袁仕貴，唐小軍

（云南省鐵路集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650118）

1 引言

鐵路路堤是鐵路路基的重要形式之一，路堤邊坡的穩(wěn)定對于鐵路的運(yùn)營安全具有重要作用，我國大部分區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候夏季降雨量大對于鐵路路堤邊坡的穩(wěn)定有重要影響。目前國內(nèi)學(xué)者和專家對于降雨條件下路基邊坡滲流與穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究，主要分為兩大類：一是，只考慮滲流對土體的影響，認(rèn)為雨水入滲導(dǎo)致c 值與φ 值等土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)值降低，或者認(rèn)為雨水入滲增大土體中的滲透力，或者認(rèn)為雨水入滲導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力降低，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，如：畢仲輝等研究了降雨入滲條件下土體內(nèi)摩擦角及粘聚力的相關(guān)系數(shù)，以及二者對邊坡失穩(wěn)概率的影響；黃明奎等以重慶某高填方路堤邊坡為研究對象，分析了強(qiáng)降雨作用下路堤邊坡土體的基質(zhì)吸力、土體強(qiáng)度參數(shù)以及填方邊坡穩(wěn)定性的變化情況；楊欣以含軟弱夾層路塹高邊坡為分析對象，研究了此類邊坡在降雨條件下邊坡不同土體區(qū)域的孔隙水壓力及含水量變化情況；童立[針對有夾層公路邊坡降雨條件下的滲流進(jìn)行分析，認(rèn)為夾層滲透性的強(qiáng)弱對于邊坡的滲流場有重要影響。二是，既考慮滲流土體的影響，也考慮土體對流體的影響，即基于流固耦合分析降雨條件下邊坡穩(wěn)定。如：呂雨樺等通過邊坡滲流的應(yīng)力耦合分析，研究了降雨條件下非飽和土邊坡的滲流場、應(yīng)力場變化情況，總結(jié)得出邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律。陳亮勝等利用多場耦合數(shù)值分析方法研究了降雨入滲對邊坡漸進(jìn)式破壞的發(fā)展過程。李海亮等通過綜合考慮滲流場與應(yīng)力場相互耦合作用，研究分析了降雨入滲條件下非均勻質(zhì)邊坡土體穩(wěn)定性變化情況。張鴻通過綜合利用離散元與計(jì)算流體動力學(xué)兩種方法進(jìn)行耦合，從微觀角度分析了煤系類土質(zhì)邊坡在降雨滲流條件下土體孔隙率及破壞變化規(guī)律。

通過以上分析，目前國內(nèi)對于鐵降雨條件下邊坡滲流、穩(wěn)定性方面的研究范圍較廣，研究也較為深入，但對于考慮流固耦合分析方法來研究鐵路路堤邊坡在降雨條件下的滲流及穩(wěn)定性研究相對較少。因此本文主要基于流固耦合基本方法，利用有限差分軟件FLCA3D 對降雨條件下，鐵路路堤邊坡的滲流及穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 工程概況與建模

研究工點(diǎn)為云南某工業(yè)園區(qū)新建鐵路DK2+000-DK2+100 路堤段，該路基段原地貌為典型的構(gòu)造侵蝕。根據(jù)地勘報(bào)告內(nèi)容，路基原地貌主要分為兩層，覆蓋層主要為具有一定膨脹性質(zhì)的膨脹土及碎石組成，下部巖層主要為風(fēng)化、中風(fēng)化的玄武巖層，此次建模主要基于有限差分軟件FLCA3D，本次模擬分析模型以DK2+040路基斷面為建模對象，通過把斷面延伸20m，構(gòu)建成3維分析模型。根據(jù)設(shè)計(jì)與勘查單位提供的斷面設(shè)計(jì)圖、地質(zhì)勘查報(bào)告中土層分層及土體性質(zhì)內(nèi)容，利用犀牛軟件對典型的CAD斷面圖處理后，再導(dǎo)入FLCA3D軟件中，利用軟件自帶的建模功能進(jìn)行模型的構(gòu)建，模型如圖1所示。模型中藍(lán)色區(qū)域?yàn)轱L(fēng)化與中風(fēng)化玄武巖層，綠色區(qū)域?yàn)榕蛎浲列再|(zhì)的覆蓋土層，紅色區(qū)域?yàn)槁返烫钔翆?。模型網(wǎng)格劃分根據(jù)軟件自帶建模功能建立均勻大小網(wǎng)格，網(wǎng)格單元均為六面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格具有便于計(jì)算、節(jié)約內(nèi)存的優(yōu)點(diǎn)，本次模型共建立網(wǎng)格單元56000個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)60516 個(gè)。為監(jiān)測降雨滲流過程中土體滲流的情況，在模型中共設(shè)置5 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中監(jiān)測點(diǎn)1－監(jiān)測點(diǎn)4 位于路堤邊坡內(nèi)，監(jiān)測點(diǎn)5 位于膨脹土覆蓋層內(nèi)（圖1）。

圖1 路堤邊坡模型

3 基于流固耦合的降雨條件設(shè)置

巖土問題的數(shù)值模擬與選擇較為合適的土體本構(gòu)模型有重要關(guān)系，本次降雨條件路堤邊坡采用莫爾－庫侖模型（Mohr-Coulomb Model），各土層的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。模擬邊界約束情況為：模型底部為XYZ三個(gè)方向進(jìn)行約束，模型側(cè)面約束其法向方向，模型頂面部分（包括路堤邊坡側(cè)面）均設(shè)置為自由面，為最大程度還原路堤自然狀況，模型采用邊界位移約束條件。滲流邊界條件設(shè)置情況為：模型底面與側(cè)面均設(shè)置為不透水面，模型頂面及路堤邊坡側(cè)面設(shè)置為入滲面。本次降雨模擬中降雨強(qiáng)度設(shè)置為70mm/h，降雨時(shí)長設(shè)置為10h。

表1 各巖土層力學(xué)參數(shù)參考值

4 滲流場及應(yīng)力場參數(shù)變化

4.1 飽和度變化

路堤邊坡在為期10 個(gè)小時(shí)的降雨過程中，各監(jiān)測點(diǎn)土體飽和度變化及降雨結(jié)束時(shí)邊坡土體飽和度分布情況如圖2所示，通過對比研究可以發(fā)現(xiàn)：路堤邊坡土體各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在降雨過程中飽和度均有不同上升，但監(jiān)測點(diǎn)位置不同，土體飽和度的變化趨勢表現(xiàn)為不同特點(diǎn)。位于路堤頂面的監(jiān)測點(diǎn)1 及監(jiān)測點(diǎn)2，隨著降雨的持續(xù)，土體飽和度先表現(xiàn)為隨著降雨的持續(xù)快速增長，達(dá)到峰值點(diǎn)0.62 附近后隨即表現(xiàn)為下降趨勢，之后又表現(xiàn)為上升當(dāng)達(dá)到第二個(gè)峰值點(diǎn)0.5 后又表現(xiàn)為下降，隨后又表現(xiàn)為小幅度上升，最終穩(wěn)定在0.3 附近，呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的波動變化趨勢；監(jiān)測點(diǎn)3 位于路堤邊坡中部區(qū)域，土體性質(zhì)為路堤填土，降雨前期土體飽和度隨著降雨的持續(xù)，表現(xiàn)為快速增加直到達(dá)到土體飽和時(shí)不再增加，此后土體一直維持飽和狀態(tài)；監(jiān)測點(diǎn)4 位于路堤邊坡底部區(qū)域，土體性質(zhì)為路堤填土，降雨前期與監(jiān)測點(diǎn)3 一樣隨著降雨的持續(xù)土體飽和度快速增加，但上升速度不及監(jiān)測點(diǎn)3 且相比于監(jiān)測點(diǎn)3，上升過程中出現(xiàn)明顯的一段速度放緩區(qū)域；達(dá)到土體飽和時(shí)間較長，且維持土體飽和的時(shí)間也較短；監(jiān)測點(diǎn)5 位于路堤邊坡左側(cè)底部區(qū)域，土體性質(zhì)為膨脹土，與監(jiān)測點(diǎn)4 一樣前期隨著降雨的持續(xù)，土體飽和度不斷上升，但后期土體飽和度上升速度明顯低于監(jiān)測點(diǎn)4，到降雨結(jié)束時(shí)土體仍舊沒有達(dá)到飽和，飽和度的最大值約為0.88。通過對比各監(jiān)測點(diǎn)土體飽和度變化以及降雨結(jié)束時(shí)邊坡土體飽和度分布情況，可以認(rèn)為路堤邊坡土體飽和度受降雨滲流影響最大的區(qū)域?yàn)槁返踢吰聝蓚?cè)淺表層土體。

圖2 各監(jiān)測點(diǎn)飽和度及降雨結(jié)束時(shí)土體飽和度情況

4.2 孔隙水壓力變化

通過圖3分析可以發(fā)現(xiàn)，位于路堤邊坡中下部分的監(jiān)測點(diǎn)3－監(jiān)測點(diǎn)5 土體孔隙水壓力降雨開始與降雨結(jié)束時(shí)相差很小，且在降雨過程中幾乎保持不變，表明該區(qū)域土體孔隙水壓力受降雨的影響很小。而監(jiān)測點(diǎn)1 與監(jiān)測點(diǎn)2 土體孔隙水壓力表現(xiàn)為隨著降雨的持續(xù)，土體孔隙水壓力在降雨前期表現(xiàn)為臺階式上升方式，其中監(jiān)測點(diǎn)1 由降雨開始時(shí)－200kpa 先上升至－80kpa，最后上升到0pa，之后維持不變；監(jiān)測點(diǎn)2 由降雨開始時(shí)的－400kpa 先上升至－160kpa，再上升至－120kpa，最后上升至0kpa，之后維持不變。這表明路堤邊坡頂部土體孔隙水壓力受降雨影響較大；而路堤底部土體孔隙水壓力受降雨影響較小。

圖3 各監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化圖

4.3 有效應(yīng)力變化

從五個(gè)監(jiān)測點(diǎn)中選取監(jiān)測點(diǎn)1 與監(jiān)測點(diǎn)2 土體XX向有效應(yīng)力變化情況進(jìn)行著重分析如圖4所示，通過對比分析圖4可以得出：降雨前期監(jiān)測點(diǎn)1 級監(jiān)測點(diǎn)2 土體XX 向有效應(yīng)力由負(fù)值快速增加為正值，之后隨著降雨的持續(xù)呈現(xiàn)出波動式變化，在降雨后期監(jiān)測點(diǎn)1 及監(jiān)測點(diǎn)2 表現(xiàn)為不同的增長情況，降雨后期位于路堤頂部的監(jiān)測點(diǎn)1 表現(xiàn)為隨著降雨的繼續(xù)，土體XX 向有效應(yīng)力為正值表現(xiàn)為增加之后又維持穩(wěn)定；而監(jiān)測點(diǎn)2 表現(xiàn)為隨著降雨的持續(xù)，土體XX 向有效應(yīng)力為負(fù)值表現(xiàn)為波動式增加，即絕對值越來越小。這表明隨著降雨的發(fā)展，土體由最初的受壓狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，不利于路堤邊坡的穩(wěn)定。

圖4 1-2 監(jiān)測點(diǎn)XX 向有效應(yīng)力變化圖

5 結(jié)論

通過選取的鐵路路堤邊坡建立模型，研究其降雨條件下邊坡土體的滲流場及應(yīng)力場特征參數(shù)值的變化情況，通過對比分析可以認(rèn)為：路堤邊坡淺層坡面區(qū)域在降雨過程中土體飽和度值最高，表明該區(qū)域受降雨影響最大；路堤邊坡土體孔隙水壓力土體表層受到降雨影響較大，路堤邊坡底部區(qū)域土體孔隙水壓力受降雨影響較??；路堤邊坡土體在降雨過程中邊坡有效應(yīng)力由降雨前的受壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涤赀^程及降雨過后的受拉狀態(tài)，表明降雨導(dǎo)致邊坡土體受力狀態(tài)改變，從而降低邊坡的穩(wěn)定性。通過研究分析可以認(rèn)為在應(yīng)對降雨條件下邊坡防護(hù)時(shí)應(yīng)著重做好坡頂區(qū)域與坡面的防雨水入滲，著重做好邊坡土體的加固措施。