻质土渗透系数的增大而增加，但增加的速度逐渐减小，最终趋于一个稳定值。