權(quán)國紹 劉鵬

摘 要：為改善現(xiàn)有公路路基穩(wěn)定性考慮隨降雨入滲時(shí)間的動(dòng)態(tài)分析問題，提出了一種強(qiáng)降雨條件下高填方路段公路路基滑坡穩(wěn)定性分析模型。研究了非飽和土壤降雨入滲分析過程中涉及的非飽和土強(qiáng)度，非飽和土壤水流運(yùn)動(dòng)方程以及降雨入滲理論；建立了高速公路路基滑坡分析模型，并對(duì)模型參數(shù)選取進(jìn)行了分析；基于有限元軟件ABAQUS對(duì)所提模型及樣例高速公路路基在降雨條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明，降雨強(qiáng)度越大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的負(fù)面影響越大；隨著降雨時(shí)間的增加，邊坡頂層的剪應(yīng)力逐漸減小，更容易引起滑坡問題。

關(guān)鍵詞：高速公路；穩(wěn)定性分析；非飽和土；路基滑坡；降雨入滲理論

中圖分類號(hào)：TP391.92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）11-0165-04

Numerical optimization analysis of embankment landslide stability in high fill section under heavy rainfall

QUAN Guo shao1，LIN Peng2

（1.ChongqingJinlu Traffic Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 402682，China;

2.Chongqing Underground Application Technology Research Institute Co.，Ltd.，Chongqing 401120，China

）

Abstract：In order to improve the stability of existing highway subgrade，considering the dynamic analysis of infiltration time with rainfall，a landslide stability analysis model of highway subgrade with high fill section under heavy rainfall is proposed.The unsaturated soil strength，the unsaturated soil flow equation and the rainfall infiltration theory involved in the analysis of unsaturated soil rainfall infiltration were studied.The highway subgrade landslide analysis model was established，and the selection of model parameters was also analyzed.Based on the finite element software ABAQUS，the stability of the proposed model and the sample highway subgrade under the condition of rainfall was numerically analyzed.The results showed that the greater the rainfall intensity，the greater the negative influence on slope stability was.With the increase of rain time，the shear stress of the top layer of slope decreased gradually，which was more likely to cause landslide.

Key words：expressway;stability analysis;unsaturated soil;subgrade landslide;rainfall infiltration theory

非飽和土［1］是一種具有膨脹性、裂隙性和吸水軟化性的特殊粘性土，其特殊的工程性質(zhì)往往給當(dāng)?shù)氐乃篮凸饭こ處順O大的危害，尤其是非飽和土地基上的路基滑坡失穩(wěn)［2］是一種較為常見的工程問題。

目前，大量學(xué)者對(duì)非飽和土吸水軟化強(qiáng)度的變化及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響方面進(jìn)行研究。事實(shí)上，這種邊坡失穩(wěn)是動(dòng)態(tài)的。此外，隨著降雨入滲和地下水位的升高，土體強(qiáng)度降低，邊坡穩(wěn)定性降低。

為了進(jìn)一步解決強(qiáng)降雨條件下高速公路邊坡引起的路基滑坡問題，研究通過ABAQUS數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)不同降雨時(shí)間和降雨強(qiáng)度下的高液限土邊坡進(jìn)行了研究。

1 非飽和土壤降雨入滲理論

1.1 非飽和土強(qiáng)度理論

單應(yīng)力變量非飽和土強(qiáng)度理論公式［17］如下：

式中：σ′ij為有效應(yīng)力；σ-ij為凈應(yīng)力；σij為總應(yīng)力；ua為氣相壓力；s為基質(zhì)吸力；x為Bishop參數(shù)，其中干燥土為0，飽和土為1。單應(yīng)力變量非飽和土強(qiáng)度理論的優(yōu)點(diǎn)是公式簡單，其本質(zhì)是使用σ′ij

來確定非飽和土的變形和強(qiáng)度，易于在現(xiàn)有的有限元程序中實(shí)施和應(yīng)用。

1.2 降雨入滲理論

目前，許多學(xué)者基于Richards方程建立了降雨入滲模型。經(jīng)典的G-A入滲模型［19］假設(shè)在入滲初期，干燥土壤上層有一薄層水，并且始終存在一個(gè)入滲前沿。此外，假設(shè)滲透土壤中只有兩個(gè)區(qū)域：飽和含水量的濕潤區(qū)域和滲透前沿以下的初始含水量區(qū)域。入滲模型基本公式如下：

i=kszf+sf+Hzf=（θs-θi）dzfdt（4）

式中：i為初始土壤含水量；zf滲透前沿深度；sf

滲透前沿的土壤基質(zhì)吸力；H為地表水深度；θs為飽和含水量。

2 高速公路路基滑坡分析模型

2.1 模型建立

本文選取中國某高速公路路基高填方路塹邊坡某段工程為例，從而驗(yàn)證所提模型有效性。所研究高速公路路基分為3個(gè)斜坡：一級(jí)、二級(jí)邊坡高度為8 m，三級(jí)邊坡高度為11 m；一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)邊坡坡度分別為1∶? 1.15、1∶??????? 1.75和1∶???????? 1.75。由于高速公路路塹邊坡地形復(fù)雜，為簡化計(jì)算，將邊坡模型改為巖土雙重結(jié)構(gòu)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬。高填方高速公路簡化模型示意圖如圖1所示。該模型考慮了孔隙壓力和流固耦合，對(duì)強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r（高液限土）采用彈塑性本構(gòu)模型；中風(fēng)化石灰?guī)r采用彈性本構(gòu)模型，且忽略了塑性變化。同時(shí)，采用三維8節(jié)點(diǎn)孔隙壓力元件C3D8P，網(wǎng)格模型由29 280個(gè)元素和34 317個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。測得的邊坡水位線是一條近似水平且平緩傾斜的曲線，在數(shù)值模擬中假定為水平水位線，高程與路基頂面相同。

表1為數(shù)值模型中巖土層材料參數(shù)。由于孔隙壓力單元的特殊性，很難平衡邊坡的原位應(yīng)力。因此，有必要假設(shè)和改進(jìn)斜率參數(shù)，然后執(zhí)行場變量變換。在降雨入滲分析之前，將高液限土的場變量設(shè)置為1，即使用更高的強(qiáng)度指數(shù)。此外，需要設(shè)置初始應(yīng)力分布、初始飽和度分布和初始孔隙壓力分布等一系列初始條件，從而平衡原位應(yīng)力。表2為場變量變換下的參數(shù)設(shè)置。

2.2 參數(shù)選取

本研究基于土壤結(jié)構(gòu)特征和現(xiàn)場測量提供的數(shù)據(jù)建立高速公路路基土壤水流特征曲線的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)研究所在地的氣象數(shù)據(jù)，部分實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：年降雨量為9.78 mm/h，土壤滲透系數(shù)為0.018 m/h。由于在實(shí)際情況中應(yīng)考慮垂直裂縫的影響，且由于裂縫的存在，一般高液限土邊坡的降雨入滲率大于其滲透系數(shù)。因此，通過數(shù)值模擬研究了滲流速度和降雨時(shí)間對(duì)高液限土邊坡的影響。模擬降雨入滲的主要方法是在坡面和坡頂上進(jìn)行垂直入滲速度和降雨持續(xù)時(shí)間的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

為了建立高速公路路基非飽和高液限土的邊坡模型，應(yīng)準(zhǔn)確選擇描述基質(zhì)吸力與飽和度之間關(guān)系的土壤水流特征曲線，以便描述滲透系數(shù)與飽和度之間的關(guān)系的滲透函數(shù)。在建模之前，需要建立非飽和土壤的初始狀態(tài)。非飽和土壤與飽和土壤的最大區(qū)別在于，非飽和土壤在基質(zhì)吸力作用下的應(yīng)力狀態(tài)需要以飽和土壤為基礎(chǔ)構(gòu)建。對(duì)于土壤水流特征曲線和滲透函數(shù)，基質(zhì)吸力是2種函數(shù)的自變量。為此，需要預(yù)先設(shè)置孔隙壓力分布曲線，并根據(jù)孔隙壓力分布擬合降雨時(shí)間和入滲速率關(guān)系；實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表3所示，共設(shè)置3個(gè)組實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)A、實(shí)驗(yàn)B和實(shí)驗(yàn)C）。此外，實(shí)驗(yàn)時(shí)考慮到由于路基和排水溝的存在，故路面的孔隙壓力邊界條件設(shè)置為0。

3 數(shù)值分析

3.1 穩(wěn)定性分析

降雨前，地應(yīng)力平衡后，整個(gè)邊坡的初始最大垂直位移僅為2.721×10-4m，可以忽略不計(jì)。降雨后，當(dāng)橫軸方向上發(fā)生水平位移時(shí)，路基邊坡安全系數(shù)發(fā)生改變。圖2為3個(gè)組實(shí)驗(yàn)中不同降雨量下高速公路路基邊坡安全系數(shù)圖。

由圖2（a）可以看出，在0.01 m/h的入滲速度下，降雨時(shí)間越長，高速公路路基邊坡安全系數(shù)越低；但總體下降幅度相對(duì)較小。降雨24 h后，邊坡安全系數(shù)降低0.015 6。在B組實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，降雨96 h后，安全系數(shù)降低0.069 5，具體如圖2（b）所示。從圖2（c）可以看出，在0.02 m/h的入滲速度下，每增加24 h，安全系數(shù)平均降低0.040 8，并隨著降雨時(shí)間的增加而增加。C組實(shí)驗(yàn)96 h降雨的安全系數(shù)比24 h降雨低0.124 9，大約是B組的2倍，表明降雨強(qiáng)度越大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的負(fù)面影響越大。然而，降雨在24 h內(nèi)對(duì)飽和區(qū)域的強(qiáng)度幾乎沒有影響。

3.2 應(yīng)力變化分析

由于邊坡的失穩(wěn)破壞往往發(fā)生在斜坡頂部和底部，因此，本節(jié)對(duì)高液限土邊坡頂部和底部的Mises應(yīng)力進(jìn)行了分析。圖3為斜坡頂部和底部Mises應(yīng)力隨時(shí)間變化結(jié)果。

由圖3可以看出，連續(xù)降雨96 h后，斜坡頂部和底部的表面Mises應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小。此外，降雨強(qiáng)度對(duì)坡頂Mises應(yīng)力的影響小于降雨時(shí)間，降雨強(qiáng)度對(duì)于坡底Mises應(yīng)的影響大于降雨時(shí)間。

圖4為從斜坡頂部中不同深度的剪切應(yīng)力隨降雨時(shí)間的變化結(jié)果。

由圖4可以看出，在28.8 m以上的位置，剪切應(yīng)力隨深度逐漸增加，主要是因?yàn)樯喜客寥赖纳细埠奢d重量可以忽略。當(dāng)總荷載恒定時(shí)，孔隙壓力增大，Mises應(yīng)力減小。降雨前28.8 m處飽和，這主要反映了上覆荷載的增加導(dǎo)致Mises應(yīng)力的增加。此外，應(yīng)力變化結(jié)果表明，隨著降雨時(shí)間的增加，頂層的剪應(yīng)力逐漸減小，接近于0，這將容易引起滑坡。同時(shí)，隨著雨水的滲入，除深層外（28.8 m），各層的剪應(yīng)力均有所減小。

4 邊坡穩(wěn)定粘接材料討論

針對(duì)邊坡降雨穩(wěn)定性持續(xù)降低的問題，可研制一種觸水粘性材料，并將其制作為平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，垂直插入滑坡斷面［20］。即當(dāng)雨水逐步滲透土體，并接觸到觸水粘性材料后，該粘性材料便與水反應(yīng)粘接周圍土體結(jié)硬，起到穩(wěn)固土體的作用。

5 結(jié)語

研究了非飽和土壤降雨入滲分析過程中涉及的非飽和土強(qiáng)度、非飽和土壤水流運(yùn)動(dòng)方程以及降雨入滲理論。建立了高速公路路基滑坡分析模型?；谟邢拊浖嗀BAQUS對(duì)所提模型及樣例高速公路路基在降雨條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析。提出的模型為高速公路路基穩(wěn)定性分析及安全故障隱患的發(fā)現(xiàn)提供了一定借鑒作用。

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收稿日期：2023-06-11；修回日期：2023-09-21

作者簡介：權(quán)國紹（1974-），男，高級(jí)工程師，研究方向：土木工程及管理；

E-mail：ccuuhui66488@163.com。

引文格式：權(quán)國紹，劉 鵬.強(qiáng)降雨條件下高填路段路基滑坡穩(wěn)定性數(shù)值優(yōu)化分析［J］.粘接，2023，50（11）：165-168.