降雨条件下水敏性高填方路基边坡稳定性分析

郑敏敏

（兰州信息科技学院，兰州 730000）

世界各国铁路系统飞速发展，铁路填方路基应用较多，对于路基边坡稳定性的评价方法，常用的有基于理论力学建立的极限平衡法和有限元法等［1-3］，朱大勇等［4］根据最优控制理论引入了边坡临界滑动场的概念， 进而计算临界滑动面的最小安全系数；戴自航等［5］建立了边坡稳定性分析的平面坐标系，通过数值处理程序得到了边坡下滑力和抗滑力的分布规律；薛雷等［6］利用强度折减法计算非均质边坡的安全系数，对比了局部折减和整体折减的区别，得出整体折减更靠近极限平衡法算出的边坡整体安全系数的结论；卢海峰等［7］通过改进的极限平衡法计算反倾岩质边坡的稳定性，对影响边坡稳定性的各种因素进行了分析对比；于斯滢等［8］结合了极限平衡法和有限元应力分析法的特点分析了尾矿坝坝体的稳定性，为设计安全和施工安全提供依据；卢坤林等［9］提出了一种基于土压力理论的滑动面极限平衡法，用此方法分析了边坡的整体稳定并取得了理想效果。

在环境、造价和工期等各种因素的制约下，应用在路基填方的土料并不都是最优的路基调料， 水敏性填方土料便是其中一种。对于填方路基，水敏性土料符合路基的绝大部分力学和稳定性要求， 然而在降雨条件下，高填方路基由于坡面面积较大，降雨入渗量也相对较大， 而降雨入渗量对路基稳定性起关键性作用， 因此入渗量过大可能会导致边坡的整体失稳［10-12］。 张卢明等［13］建立了降雨条件下的滑坡体暂态渗流场模型， 得出影响滑坡体稳定性的关键因素是降雨强度和水位深度；张勇慧等［14］基于模糊综合评判了岩质边坡的稳定性， 结果表明该方法的合理性；唐栋等［15］采用非饱和渗流分析法研究了前期降雨对不同土体边坡稳定性影响；蒋中明等［16］基于降雨渗入机制分析了非饱和边坡的渗流场。

本文基于前人的研究，结合实际工程案例，采用有限元法分析了降雨条件下水敏性高路基边坡的体积含水量和孔隙水压力的变化规律， 并评价了边坡的稳定性，为工程提供了参考依据。

1 工程概况

某公路工程正线全长112.29km。 根据地勘资料，可得施工路段岩层特性。铁路走线上层覆盖地层主要为第四系（Q），主要包括含碎石的粉质黏土层、粉质黏土、卵石层、碎石层等；深层基岩主要为侏罗系时期对的沉积岩，主要有砂岩、粉砂岩和泥质砂岩等。

高填方路堤是指填土高度大于20m的路堤，在工程路段中， 有一段为水敏性软岩填筑的高填方路堤， 因此对该路段路基边坡进行稳定性评估是必要的。

表1 土体参数

2 有限元模型

由于近地表浅层路基为非饱和土层， 降雨入渗将致使表层土体饱和度增加， 甚至出现过饱和的现象。 边坡表层土体的湿润锋随着降雨强度和降雨持续时间的增加而渐渐往土体深层移动， 土体的基质吸力渐渐消失， 土体的渗透特性也跟着降雨而持续改变。 为研究水敏性软岩填筑的路堤高边坡的稳定性，建立水敏性软岩高填方路基渗流模型，如图1。

图1 模型示意图

根据工程实际， 该边坡模型填土高度为22.5m，以坡脚为原点，模型的左侧范围取50m，右侧范围取150m。 为准确反映边坡在降雨条件下的变形特征，将网格的尺寸设定为0.5m， 对整个模型进行网格划分，模型共有26500个节点，26056个单元，模型左右两端限制其水平位移，竖向位移可自由发生，模型底部固定。 由于本文的主要研究内容为降雨入渗对边坡的稳定性影响， 故模型中将土层本构模型选定为修正的摩尔库伦本构模型。 为方便分析边坡的稳定性，定义了4个剖面作为观测边坡内在变化规律的依据，如图1。

降雨条件设置如下：降雨形式为持续均匀降雨，降雨总量为300mm，分析时间为7d，在前5d降雨强度为6mm/d，后2d降雨强度为0mm/d。

孔隙水压力和边坡稳定性系数可通过软件中Slope/w模块计算获取，Slope/w模块是软件中专门计算边坡稳定性的模块， 获取边坡稳定性系的本质方法是极限平衡法， 即将边坡抗滑力与边坡下滑力的比值作为稳定系数。

3 降雨条件下边坡土体体积含水率的变化规律

考虑了不同剖面位置边坡非饱和土层潜在滑动面的渗流特征，4个剖面的体积含水率随深度的变化规律如图2～图5（体积含水率函数根据软件自带含水率函数选取）。

图2 A剖面体积含水率曲线

从图2可看出， 边坡表层受到降雨入渗的影响，且渗入边坡内部的雨水在重力作用下向下渗流，由于剖面A离坡脚处较近，水流将在此处汇集，故该剖面处达到高饱和度所需要的时间比其他剖面更短，当分析时间达到第3d时深度为5m处的体积含水率已经达到了峰值， 之后该剖面处所有土体均到达了饱和状态。 第5d停止降雨后，由于雨水持续向下入渗，剖面表层的土体饱和度下降， 而下部土体则维持在高饱和。

从图3可看出，B剖面处表层土体在降雨的影响下体积含水率持续升高， 而深层土体的体积含水率变化相对不大，随着降雨持续，深部土体的体积含水率也随之增加，当降雨持续4d后，该剖面处所有土体均达到最高含水率，而当第5d降雨结束后，表层土体由于雨水下渗的缘故体积含水率有所下降， 深层土体体积含水率基本不变。

图3 B剖面体积含水率曲线

从图4可看出，C剖面处表层土体在降雨的影响下体积含水率持续升高， 而深层土体的体积含水率变化相对不大，随着降雨持续，深部土体的体积含水率也随之增加，但影响范围在坡面以下10m内，第5d时该剖面10m范围内所有土体均已达到饱和，而10m以下土体处在初始体积含水率的状态， 并未受到降雨影响。

图4 C剖面体积含水率曲线

从图5可看出，D剖面处体积含水率随降雨持时的影响与C剖面处相似，不同的是D剖面处的湿润锋范围为坡面以下12m。

图5 D剖面体积含水率曲线

4 降雨条件下边坡土体孔隙水压力的变化规律

图6～图9为不同路基剖面孔隙水压力随深度变化的规律， 土体孔隙水压力初始值通过在边坡工程现场据深度布设孔压计获取。 从图中可以看出，A剖面在降雨第3d时剖面各点孔压均出现正值，B剖面则是在降雨第4d出现此现象。 C剖面处在降雨后第5d 10m范围内出现正值，D剖面则是12m范围内，而在更深处的土体则孔压保持为负值， 这说明降雨对深层土体的孔压影响较小。 从变化规律不难看出孔压与体积含水率随降雨入渗的变化规律相似， 两者可以相互印证。

图6 A剖面孔压曲线

图7 B剖面孔压曲线

图8 C剖面孔压曲线

图9 D剖面孔压曲线

5 降雨条件下路基边坡的稳定性分析

图10水敏性高路堤填土边坡不同剖面处在降雨入渗作用下的稳定系数变化曲线。 可知从整体稳定性来看， 坡脚表层破坏面和顶部表层滑动面的稳定系数数值较大， 而底部表层破坏面和中间破坏面初始稳定系数较小， 这是因为受到边坡上部土体自重作用的缘故。随着降雨的持续，各个剖面处的稳定系数均有降低。 A剖面的稳定系数降低最为明显，D剖面稳定系数降幅较低，这是因为D剖面排水通道较多的缘故。 B剖面和C剖面在降雨持续4d左右出现了稳定系数的大幅度降低，这是由于随着湿润锋的下移，中部土体的基质吸力丧失，渗透特性也随之改变，土体的力学性能降低，从而导致边坡稳定性也下降。

图10 边坡稳定系数变化曲线

6 结语

本文基于有限元分析法， 分析了水敏性高填方边坡在降雨条件下的稳定性，得出了以下结论：

（1）在降雨条件下，水敏性高填方路堤边坡不同剖面处的体积含水率呈现出不同的变化规律。A剖面和B剖面在降雨持续一段时间后剖面下所有深度土体均达到饱和状态，而C剖面和D剖面则在一定深度范围内呈现出此规律， 这是因为C、D剖面离边坡顶部较近，雨水在边坡内部往下渗流的缘故。

（2）在降雨条件下，水敏性高填方路堤边坡不同剖面处的孔压呈现的变化规律与体积含水率近似，两相对比下可知靠近坡脚的地方土体更容易失去基质吸力， 这是由于坡脚处同时受到坡面降雨入渗和坡体雨水渗流的双重影响， 坡内渗流对坡顶土体有利而对坡脚土体不利。

（3）在降雨条件下，不同剖面处的稳定系数变化规律不同，初始稳定系数受重力影响较大，也受到边坡加固作用的影响。在降雨条件下，靠近坡脚的剖面A和剖面B降低幅度大， 而距离坡顶较近的剖面C和剖面D稳定系数下降较小，这与边坡体积含水量变化规律以及孔压变化规律相符合。