降雨條件下炭質(zhì)泥巖-土分層路堤滲流特性分析

白偉 李光裕

摘要：為分析降雨條件下炭質(zhì)泥巖一土分層路堤滲流特性，文章以西南某高速公路路堤填筑工程為例，采用數(shù)值計算軟件對降雨條件下炭質(zhì)泥巖一土分層路堤的滲流特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在降雨期間，靠近坡面的土體內(nèi)部易形成暫態(tài)飽和區(qū)，而在邊坡內(nèi)部未形成暫態(tài)飽和區(qū);邊坡內(nèi)部粉質(zhì)黏土基質(zhì)吸力下降幅度比炭質(zhì)泥巖下降幅度大，且距離坡面越遠(yuǎn)，基質(zhì)吸力下降的時間越晚;降雨期間坡面土體孔隙水壓力上升幅度較大，而邊坡內(nèi)部土體孔隙水壓力無明顯升高。

關(guān)鍵詞：路堤工程;預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖;分層填筑;降雨入滲;滲流特性

中圖分類號：U416.26 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.018

文章編號：1673-4874（2019）08-0062-04

0引言

在炭質(zhì)泥巖廣泛分布的西南地區(qū)，優(yōu)質(zhì)填料極為匱乏，從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保兩方面考慮，利用炭質(zhì)泥巖進(jìn)行路堤填筑是大勢所趨?，F(xiàn)有研究表明，炭質(zhì)泥巖完全崩解后可滿足路用性能，但考慮炭質(zhì)泥巖受雨水入滲發(fā)生進(jìn)一步崩解，往往采用崩解炭質(zhì)泥巖與粉質(zhì)黏土分層填筑的方式填筑路堤，目的是利用粉質(zhì)黏土較低的滲透性阻隔水分的滲入，保證炭質(zhì)泥巖在填筑后不受外部水體入滲的影響，從而降低路堤邊坡在復(fù)雜環(huán)境中的失穩(wěn)風(fēng)險。本文以某高速公路路堤填筑工程為例，采用數(shù)值計算軟件分析降雨條件下炭質(zhì)泥巖一土分層路堤的滲流特性，以期為炭質(zhì)泥巖廣泛分布地區(qū)的路堤填筑與施工提供參考與指導(dǎo)。

1工程背景

某高速位于西南接近云貴高原，公路沿線多為丘陵山區(qū)，地形和地質(zhì)條件復(fù)雜，山高坡陡，高填深挖及半填半挖極其普遍。在修建過程中發(fā)現(xiàn)大量未崩解炭質(zhì)泥巖，路堤采用預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖一土分層交錯的方法填筑，其中樁號k10+700的斷面路堤兩側(cè)對稱，故取k10+700斷面半坡面作為研究對象。

2計算模型及參數(shù)

2.1計算模型

建立的計算模型如圖1所示，路堤坡比為1：1.5，考慮計算效率與精度將模型全局單元尺寸設(shè)為0.5，將模型劃分為5412個節(jié)點和5295個單元。特征截面分布位置與降雨模型試驗所設(shè)置的一致：特征截面I-I位于距模型坡頂3m的水平面上（測點3、4、5號）;特征截面Ⅱ-Ⅱ位于距模型坡頂5m的水平面上（測點6、7、8、9號）;特征截面Ⅲ-Ⅲ位于距模型坡頂7m的水平面上（測點10、11、12、13、14號）;特征截面Ⅳ一Ⅳ位于距坡面0.75m且與坡面平行的平面上（2、5、9、14號）;特征截面V-V位于距坡面2.25mE與坡面平行的平面上（1、4、8、13號）。

2.2計算參數(shù)

根據(jù)土工試驗得到預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲流與物理參數(shù)，再取公路附近原狀粉質(zhì)黏土與基巖，采用相同的土工試驗得到其各種參數(shù)，見表1，通過Van-Genuc hten模型擬合炭質(zhì)泥巖、粉質(zhì)黏土與基巖的土一水特征與滲透系數(shù)曲線，如圖2～3所示。

2.3計算方案

為分析降雨入滲對炭質(zhì)泥巖一土分層路堤滲流特性的影響，設(shè)置降雨強(qiáng)度為3.34×10m/s（該地區(qū)連續(xù)7d平均降雨量）。水位線以下的孔隙水壓力按照靜水壓力計算，地下水位線處孔隙水壓力為O kPa，而地下水位線以上的區(qū)域采用VG模型進(jìn)行非線性擬合，使與大氣接觸的坡面各處負(fù)孔隙水壓力相同，初始孔隙水壓力如圖4所示。

3結(jié)果與分析

3.1含水率的變化規(guī)律

圖5～8為沿高程分布的特征截面I-I、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ一Ⅲ含水率隨時間的變化規(guī)律，由圖可知：（1）在降雨試驗過程中，坡面土體（測點3號）含水率的變化分為：持續(xù)穩(wěn)定、迅速升高和迅速下降三個階段;靠近包邊土的內(nèi)部土體（測點4號）與遠(yuǎn)離包邊土的內(nèi)部土體（測點5號）含水率變化規(guī)律分為兩個階段：持續(xù)穩(wěn)定和緩慢升高;（2）粉質(zhì)黏土土層（特征截面Ⅱ-Ⅱ）在含水率達(dá)到24.52%（飽和含水率的90%）以上時，認(rèn)為該處土體處于飽和狀態(tài)，并在該處形成暫態(tài)飽和區(qū)，如圖6所示，在降雨過程中，靠近坡面的土體（測點8）內(nèi)部形成暫態(tài)飽和區(qū)，同時距離坡面越近的土體率先形成暫態(tài)飽和區(qū);（3）炭質(zhì)泥巖土層（特征截面III-III）含水率在試驗期間未超過其飽和含水率90%，因此認(rèn)為在炭質(zhì)泥巖土層中未出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)。

3.2基質(zhì)吸力的變化規(guī)律

沿高程分布的特征截面I-I、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ基質(zhì)吸力隨時間的變化規(guī)律如圖9～10所示。由圖9可知：（1）在試驗過程中，坡面土體（測點3號）基質(zhì)吸力的變化分為：迅速下降、迅速升高和緩慢升高三個階段;靠近包邊土的內(nèi)部土體（測點4號）與遠(yuǎn)離包邊土的內(nèi)部土體（測點5號）基質(zhì)吸力變化規(guī)律分為三個階段：持續(xù)穩(wěn)定、迅速下降和緩慢升高。（2）坡面粉質(zhì)黏土基質(zhì)吸力下降幅度最大，同時降雨停止后升高幅度也最大，邊坡內(nèi)部粉質(zhì)黏土基質(zhì)吸力下降幅度比炭質(zhì)泥巖下降幅度大，且距離坡面越遠(yuǎn)，基質(zhì)吸力下降的時間越晚。

3.3路堤孔隙水壓力分布

圖11為分層路堤在降雨條件下，不同時刻的孔隙水壓力分布圖，由圖可知，在降雨期間坡面土體孔隙水壓力上升幅度較大，而邊坡內(nèi)部土體孔隙水壓力在降雨期間無明顯升高，這是由于降雨入滲導(dǎo)致坡面土體含水率升高，孔隙水壓力也隨之增加。降雨停止后由于雨水持續(xù)滲透進(jìn)入邊坡內(nèi)部，導(dǎo)致邊坡內(nèi)部含水率增加，孔隙水壓力也隨之增加，而坡面由于雨水入滲，含水率持續(xù)降低，孔隙水壓力也隨之下降。在最終停止時刻（第512h），高程位于7～9m之間的炭質(zhì)泥巖土層孔隙水壓力增加幅度最大。

4結(jié)語

本文以西南某高速公路工程為依托，對降雨條件下炭質(zhì)泥巖一土分層路堤的滲流特征進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

（1）坡面土體含水率的變化可分為持續(xù)穩(wěn)定、迅速升高和迅速下降三個階段;降雨期間，靠近坡面的土體內(nèi)部容易形成暫態(tài)飽和區(qū)，在邊坡內(nèi)部未形暫態(tài)飽和區(qū)。

（2）坡面粉質(zhì)黏土基質(zhì)吸力下降幅度與降雨停止后升高幅度最大，邊坡內(nèi)部粉質(zhì)黏土基質(zhì)吸力下降幅度比炭質(zhì)泥巖下降幅度大，且距離坡面越遠(yuǎn)，基質(zhì)吸力下降的時間越晚。

（3）降雨期間坡面土體孔隙水壓力上升幅度較大，而邊坡內(nèi)部土體孔隙水壓力無明顯升高，降雨停止后邊坡內(nèi)部含水率增加，導(dǎo)致孔隙水壓力隨之增加。