降雨對半填半挖路基邊坡穩定性的影響分析

劉 曉, 葛 聰

[1.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015；2.交通運輸安全應急信息保障技術及裝備行業研發中心(長沙)，湖南 長沙 410015]

0 引言

半填半挖式路基是在自然山坡中挖出部分路基，并將一側挖方巖土體經處理后用于填筑另一側填方路基，從而減少土石方的開挖和運輸量，避免大范圍征地和棄土，減少環境破壞，具有顯著的因地制宜特點。因此，半填半挖式路基在傍靠自然邊坡的公路修筑中被廣泛采用。

路基邊坡穩定性是工程設計和施工考慮的重點之一，尤其降雨條件下坡體的非飽和滲流及穩定性演化備受關注。史振寧等[1]基于非飽和土強度特性和極限平衡理論分析了降雨強度、時間和邊坡初始表面含水率對邊坡穩定性的影響。索增輝等[2]基于黏塑性理論和有限元法分析發現，降雨對黏土邊坡穩定性的影響小于對粉土邊坡的影響。蘇永華等[3]基于Green-Ampt模型建立了強降雨下可考慮濕潤層含水率分布的邊坡穩定性分析方法。蔣水華等[4]提出了同時考慮土體滲透系數和抗剪強度空間變異性的降雨入滲邊坡穩定可靠度分析方法。楊曉杰等[5]指出強降雨(暴雨、大暴雨)是高陡邊坡滑動的主要誘因，且滑坡相較降雨具有一定滯后性。張社榮等[6]研究發現低強長時降雨下，邊坡易發生深層失穩，高強短時降雨則易誘發坡趾失穩。石振明等[7]改進了Green-Ampt入滲模型，并提出了降雨入滲效應下，多層非飽和土坡的穩定安全系數計算方法。Santo 等[8]基于大量山體滑坡分析指出，滑坡前60 d內的降雨量及滑坡當天的強降雨是誘發滑坡災害的兩個主要因素。Wang等[9]提出了可反映大變形特點的降雨誘發滑坡全過程的物質點法，并分析了降雨過程中，土坡基質吸力和抗剪強度的變化情況。

目前，在路基邊坡的穩定性研究中，針對半填半挖式路基的研究相對較少。王灝等[10]基于ABAQUS有限元仿真計算，分析了不良地基厚度、壓縮模量及填方體含水率對半填半挖路基變形的影響。夏英志[11]基于PLAXIS有限元仿真分析，探討了路基填筑高度對某半填半挖公路路基邊坡穩定性及滑動面的影響，指出隨填高增加，邊坡位移逐步向內發展，并最終發展形成一條光滑的失穩破裂面。劉建磊等[12]基于簡化Bishop法分析了半填半挖路基邊坡穩定性對交接面結構形式、填方高度、填土強度參數和地下水位的敏感性，并指出填方高度和地下水位是影響路基邊坡穩定性的兩個關鍵要素。李群等[13]研究指出，交接面處設置臺階和加筋材料可有效提升半填半挖路基的穩定性。周娟等[14]基于Janbu法分析指出地形坡度是影響半填半挖路基穩定性的重要因素，填方土體內摩擦角應大于地形坡角，以避免半填半挖路基失穩。蘇永華等[15]分析了交接面臺階特征和填方強度參數對半填半挖路基邊坡穩定性的影響，并基于灰色關聯分析法指出路基穩定性對填方體強度參數的敏感性大于其對填方體幾何參數的敏感性[16]。劉志祥等[17]基于PLAXIS有限元仿真分析，研究了降雨引起地下水位上漲對某半填半挖路基邊坡穩定性的影響，發現高地下水位條件下，宜采用土釘加固以保障該路基邊坡的整體穩定性。

綜上所述，目前有關半填半挖路基邊坡穩定特性的研究尚不全面，多聚焦于填方高度、填方物理力學參數、交接面結構形式和幾何參數等對其穩定性的影響，缺乏對降雨入滲條件下路基穩定性的深入分析。對此，本文結合某潮汐灣海岸半填半挖路基邊坡工程，基于PLAXIS有限元仿真計算，著重分析了降雨強度、降雨量及地下水位上升對半填半挖路基邊坡基質吸力、飽和度和穩定性的影響。

1 工程背景

某沿海潮汐灣海岸公路傍坡而建。為減少大范圍征用私人用地，控制征地和施工成本，最終采用半填半挖的形式在陡坡地段填筑路基[17]。圖1為該半填半挖路基的典型斷面圖。整個海岸線以上的自然邊坡高15 m，主要分為3個部分，即上段緩坡區、中段較陡區和下段近海緩和區。原自然坡體主要由表層強風化和下層中風化粉砂巖地層組成。路基施工時，將上部挖方巖土體經機械粉碎后與碎石和砂料混合作為填方部分路基填料。中風化層、強風化層和填方路基填料的基本物理力學參數見表1[17]，其中，γu、γs、E、μ、c和φ分別為土體的非飽和重度、飽和重度、彈性模量、泊松比、黏聚力和內摩擦角。粗粒土路基填料的黏聚力達到8 kPa，通常為保持填料良好的級配和壓實性能，粗粒土填料亦含有一定量的細顆粒(<15%)，加之路基的壓實度要求很高(一般>90%)，因此實際路基粗粒土壓實后仍可能呈現較高黏聚力的情況[18-19]。整個路基工程在旱季施工，地下水位相對穩定，且埋深較深，距坡頂約13 m，施工期間邊坡穩定性受水的影響較小。但在雨季強降雨時，雨水的入滲會顯著改變坡體的基質吸力、飽和度和重度，并引起地下水位上升，進而影響邊坡的整體穩定性。因此，有必要對該半填半挖路基邊坡在降雨條件下的穩定性展開分析，以全面評估其安全性。

圖1 半填半挖路基邊坡橫斷面(單位：m)

表1 土層參數土層γu/(kN·m-3)γs/(kN·m-3)E/MPaμc/kPaφ/(°)中風化層1617120.3835強風化層1617120.3819路基填土1921200.3830

2 有限元模型

采用PLAXIS有限元軟件建立該半填半挖路基邊坡的數值仿真模型，并結合流固耦合計算和強度折減法分析其在降雨條件下的穩定特性。各地層和路基填料采用摩爾-庫倫模型模擬，各土層具體本構參數采用表1中數值。為研究降雨入滲過程中坡體基質吸力及穩定性的變化，需要考慮土體的非飽和特性，并定義土層的非飽和有效應力行為。PLAXIS有限元軟件采用Bishop非飽和土有效應力原理計算土層的有效應力，其表達式如式(1)所示：

σ′=σ-ua+χ(ua-uw)

(1)

式中：σ′為土體的有效應力，kPa；σ為土體的總應力，kPa；ua為土體中的氣壓，kPa；uw為土體中的孔隙水壓，kPa；(ua-uw)為土體的基質吸力，kPa；χ是與飽和度相關的系數。χ值通常需要通過不同飽和度下的土體三軸試驗獲得，前人總結了不同類型土體的χ值與其飽和度S的經驗關系，發現二者之間的函數關系較為復雜[20]。由于缺少相關非飽和三軸試驗數據，本文采用PLAXIS的默認設置，令χ=S，并在此基礎上分析降雨對上述半填半挖路基邊坡穩定性的影響。

此外，非飽和土仿真計算中還需對土體的滲透性函數(即基質吸力水頭與相對滲透系數間的關系)和土水特征曲線(即基質吸力水頭與飽和度間的關系)進行定義。圖2、圖3分別為巖土層的滲透性函數曲線和土水特征曲線。本文采用PLAXIS中標準模式下的粗粒土水力特性表征中風化層和強風化層的滲透性函數[見圖2(a)]和土水特征曲線[圖3(a)]，而填方路基土的非飽和特性則采用標準模式下的中-粗土水力特征描述[見圖2(b)和圖3(b)]。

(a)粗粒土

(b)中-粗土圖2 巖土層滲透性函數曲線

(a)粗粒

(b)中-粗土圖3 巖土層土水特征曲線

圖4為半填半挖路基邊坡的有限元網格，其中加密了開挖區和填筑區的網格。模型總高23m，寬55 m，初始地下水位距模型底面10 m，近海側有2 m深海水覆蓋。模型表面為自由邊界，左右邊界約束了法向位移，底部邊界則同時約束了豎向和水平向位移。滲流邊界方面，除模型底部為封閉邊界外，其余邊界均允許水的滲入和滲出；路面層通常屬于弱透水邊界，但為全面考慮長時降雨入滲的不良影響，建模時參考文獻[17]的處理方式，將其設置為透水邊界。該半填半挖路基邊坡仿真計算主要分為以下幾個步驟：①開挖原始自然邊坡；②填筑填方側路基；③施工路面層并施加等效交通荷載；④計算無降雨時邊坡安全系數；⑤計算不同降雨強度和時長下邊坡的安全系數；⑥計算不同地下水位下邊坡的安全系數；⑦結合具體計算結果考慮是否需要加固邊坡。根據文獻[17]的相關推薦，等效交通荷載按10 kN/m2考慮；路面層采用線彈性板單元模擬，等效路面層自重荷載按3 kN/m2考慮。本文主要分析降雨強度、降雨量(或降雨時長)和地下水位對該半填半挖路基邊坡穩定性的定性影響，為減小流固耦合的計算時間成本，在文獻[17]基礎上上調了邊坡土層的飽和滲透系數；結合具體研究需求，中風化層、強風化層和填方路基土的飽和滲透系數分別取為0.1、0.2、0.3 m/d。

圖4 半填半挖路基邊坡有效元模型網格(單位：m)

3 結果分析

3.1 降雨量的影響

圖5為半填半挖路基邊坡穩定安全系數隨降雨量的變化關系曲線。根據圖中數據，降雨前期路基邊坡安全系數與降雨量呈現一定的線性變化規律，且整體上兩者呈負相關關系。以降雨強度100 mm/d為例，不同降雨量下的邊坡基質吸力分布云圖如圖6所示；其中，上部淺色區域表示高基質吸力區，由淺至深過渡，基質吸力逐步減小，深色區域則代表土體基質吸力已接近0 kPa。由圖6可知，降雨入滲時，地下水位以上路基邊坡的基質吸力呈減小趨勢，且減小程度和范圍隨降雨量的增加而增大。其中，填方路基處邊坡的基質吸力減小尤為明顯，圖中深色區域已接近飽和，基質吸力基本為0kPa；而坡頂部分受雨水入滲的影響相對較小，這與該部分邊坡土體滲透系數相對較小有關。圖7為基于剪應變增量確定的典型路基邊坡潛在滑動面形態及位置，可見路基整體位于潛在滑動區。結合圖6和圖7可知，降雨入滲雖然有效減小了表層邊坡土體的基質吸力，但對潛在滑動帶處整體基質吸力的影響并不十分顯著，這也是降雨2 d后路基邊坡穩定系數減小卻不明顯的原因之一。

圖5 安全系數隨降雨量的變化關系

(a)降雨量0 mm

(b)降雨量100 mm

(c)降雨量200 mm圖6 坡體基質吸力隨降雨量的變化(100 mm/d)

圖7 路基邊坡典型潛在滑動面

3.2 降雨強度及降雨時長的影響

由圖5可知，當降雨量相同時，降雨強度越大，路基邊坡的整體穩定安全系數越大。圖8為降雨強度100 mm/d和200 mm/d對應的路基邊坡飽和度分布云圖(降雨量為200 mm時)，圖中深色區域為飽和區。由圖8可知，降雨量相同情況下，降雨強度小的工況所對應的暫態飽和區范圍更大。其原因在于：降雨強度200 mm / d的工況只需24h即可達到200 mm降雨量，而降雨強度100mm/d的工況則需48 h方能達到同等降雨量，更長的降雨入滲時間促使路基邊坡更大范圍達到飽和狀態，因此低強長時降雨工況計算所得路基邊坡安全系數反而較小。由此可見，短時強降雨對邊坡穩定性的危害不一定強于長時弱降雨；實際工程中，應統籌考慮降雨強度和降雨時長的整體效應，當降雨強度中等，但降雨持續時間卻很長時(比如我國南方典型的梅雨季節)，更應關注邊坡的穩定狀態，并結合具體需要，加強監測。另外，上述分析結果也從側面說明了保障邊坡排水通暢的必要性，強降雨條件下，應做好邊坡的防排水，以盡量減少雨水滲入邊坡內部，消減雨水入滲對邊坡土層基質吸力和穩定性的弱化效應。

(a)100 mm / d

((b)200 mm / d圖8 降雨量200 mm時路基邊坡飽和度分布

3.3 地下水位的影響

降雨不僅會減小邊坡土體的基質吸力、增大邊坡的整體飽和度，同時還不可避免地引起地下水位的變化。具體至本文研究的半填半挖路基邊坡，當坡體內部地下水上升時，會引起邊坡下部土體飽和度增加，同時還會伴隨有自坡體向海平面的滲流。本文基于建立的有限元模型，分別計算了地下水位上升2、3、4、5、6 m工況下的邊坡穩定安全系數。圖9為該半填半挖路基邊坡安全系數隨地下水位上升高度的變化關系曲線。由圖可知，該邊坡安全系數隨地下水位上升高度近似呈線性減小的規律變化；地下水位上升6 m時，邊坡安全系數由1.311減小至1.131，已不滿足相關規范關于邊坡安全儲備的要求。因此，為避免強降雨及高地下水位引起路基邊坡失穩破壞，有必要采用錨桿或土釘對該邊坡進行加固。文獻[17]在不考慮邊坡土體基質吸力變化的情況下，計算發現于填方路基坡腳附近打設一排土釘時，邊坡的潛在滑動面發生了轉移，邊坡安全系數相應增加，并可滿足規范關于公路路基邊坡穩定性的要求。另外，對比圖5和圖9可知，降雨引起的地下水位上升對邊坡穩定性的影響強于雨水入滲的影響；建議在相關邊坡的設計和分析中，結合實際情況，綜合考慮降雨入滲和地下水位上升對邊坡穩定性的弱化影響，并根據需要采用單排或多排土釘對邊坡進行加固處理，以保障路基邊坡的穩定安全。

圖9 地下水位上升對邊坡穩定性的影響

4 結論

基于PLAXIS有限元仿真計算探討了半填半挖路基邊坡的穩定特性，詳細分析了降雨量、降雨強度和時長及地下水位上升對邊坡穩定性的影響。所得主要結論如下：

1)邊坡的穩定安全系數與降雨量(或降雨時長)呈負相關關系；邊坡土體基質吸力的衰減范圍和程度均隨降雨量的增加而增大；入滲雨水未達到或未明顯影響邊坡的潛在滑動帶時，降雨入滲對邊坡穩定性的影響并不顯著。

2)降雨量一定時，由于強降雨條件下的雨水入滲時間更短，邊坡的暫態飽和區比弱降雨條件時偏小，因而邊坡的穩定安全系數略大于長時弱降雨工況下的數值。因此，工程中分析邊坡穩定性時，應綜合考慮降雨強度和降雨時長(或降雨量)的影響。

3)邊坡的穩定安全系數隨地下水位的上升呈近似線性減小，且水位上升的影響效應強于雨水入滲對邊坡穩定性的影響；建議實際工程中，結合具體情況，統籌考慮降雨入滲和地下水位上升對邊坡穩定性的弱化影響。

文中部分仿真參數采用了PLAXIS有限元軟件的推薦設置，在此基礎上具體探討了降雨對粗粒土半填半挖路基邊坡穩定性的影響，相關定性結果能否推廣至不同類型土質邊坡，有待今后進一步分析驗證。