渗流作用下高陡路基边坡稳定性与孔隙水压力分析

  1 引言 
  国家改革大潮和基础建设的大量兴建,给深圳交通设施带来了飞速发展,密布着各等级公路、城市道路、城际轨道等交通建设项目。路基边坡作为该类工程的重组成部分,已呈现高陡、地质条件赋存复杂、管理难度大、治理成本高等特点,加上最近数月的强降雨,边坡已受到不同程度的冲刷,甚至在局部范围出现了蠕滑变形,交通隐患重重,因此对渗流作用下高陡路基边坡稳定性与孔隙水压力分布特征进行分析减少灾害发生势在必行。 
  2 渗流特性分析 
  道路路基土质边坡在降雨渗流条件下的变形特性、稳定性和孔压变化主呈现在路基边坡土体介质渗流的特殊性,加上降雨渗流汇源,一方面是在路基两侧(坡体外和坡体内)沿自由面水位差而引起的降雨渗流;另一方面主表现为在路基坡顶和坡面持续降雨,当降雨入渗强度大于蒸发强度,而引起渗流,并且当坡顶和坡面得降雨入渗强度大于蒸发强度引起的渗流表征了路基边坡渗流的特殊性,这样在持续一段时间降雨入渗后,在边坡上部局部范围形成暂态饱和区,随着降雨延时,该暂态饱和区将处于饱和状态,因此降雨入渗诱发的土体渗流也主集中在路基的上部,这与传统饱和土体在整个范围内的渗流有很大的区别。 
  为简化分析与研究高陡路基边坡土体介质在强降雨条件下的渗流特征,文中的渗流条件符合Darcy定律的饱和土渗流特性,并且渗流土体为均质、连续、各向同性介质,可以假定为连续介质,这样可以认为渗透系数 是常量,渗透系数不随体积含水量或基质吸力的变化而变化,根据流量守恒关系,渗流控制方程为 
  (1) 
  式中, 为渗透系数, 为水的密度, 为汇(源)项, 为土水特征曲线斜率,其中 
  (2) 
  式中, 为体积含水量, 为基质吸力。 
  从式(2)看出,路基边坡土体的渗流特性与其饱和程度有很大的联系,同时非饱和土体渗流比饱和土体渗流特性无论从理论、计算、实验、还是工程应用等方面都远远复杂多。 
  图1说明了降雨条件下水流在边坡土体中的渗透特性,在溢出面和自由面处的水头是不断变化的,并且在浸润线以上边坡土体处于非饱和状态,可以用非饱和土渗流理论来分析,主表现为由基质吸力引起的负孔隙水压力作用在介质内,因此负的孔压引起有效应力增加,增加土体抗剪强度,这对路基边坡稳定是有利的;然在在自由面以下土体处于饱和状态,采用饱和土渗流理论,主表现为正的静孔隙水压力和超孔隙水压力影响,甚至动水压力作用,使得路基土体的有效应力降低,引起抗剪强度指标降低,加上重力增加,有效应力减小,这对边坡稳定是极为不利的。 
  图1 边坡渗流边界条件 
  式(1)的渗流微分方程定解条件为 
  (1)水头边界 
  (3) 
  (2)流量边界 
  (4) 
  (3)溢出面边界 
  (5) 
  (4)浸润线水头 
  (6) 
  (5)初始水头 
  (7) 
  式中, 为边界面法向流量。 
  根据以上边界条件,可以得到控制方程的解答。其中已知渗透系数、降雨量、溢出面水头,就很容易地得到边坡坡体内浸润线随时间变化的关系。 
  3 路基土体变形分析 
  依据路基土体变形的特点,自变形开始至破坏整个过程中,路基结构表现出过大的变形量或发生位移突变现象。文中用改进的西原蠕变模型来计算,该模型是由H-K模型、粘塑性模型、加速剪切非线性元件串联而成,塑性特性由M-C塑性屈服准则实现,如图2所示。 
  图2 改进的西原蠕变模型 
  图2中, 为反映路基失稳破坏的安全滑动力(属亚稳定蠕变),该情形下软土路基出现安全塑性区,不会出现承载力失效,其值取长期强度值; 为加速剪切力,出现地基失稳加剧的塑性区; 为剪切弹性模量; 为粘弹性剪切模量; 为粘弹性粘滞系数; 为粘塑性粘滞系数; 为加速剪切蠕变体元件。 
  文中引入的非线性塑性蠕变元件,它具有典型的非线性牛顿体类似特征 
  (8) 
  4 工程算例 
  文中算例选用深圳市境内某城市道路高陡路基土质边坡工程,该研究路段地层主为粉质粘土(Q4al+pl),呈褐黄色,黄灰、稍湿~湿、可塑~硬塑状态。含氧化铁、铁锰结核。韧性大,无摇振反应,干强度高,稍有光泽。其静力触探比贯入阻力一般为2.~2.1MPa,平均为2.1 MPa。标准贯入试验N=1-17击/3cm。拟建场地的地下水分布类型主为浅部的第四系上层滞水,并且地下水主赋存于粉质粘土中部,直接受到大气降雨和地表径流的补给。根据现场调查,结合路基边坡横断面结构尺寸,计算范围高度为55 m,地步计算总宽度为8 m,坡顶宽度为54m,边坡高度为3m。分析模型采用四面体计算单元,共划分1637个节点,412个单元,位移边界下部固定,左右两侧水平固定,上部和坡脚自由,渗流边界为透水边界。不考虑坡顶超载、施工和地震的影响。 
  图3 路基边坡范围(单位m) 
  图4 降雨5小时孔隙水压力分布 
  从图4可以看出,降雨5小时后,边坡土体孔隙水压力有负的孔压和正的孔压分布,其中负孔压主集中在坡肩、边坡上部浅层和坡脚的局部范围,最大负孔压为116kPa,最小负孔压为为25kPa;最大正孔压为12 kPa,主集中在坡底下部局部范围,浸润线见孔压为零的位置,在坡脚范围以下。 
  图5 降雨5小时垂直位移分布 
  从图5可以看出,降雨5小时后,边坡土体主变现为指向下方的负位移,最大负位移为3.4cm,主分布在坡肩沿中上部坡面浅层区域,在浸润线以下部位位移很小,最大位移仅5mm,因此,在降雨渗流延时条件下,在坡肩、边坡上部浅层和坡脚的局部范围会出现滑动,这是高陡路基土质边坡防护与加固的重点区域。 
  5 结论 
  结合物理模型,文中得出了渗流条件下的控制方程和定解条件,依据边坡土体的变形特点,得到了土体在降雨延时作用下路基土体变形的计算模型。结合工程算例,计算得到在高陡路基边坡稳定性和孔隙水压力分布受降雨很明显,尤其在降雨持时作用下,在坡肩、边坡上部浅层和坡脚的局部范围将会出现不同程度的滑动。 
  参考文献 
  1李萍;张毅;房明;土质高边坡的降雨渗流场数值模拟分析J.建筑科学,29,25(1)28-33. 
  2张洪全;考虑降水渗流对边坡稳定性影响分析J.工程与建设,29,23(6)854-856. 
  3崔星,袁丽侠,陆彦俊.台风诱发滑坡灾害的机理J.自然灾害学报,21,19(2)8-84. 
  4李萍,张琦,陈小念.降雨条件下饱和-非饱和土的渗流分析J.兰州理工大学学报,27,33(6)115-118. 
  作者简介 
  王凌(1979年-),男,湖南人,工程师,主从事道路工程的工作。