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(1.廣西大學 機械工程學院, 廣西 南寧　530007；2.廣西交通科學研究院，廣西 南寧　530007；3.廣西翔路建設(shè)有限責任公司, 廣西 南寧　530029；4.廣州大學 工程抗震研究中心，廣東 廣州　510405)

0　引言

降雨入滲是誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)最主要的原因之一[1]。對于風化的深度較淺的邊坡，降雨時大多失效僅發(fā)生在表層的風化殘積土[2]。由于造價的因素，大量土質(zhì)路塹邊坡在公路施工期及運營期均裸露在外或者以簡單的植草進行防護。在較長時間陽光、風、降雨等自然因素的影響下，其表層土體風化程度較大，細粒結(jié)構(gòu)因滲流因素大量流失，土體性狀相較深層土體有較大差異，形成典型的薄殼雙層土體結(jié)構(gòu)。在遭遇連續(xù)降雨后，容易發(fā)生以淺層滑坡為主的坡體失穩(wěn)，滑動類型一般為小型的平面或非圓弧滑動和崩塌，風化表層土與深層土體結(jié)合部經(jīng)常構(gòu)成滑動面，“濕潤峰”深度一般不超過2 m[3]。這種層狀土入滲特性不同于均質(zhì)土的入滲特性，層狀土的降雨入滲分析對研究多層土的入滲分析具有重要意義。

國內(nèi)外許多學者對邊坡的降雨入滲過程進行大量研究，建立相應(yīng)的求解方法。朱偉等[4]研究設(shè)計室內(nèi)降雨入滲土柱試驗，在初步揭示降雨入滲過程和規(guī)律的基礎(chǔ)上，探討準確反映降雨入滲量的有限元計算方法；張社榮等[5]研究了強降雨特性對飽和-非飽和邊坡失穩(wěn)的影響；李寧等[6]用Python語言對ABAQUS軟件的降雨入滲邊界進行二次開發(fā)，開發(fā)出基于ABAQUS軟件的降雨入滲模塊；吳李泉等[7]考慮降雨入滲引起土體質(zhì)量和滲透力增大及抗剪強度對邊坡穩(wěn)定性的影響，開發(fā)USLOPEFEM計算程序，研究強降雨入滲條件下浙江武義平頭村山體高邊坡的瞬態(tài)滲流場及穩(wěn)定性；W.T.Oh和S.K.Vanapalli[8]研究降雨入滲對土體抗剪強度及邊坡穩(wěn)定性的影響；Guan， J. et al[9]綜合分析了地表徑流、滲流作用與邊坡穩(wěn)定的關(guān)系；Oh S和Lu N[10]研究發(fā)現(xiàn)盡管邊坡幾何、流體力學的特性、抗剪強度和降水時間會有差異，但邊坡失效時其安全系數(shù)都小于1.0。上述研究表明降雨誘發(fā)滑坡的機制主要是由于降雨入滲造成巖土體基質(zhì)吸力降低、孔隙水壓力變化及地下水位的上升，并增加巖土體的容重、降低巖土體的抗剪強度。但是，降雨對于深層滑坡，主要地下水位的抬升，以及水的弱化作用對滑坡的影響較大；而對于淺層滑坡，主要受瞬時孔隙水壓力的變化控制，同時伴隨著沖刷和侵蝕作用。

上述研究大多假設(shè)邊坡由均質(zhì)土構(gòu)成，對層狀邊坡的降雨入滲研究甚少。因此以廣西百色一典型公路邊坡為例，利用公路運營前設(shè)計階段的邊坡勘察資料和公路運營期邊坡補充地質(zhì)勘查和土工試驗資料，分析了原狀土體和公路運營后邊坡土體的變化，并利用有限元程序ABAQUS分析了雙層土質(zhì)高邊坡降雨入滲全過程，以更好地理解降雨對滑坡的作用過程和誘發(fā)機制，為邊坡病害防治和預測預報提供科學依據(jù)。

1　研究邊坡的選擇與概況

圖1　目標高邊坡工程地質(zhì)圖(單位：cm)

選擇廣西百色至隆林高速公路田林縣境某路塹高邊坡作為研究對象。圖1為高邊坡的工程地質(zhì)圖，2006年設(shè)計階段進行了一系列的現(xiàn)場勘查工作,鉆孔分別為ZK-1與ZK-2，得到了相應(yīng)巖土物理力學參數(shù)。施工開挖后只剩下強風化泥質(zhì)粉砂巖的單一均質(zhì)土層。2014年為研究邊坡失穩(wěn)，再次對邊坡進行了補充勘查，鉆孔分別為ZK-3與ZK-4，重點研究邊坡的風化程度和風化后土層的力學參數(shù)。鉆探結(jié)果顯示，邊坡表層平均深2 m左右的土，由于風化作用，表現(xiàn)出與2006年鉆探結(jié)果中全風化泥質(zhì)粉砂巖III級黏土類似性質(zhì)，而深層硬土的力學參數(shù)變化很小。具體巖土物理力學參數(shù)如表1所示，因土的物理參數(shù)隨深度而發(fā)生細微變化，為簡化計算，表中數(shù)值經(jīng)過均值處理。

表1　各地層巖土物理力學參數(shù)

2　邊坡計算條件

2.1　計算模型及參數(shù)

目標邊坡數(shù)值計算模型如圖2所示，邊坡坡度為42°，表層風化土為厚2 m的全風化泥質(zhì)粉砂巖，下部為強風化泥質(zhì)粉砂巖，土體的物理力學參數(shù)如表1所示。A、B為監(jiān)測單元，C、D、F為監(jiān)控點，利用ABAQUS有限元程序強大的滲流與變形耦合分析功能，進行邊坡穩(wěn)態(tài)滲流場與應(yīng)力場的耦合仿真分析，以探求不同強降雨作用下邊坡失穩(wěn)的內(nèi)在規(guī)律。分析中邊坡的非飽和水力參數(shù)參考相關(guān)研究[11]類比確定，計算所采用的孔壓-相對滲透系數(shù)的關(guān)系如圖3所示。位移邊界條件為模型左右兩側(cè)施加法向約束，邊坡上部為自由邊界，下部為全約束邊界；流量邊界條件為模型兩側(cè)、地下水位以下考慮為定水頭邊界，地下水位以上設(shè)為零流量邊界，模型底面為不透水邊界。模型采用孔壓/位移耦合的CPE4P四節(jié)點平面應(yīng)變單元，單元數(shù)為1 186個。本構(gòu)模型和屈服準則分別采用理想彈塑性本構(gòu)和Mohr-Coulomb強度準則，計算模型內(nèi)所有節(jié)點的應(yīng)力、位移及單元的塑性應(yīng)變。

2.2　降雨入滲計算條件

參考勘查報告，模型兩側(cè)初始水頭邊界為8 m。參照對百色市1961—1990降雨統(tǒng)計資料。確定模擬降雨的過程為：模擬總時間為3 d，降雨總量為288 mm。因?qū)嶋H降雨情況非常復雜，難以逐一討論。本文降雨形式采用全局平均方法，將實際降雨理想化地劃分為3次直線上升下降型、直線上升型、單次直線上升下降型，以表示降雨強度在降雨過程中的變化情況。則3種型式的降雨分布如圖4所示。

圖2　邊坡有限元模型

圖3　邊坡孔壓與相對滲透系數(shù)的關(guān)系

圖4　降雨雨型

3　計算結(jié)果與分析

3.1　降雨前后孔壓與應(yīng)力對比分析

降雨前后邊坡的孔隙水壓力(POR)分布如圖5所示。圖5(a)中，邊坡的水壓力呈線性分布，這與本文給出的初始假設(shè)孔壓隨深度線性分布是相符合的。對比圖5(a)與圖5(b)、(c)可知，降雨入滲后的孔壓分布圖與初始狀態(tài)有明顯的區(qū)別，邊坡頂部以下的吸力區(qū)范圍減小。由圖5(b)、(c)可知，隨著降雨時間的延長，邊坡的飽和度增大，孔隙水壓力增大，土體淺層的基質(zhì)吸力則減小或消失。驗證了模擬強降雨方法的可靠性，能在此基礎(chǔ)上進行降雨特性對邊坡破壞的深入研究。

圖5　孔隙水壓力分布圖

降雨前后邊坡的豎向有效應(yīng)力(S22)分布如圖6所示。圖6(a)中，降雨前邊坡的頂部豎向有效應(yīng)力并不為零，是由于Abaqus/Standard有效應(yīng)力中考慮了吸力的影響。另外豎向有效應(yīng)力分布呈現(xiàn)從坡面向里逐漸增加的特點，這與水平地基的應(yīng)力分布情況是截然不同的。對比圖6(a)與圖6(b)、(c)可知，降雨入滲后的邊坡的豎向應(yīng)力發(fā)生了較大的改變，邊坡內(nèi)部最大豎向應(yīng)力逐漸增加，邊坡表層與土層接觸位置的豎向應(yīng)力都隨著降雨時間增加逐漸減小。這也正好說明了，隨著降雨時間的增長，邊坡可能在淺層發(fā)生破壞。

圖6　豎向有效應(yīng)力分布圖

3.2　降雨雨型對邊坡響應(yīng)的影響

圖7為單元A在雨型1～3作用下塑性應(yīng)變(ε)隨時間的變化曲線，A1表示單元A在雨型1作用下，A2、A3類似。單元A在雨型1～3作用下時，分別當t=7.6 h、t=43.7 h與t=17.2 h時，坡腳出現(xiàn)塑性區(qū)，之后都隨著時間的增長而快速增加，大約到t=12 h、36 h和72 h時，此時3種降雨強度首次達到最大值，坡腳的塑性應(yīng)變也分別達到最大值0.067、0.069和0.051，對于雨型1和2塑性應(yīng)變達到峰值之后不再隨時間增長而增加。雨型1作用下，邊坡很快就出現(xiàn)塑性應(yīng)變。雨型2作用時，雖塑性應(yīng)變出現(xiàn)的時間較晚，但峰值最大。雨型3作用下，邊坡的塑性應(yīng)變峰值最小。由此可知，對于不同雨型，邊坡塑性應(yīng)變峰值都是在降雨達到最大時出現(xiàn)，當降雨強度達到最大后，塑性應(yīng)變不再增加；降雨總量相同的情況下，雨型會影響塑性應(yīng)變出現(xiàn)的時間與峰值。

單元A與單元B的平均應(yīng)力路徑如圖8所示，橫坐標與縱坐標分別為單元的平均應(yīng)力(P)與等效應(yīng)力(σ)。圖8中，單元A與單元B的平均應(yīng)力路徑出現(xiàn)明顯不同的特征，雨型1～3作用下單元A的平均應(yīng)力的路徑基本一致，整體為開口向右下的斜U字型。這是因為坡腳的A單元，在降雨入滲的作用下，孔壓增加，平均應(yīng)力是減小的。當減小到一定程度時，平均應(yīng)力路徑達到屈服面，此時應(yīng)力路徑沿著屈服面向左下方移動。但這之后對于雨型1與雨型3，由于降雨強度的減少，邊坡吸力增加，孔壓減小，平均應(yīng)力增大后，會逐漸偏移屈服面。而雨型2，降雨強度不會減少，因而不會偏移屈服面。雨型1、3作用下單元B的平均應(yīng)力的路徑也基本一致，平均應(yīng)力與等效應(yīng)力先增大，到一定值后，又分別減小。這是由于單元B處于土坡內(nèi)部，上方的土吸水后容重增加，導致單元B的平均應(yīng)力與等效應(yīng)力都會增加，但對雨型1、3接近降雨結(jié)束時，單元B的平均應(yīng)力與等效應(yīng)力會有所下降。但雨型2作用時，單元B的平均應(yīng)力與等效應(yīng)力一值是上升的。由于該雙層結(jié)構(gòu)土質(zhì)路塹高邊坡表層A單元更容易進入屈服，這正好說明，降雨入滲作用下邊坡的表層可能先出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。由此可見，應(yīng)對實際工程中的高邊坡，采取一定的措施，增加邊坡的穩(wěn)定。

圖7　單元A塑性應(yīng)變隨時間的變化

圖8　單元A與單元B平均應(yīng)力路徑

圖9為雨型1～3作用下邊坡的位移時程曲線，U11表示雨型1作用下邊坡的水平位移U1，U21表示雨型1作用下邊坡的豎向位移U2。由圖9可知，對于該雙層結(jié)構(gòu)土質(zhì)路塹高邊坡，相同降水總量的情況下，降雨形式對邊坡表層監(jiān)測點的位移響應(yīng)影響較大。邊坡在各雨型作用初期，降雨強度較低時，邊坡豎向位移都會略微向上，水平位移會略微水平向左，這是由于初期邊坡土體吸水而發(fā)生膨脹。對于邊坡表層監(jiān)測點C而言(圖9(a))，各雨型降水強度首次接近峰值時，邊坡的水平與豎向位移都急速增大。這是由于降雨強度的增大，導致雙層結(jié)構(gòu)土質(zhì)路塹高邊坡的坡體內(nèi)部的土體孔壓增大，吸力降低，土體內(nèi)部發(fā)生軟化，導致土體的抗剪強度降低，加之坡體本身自重作用下，邊坡的變形會迅速加大。圖9(a)中，雨型1、3作用下時，邊坡水平與豎向位移達到峰值后，隨著時間的增長，位移的變化很小。監(jiān)測點C在雨型1作用下的豎向位移最大，為-0.34 m，雨型2次之，雨型3作用下最小。監(jiān)測點C在雨型2作用下的水平位移最大，為-0.22 m，雨型1次之，雨型3作用下最小。對于邊坡表層監(jiān)測點D而言(圖9(b))，各雨型降水強度首次接近峰值時，邊坡的水平與豎向位移都急速增大。原因同監(jiān)測點C。圖9(b)中，雨型1～3作用下時，邊坡水平與豎向位移變化趨勢同監(jiān)測點C。監(jiān)測點D在雨型1作用下的豎向位移最大，為-0.31 m，雨型2次之，雨型3作用下最小。監(jiān)測點D在雨型2作用下的水平位移最大，為-0.40 m，雨型1次之，雨型3作用下最小。這里監(jiān)測點C與D的位移都較大，此時邊坡位移較大，邊坡已處于瀕臨失穩(wěn)的邊緣。圖9(c)中，監(jiān)測點F位移響應(yīng)與雨量的變化較為一致；邊坡的豎向位移都為向上，水平位移都是向左，這是由于邊坡在降雨的作用下坡體軟化和邊坡自重的增加，進而邊坡的滑動力將增大，該滑動力傳遞至邊坡下部并擠壓坡腳土體，從而導致該點會抬升，同時向左滑移?？傮w而言，不同雨型作用下，雙層土邊坡的不同部位的位移響應(yīng)差別較大，降雨對邊坡中部的水平位移影響最大，上部次之，底部最??；降雨對邊坡上部的豎向位移影響最大，中部次之，底部最小?？梢妼﹄p層結(jié)構(gòu)土質(zhì)路塹高邊坡在連續(xù)降雨作用下的失穩(wěn)，應(yīng)予以重視，在實際工程中應(yīng)采取相應(yīng)的措施，增強邊坡的穩(wěn)定性。

圖9　雨型1～3作用下邊坡的位移時程曲線

3.3　降雨對邊坡失穩(wěn)的影響

為了探討強降雨對邊坡失穩(wěn)的影響，在雨型2的基礎(chǔ)上，降雨總量考慮為720 mm的極端情況。圖10(a)為邊坡接近破壞時位移等值云圖，此時邊坡的最大位移為0.463 m，在邊坡坡腳表層土位置，然而，由于位移中包含了由重力荷載所引起的位移，根據(jù)總位移等值線圖無法判斷滑動面的位置。但考慮到邊坡失穩(wěn)的趨勢應(yīng)該在增量位移中得到反映，因而，可以通過計算終止的最后一個增量步的增量位移來判斷出邊坡滑動面的位置。邊坡最后一個增量步的增量位移如圖10(b)所示，最大位移為0.025 m，該位置邊坡的變形速度為0.054 m/h，邊坡已發(fā)生緊急變動，說明對于該雙層結(jié)構(gòu)土質(zhì)路塹高邊坡，在降雨的持續(xù)作用下，最先發(fā)生失穩(wěn)是該位置，實際中應(yīng)采取相應(yīng)的措施進行加固處理。其它雨型作用下，邊坡的失穩(wěn)的過程與雨型2類似。

圖10　邊坡位移等值云圖

4　結(jié)論與建議

基于飽和非飽和降雨入滲模擬方法，采用ABAQUS軟件，結(jié)合地質(zhì)勘查資料和土工試驗成果對不同雨型作用下的典型雙層土質(zhì)高邊坡降雨入滲全過程進行了數(shù)值模擬，得到了如下結(jié)論：

(1) 在強降雨條件下，地表水入滲將導致土體淺層的基質(zhì)吸力減小或消失，土體表層豎向有效應(yīng)力減小。

(2) 不同雨型作用下，邊坡表層土塑性應(yīng)變峰值是在降雨達到最大時出現(xiàn)。在降雨入滲的作用下，邊坡表層土的平均應(yīng)力是減小的，當減小到一定程度時，平均應(yīng)力路徑達到屈服面，此時應(yīng)力路徑沿著屈服面向左下方移動，后期降雨強度減少，平均應(yīng)力增大后，會逐漸偏移屈服面，但邊坡內(nèi)部平均應(yīng)力與等效應(yīng)力都會增加。不同雨型作用下，雙層土邊坡的不同部位的位移響應(yīng)差別較大，降雨對邊坡中部的水平位移影響最大，上部次之，底部最小；降雨對邊坡上部的豎向位移影響最大，中部次之，底部最小。

(3) 雙層土邊坡失穩(wěn)過程的塑性區(qū)向上延伸的方向有兩個，一個是沿著兩層土的過渡區(qū)向上，另一個是沿著弧線向上。但是，此類邊坡主要體現(xiàn)在表層失穩(wěn)，深層沿滑動面滑移的可能性較小。

(4) 對于這類土質(zhì)邊坡，在運營過程中如果能夠加強山背截水溝、坡面排水等構(gòu)造設(shè)計，加快排水的速度，減少降雨入滲的強度，對于防止土體表層失穩(wěn)有比較明顯的效果。

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