朱曉東，肖云飛，薛丹璇

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引 言

隨著國家與各地區(qū)對高速公路網的組織規(guī)劃日益清晰，越來越多修筑于滯洪區(qū)中的瀕河高速公路被立項，瀕河高速公路工程初具規(guī)模[1]。因此，有必要深化研究洪水演進時路堤邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

滯洪區(qū)路堤邊坡穩(wěn)定性的影響因素除了路堤邊坡本身的坡度等幾何尺寸以及黏聚力、內摩擦角、滲透系數、重度等物理力學性質[2]外，還要考慮洪水期路堤外水位變化因素對其穩(wěn)定性的影響[3]。國內外學者對路堤邊坡穩(wěn)定性影響因素進行了相關研究并取得了一些成果。Thorel[4]用離心模型試驗方法研究了砂黏土混合料路堤模型的浸水變形性質；張俊榮[5]等采用巖土計算軟件Geo-studio分別對砂性土和黏性土填土路基兩側水位變化時的穩(wěn)定性因素進行研究；李勇[6]采用通用有限元程序ADINA計算分析水位變化對浸水路堤穩(wěn)定性的影響；吳科亮,丁春林[7]采用有限差分程序FLAC3D基于控制變量法和正交試驗法分析了重度、彈性模量、泊松比、粘聚力、內摩擦角等五種物理力學指標對邊坡穩(wěn)定性影響的敏感程度；郝忠[8]等定量化研究庫水位驟降下不同非飽和參數對邊坡穩(wěn)定性的影響,并根據正交實驗分析法進行了敏感性分析。

綜上，已有的研究對滯洪區(qū)高速公路路堤邊坡穩(wěn)定性影響因素的研究較少。本文在前人研究的基礎上，以天津市某滯洪區(qū)范圍內高速公路路堤邊坡為例，利用MidasGTS有限元軟件模擬計算路堤邊坡穩(wěn)定性，并采用正交設計試驗方法分析比較洪水位降幅、水位降速和路堤填土滲透系數等因素對路堤穩(wěn)定性影響的敏感性。

1 滯洪區(qū)路堤邊坡有限元模型

1.1 有限元模型建立及網格劃分

通過對滯洪區(qū)路堤斷面的調查和統(tǒng)計，采用路堤斷面尺寸為路肩寬度6.5m，路緣帶寬度2.5m，行車道寬度22.5m，中央分隔帶寬度3.0m，路堤高度8m，邊坡坡比1∶1.75，兩側坡腳設置混凝土防護，同時在兩側坡面采用桁架單元模擬格柵對坡面的防護（見圖1）。

圖1 滯洪區(qū)路堤邊坡有限元模型

土體采用Mohr-Coulomb本構，防護材料采用彈性本構。模型使用平面應變單元進行模擬，網格劃分以四邊形為主的單元。行車荷載豎直作用在行車道上，設置大小為20kPa。

在數值模擬計算時采用MADIS內置強度折減法，分析控制中的收斂條件設置為位移標準0.001m。模型共計38080個單元，38664個節(jié)點。分析控制中考慮初始應力狀態(tài)和非飽和因素。

1.2 計算參數選取

在數值模擬中由上到下考慮5類巖土材料：①改良石灰土（厚0.6m）、②粉土（厚6m）、③素填土（厚2m）、④粉質黏土（厚15m）和⑤粉土夾粉砂（厚3m）。依據室內試驗成果和相關資料確定各土層物理力學參數取值見表1。

表1 路堤邊坡土體參數表

滯洪區(qū)路堤邊坡防護材料中坡腳混凝土和格柵的彈性模量分別取3.0×107Pa和1.825×106Pa，泊松比分別取0.3和0.2，容重分別取24kN/m3和4.0×10-3kN/m3。

1.3 水位情況選取

滯洪區(qū)最大的特點，是在洪水期間路堤邊坡兩側水位會在短時間內有較大的變化從而誘發(fā)路堤邊坡失穩(wěn)。項目所在地區(qū)的滯洪區(qū)路堤邊坡水位變化情況可以分為以下幾種：

情況1：路堤兩側洪水位上升；情況2：路堤單側洪水位上升；情況3：路堤兩側洪水位下降；情況4：路堤單側洪水位下降。

2 不同水位情況下路堤穩(wěn)定性分析

2.1 洪水水位上升過程中路堤邊坡穩(wěn)定性

2.1.1 路堤兩側洪水位上升

首先通過有限元軟件內置的強度折減法計算了初始地下水位是位于地面線時路堤邊坡的穩(wěn)定性。圖2為此時路堤邊坡的塑性云圖。計算此時路堤邊坡的穩(wěn)定性系數為1.61。

圖2 水位位于地面線時路堤邊坡塑性云圖

圖3 為路堤邊坡穩(wěn)定性系數隨洪水位高度變化趨勢圖，從中可以發(fā)現路堤邊坡穩(wěn)定性系數隨著兩側洪水位的上升而增大。這是由于在洪水水位上升的過程中，一方面路堤邊坡內部填土含水量不斷上升，填土的自重增大，同時抗剪強度逐漸降低；另一方面，在水位上升過程中，水對路堤土產生向上的托浮作用。這兩種效應共同對路堤邊坡穩(wěn)定性到作用，在路堤兩側洪水水位升高過程中，后者起主導作用。

圖3 兩側水位上升時路堤邊坡穩(wěn)定性

2.1.2 路堤單側洪水位上升

當滯洪區(qū)路堤邊坡水位單側變化時，低水位一側的路堤邊坡將處于不利狀態(tài)。如圖4所示，當地下水位在地面線以下0m時，路堤邊坡穩(wěn)定性系數則為1.61。當路堤單側上升到地面線以上5m時，路堤邊坡穩(wěn)定性系數為1.56。這意味著，在路堤邊坡地下水位固定的情況下，抬高改變另一側的水位，路堤邊坡安全系數從1.61降低到1.56，穩(wěn)定性系數整體呈下降趨勢，下降速度先快后慢。

圖4 單側水位上升時路堤邊坡穩(wěn)定性

2.2 洪水水位下降過程中路堤邊坡穩(wěn)定性

2.2.1 路堤兩側洪水位下降

在研究兩側水位同時下降對路堤邊坡的穩(wěn)定性系數變化的影響時，重點分析了水位下降速度和水位下降程度對路堤邊坡穩(wěn)定性的影響。因此選取兩種水位下降模式，五種水位下降具體工況，具體如下：（1）降速模式：在這種模式中，假設水位下降均為5m，下降用時分別為：工況一12h、工況二24h和工況三36h；（2）降幅模式：假設水位下降的總用時均為36h，水位下降幅度分別為工況三5m，工況四3m和工況五1m。

圖5和圖6展示了不同模式控制水位下降過程中，路堤邊坡穩(wěn)定性系數變化情況。首先，由圖5可以看出，在降速模式中，路堤邊坡穩(wěn)定性系數先是快速降低，然后緩慢下降，且水位降速越快，穩(wěn)定性越低。水位下降速度最快的工況一為三種工況中的最危險工況，穩(wěn)定性系數為1.21。

圖5 降速模式

圖6 降幅模式

圖6 展示了降幅控制水位下降過程中，路堤邊坡穩(wěn)定系數變化情況。通過對比三種工況下路堤邊坡穩(wěn)定性系數變化，發(fā)現隨著水位下降幅度的減小，路堤邊坡穩(wěn)定性系數降低的趨勢逐漸變緩，且降幅越小穩(wěn)定性系數越大。

2.2.2 路堤單側洪水位下降

在模擬路堤單側洪水位下降計算過程中，固定路堤左側水位高度為地面線上5m，路堤右側水位按照圖5中工況一的方式在12h內驟然降低到地面線即0m，計算這一過程中48h內路堤邊坡穩(wěn)定性系數變化情況，計算結果見圖7。

圖7 單側水位下降時路堤邊坡穩(wěn)定性

由圖7可以看出，在單側水位下降的過程中，路堤邊坡的穩(wěn)定性系數先是快速下降，在約12h達到最低點，之后稍有抬升，然后保持平穩(wěn)。在水位下降過程中最小邊坡穩(wěn)定性系數從2.42降低到最小值1.19，降低了50.8%。

3 影響因素敏感性分析

3.1 正交試驗設計

在前文的分析中，分別研究了滯洪區(qū)路堤邊坡兩側、單側水位升降等工況下穩(wěn)定性系數的變化情況。由前文計算和分析研究可知，相比于兩側水位下降的工況，滯洪區(qū)路堤邊坡兩側原有較高水位，單側水位在短時間內降低時路堤邊坡穩(wěn)定性最低，為最危險的工況。

因此，下文將研究多因素影響下單側水位下降時滯洪區(qū)路堤邊坡穩(wěn)定性，主要因素包括水位降幅、水位降速和填土滲透系數，每種因素取5個水平，如果采用全面試驗法，需要設置不同條件，進行多達125次虛擬仿真試驗，存在工作量大和耗時過久的問題。因此本文采用正交試驗設計法，對滯洪區(qū)路堤邊坡特征因素進行組合，通過計算得到各影響因素對最終結果的貢獻率。

選擇正交試驗設計表見表2，其中Tq為某因素在q水平時相應計算結果平均值。

表2 路堤穩(wěn)定性影響因素水平表

3.2 影響因素敏感性計算和分析

各影響因素對路堤穩(wěn)定性的影響大小可以通過貢獻率來表示。貢獻率通過式（4）進行計算，計算結果見表3。

表3 路堤穩(wěn)定性影響因素貢獻表

式中：ST表示試驗結果波動的總平方和；n是試驗次數，本試驗中n=25；yi為各次試驗結果，i=1，2，3…；y為試驗結果的總平均值，本正交試驗中y=1.45；Sj為第j列（即第j個因子）的平方和，它表示由于j因子的不同水平引起的試驗結果的波動。

通過以上研究表明，在影響路堤邊坡穩(wěn)定性的因素中，影響最大的是水位降幅，貢獻率達到88.54%，其次是滲透系數，貢獻率為9.07%，再次是水位降速，貢獻率為2.39%。這一結果表明在洪水期內，應重點關注滯洪區(qū)路堤邊坡水位下降幅度，采取各種措施對其進行監(jiān)測和控制。

4 結論

（1）兩側水位同時升高時路堤邊坡的穩(wěn)定性明顯升高，單側升高時對側邊坡穩(wěn)定性降低。

（2）洪水水位從較高位置開始下降時，兩種情況下的路堤邊坡的穩(wěn)定性均逐漸減小，且降速越快、降幅越大時的穩(wěn)定性越低。此外，相同條件下單側水位下降時的穩(wěn)定性更低。

（3）通過比較水位降幅、水位降速和滲透系數三個因素的敏感性可知：水位降幅對路堤邊坡的影響最大。