基于數(shù)值分析方法的強(qiáng)降雨浸水路堤穩(wěn)定性研究

史興，李浩霖，包林燕

（云南建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司國(guó)際工程部，云南昆明650000）

1 工程背景

萬(wàn)萬(wàn)高速公路是老撾磨丁口岸至萬(wàn)象高速公路中的萬(wàn)榮至萬(wàn)象段，該高速公路起于萬(wàn)象市，終于萬(wàn)榮市，向北經(jīng)瑯勃拉邦對(duì)接中國(guó)磨憨口岸，順接G8511昆明至磨憨高速公路；向南連接老撾—泰國(guó)邊境的老泰友誼大橋，連接泰國(guó)廊開(kāi)區(qū)境內(nèi)的高速公路，是亞洲昆曼國(guó)際大通道的重要構(gòu)成部分，此高速公路的設(shè)計(jì)全長(zhǎng)達(dá)460余公里，其中第一段萬(wàn)象至萬(wàn)榮高速公路的全長(zhǎng)為109.1km。

由于萬(wàn)萬(wàn)高速地處熱帶雨林地區(qū)，該高速公路穿行地段高溫多雨，年平均氣溫處于25℃~28℃之間，全年雨季長(zhǎng)，年降水量大，可達(dá)2000mm以上，而萬(wàn)萬(wàn)高速公路南段路基填料以土為主，土質(zhì)路基在強(qiáng)降雨作用下面臨邊坡失穩(wěn)等工程問(wèn)題，雨季的萬(wàn)象平原不論降雨強(qiáng)度還是降雨持續(xù)時(shí)間均顯著異于國(guó)內(nèi)，因此很難直接借鑒國(guó)內(nèi)的工程經(jīng)驗(yàn)，而必須開(kāi)展專門的針對(duì)性研究。

本研究擬采用數(shù)值分析方法研究強(qiáng)降雨對(duì)土質(zhì)路堤穩(wěn)定性的影響，研究不同降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間對(duì)路基土體含水率、土體基質(zhì)吸力、路基邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的不同影響，以期為強(qiáng)降雨區(qū)路基穩(wěn)定性分析及加固處理提供指導(dǎo)。

2 數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)萬(wàn)萬(wàn)高速公路的氣候情況，本文考慮的降雨參數(shù)主要包括降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間兩個(gè)方面。在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，降雨的參數(shù)很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，變化規(guī)律十分復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，本文在數(shù)值分析時(shí)假定降雨是一個(gè)均勻持續(xù)的過(guò)程，即在研究過(guò)程中降雨強(qiáng)度為恒定值。降雨的持續(xù)時(shí)間考慮了分別持續(xù)24h、48h和72h三種工況。與暴雨相比，中小雨的強(qiáng)度較低，路基土體的孔隙水壓力增長(zhǎng)較為緩慢，相對(duì)而言安全度更高。因此，本文主要考慮了強(qiáng)降雨條件對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性的影響。本文的研究采用MIDAS“土木結(jié)構(gòu)專用的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件”進(jìn)行強(qiáng)降雨路基穩(wěn)定性分析。

2.1 模型構(gòu)建

在模型構(gòu)建時(shí)，對(duì)土體的本構(gòu)模型采用摩爾—庫(kù)侖模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，在分析時(shí)由于填方路基可以歸納為軸對(duì)稱平面應(yīng)變問(wèn)題，依照對(duì)稱性原則完成對(duì)模型的假設(shè)：①土的滲流速率恒定可以忽略時(shí)間的影響；②土為彈塑體；③土體中水的流動(dòng)遵從達(dá)西定律；④土是連續(xù)的，且土體均勻。

采用MIDAS GTS有限元軟件建立公路模型，并完成對(duì)模型的網(wǎng)格劃分，由于地基在變形中位移量較小，因此劃分較為稀疏；路基在變形中的位移量相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，因此在劃分網(wǎng)格的時(shí)候較為密集，在不影響計(jì)算精度的同時(shí)，加快計(jì)算進(jìn)程。網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。在對(duì)邊界施加約束時(shí)，考慮實(shí)際情況，對(duì)路基底部采用完全約束；對(duì)地基施加橫向約束，不施加豎向約束。公路路基上方修筑的路面底基層、基層和瀝青混凝土面層（統(tǒng)稱為路面結(jié)構(gòu)層），厚統(tǒng)一設(shè)定為0.68m。瀝青混凝土面層厚0.14m，容重23.5kN/m3；基層、底基層厚0.54m，容重21.0kN/m3，車輛荷載取15kPa，故作用于路基頂面的均布荷載取30kPa。由于本項(xiàng)目的公路路面采用瀝青混凝土路面，瀝青路面透水性差，因此在模型中設(shè)定為不透水邊界條件。

圖1 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 模型參數(shù)選取

在數(shù)值建模過(guò)程中，路基中的土體、墊層、路堤填料等主要材料的本構(gòu)模型均釆用Mohr-Coulomb模型，采用Mohr-Coulomb模型能夠較好地反映出土體的受力及變形特性，同時(shí)模型的參數(shù)也易于確定。模型中主要材料的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 材料參數(shù)和單元形式

3 數(shù)值分析結(jié)果

在數(shù)值分析過(guò)程中，邊坡的穩(wěn)定性分析主要采用瑞典圓弧條分法，在數(shù)值分析模型構(gòu)建時(shí)考慮了多種不同的工況，研究不同工況時(shí)路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的演化規(guī)律。

3.1 同種工況不同時(shí)間模擬

首先對(duì)不同降雨持續(xù)時(shí)間的影響進(jìn)行了分析，分別選取24h、48h、72h三種工況時(shí)路基邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，求得路基邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨時(shí)間演化規(guī)律，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 暴雨安全系數(shù)時(shí)間曲線

由圖2可知，在持續(xù)降雨的過(guò)程中，隨著雨水不斷滲入路基土體內(nèi)部，路基中土體的含水率和孔隙水壓力不斷增大，土體的基質(zhì)吸力不斷減小，表現(xiàn)出土體的內(nèi)聚力和抗剪強(qiáng)度持續(xù)降低，這就導(dǎo)致路基邊坡的穩(wěn)定性不斷下降。由此導(dǎo)致路堤邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)不斷下降隨降雨持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)而持續(xù)減小，在降雨結(jié)束時(shí)安全系數(shù)降到最?。浑S著降雨停止，邊坡內(nèi)雨水向內(nèi)深入、向外流出，孔隙水壓力不斷降低導(dǎo)致土體的基質(zhì)吸力隨之增長(zhǎng)，土體的抗剪強(qiáng)度逐步回升，因此導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)隨之增長(zhǎng)。

3.2 不同降雨強(qiáng)度模擬分析

隨后對(duì)不同降雨強(qiáng)度的路基穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，不同降雨強(qiáng)度條件下土體的瞬態(tài)含水率分析結(jié)果如圖3所示。圖3中（a）、（b）、（c）三個(gè)曲線均描述了路基正中央點(diǎn)位不同深度處土體的含水率變化曲線，分別考慮了不同降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間的綜合影響，降雨強(qiáng)度考慮了三種：4.63×10-6m/s、5.21×10-6m/s、5.787×10-6m/s，降雨持續(xù)時(shí)間考慮了11種：10min、30min、1h、2h、4h、6h、8h、12h、16h、20h、24h。

圖3 不同降雨強(qiáng)度土體含水量分布

兩種參數(shù)的綜合影響下土體的含水率分布情況表明，在同一降雨強(qiáng)度下，隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加，路基中央位置土體的含水率呈逐漸增加趨勢(shì)，與此同時(shí)路基土體的濕潤(rùn)峰值逐漸往下推移。降雨剛開(kāi)始的時(shí)候，隨時(shí)間的增長(zhǎng)路基表層土體的含水率快速增長(zhǎng)，隨著土體含水率快速飽和，表層土體的基質(zhì)吸力迅速降為零，路基不同深度處土體的含水率差異顯著。隨著降雨時(shí)間的增加，路基表層土體的含水率增加幅度顯著降低，但當(dāng)土體的含水率達(dá)到濕潤(rùn)峰值前期含水率隨降雨時(shí)間的增加依然不斷增加。分析結(jié)果表明，在降雨強(qiáng)度相同的條件下，隨降雨持續(xù)時(shí)間的不斷增加，路基土體的含水率受影響深度也隨之不斷增加，當(dāng)土體的含水量達(dá)到接近于飽和含水率時(shí)，降雨持續(xù)時(shí)間的影響就快速衰減。

3.3 降雨對(duì)土體基質(zhì)吸力模擬

隨后針對(duì)降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間對(duì)土體基質(zhì)吸力的影響進(jìn)行了進(jìn)一步的分析計(jì)算，數(shù)值分析結(jié)果表明，當(dāng)土壤的初始含水率為10%時(shí)，在距離路基中線6m處，土體的瞬態(tài)孔隙水壓力以及基質(zhì)吸力的分布曲線如圖4所示。

圖4 不同降雨強(qiáng)度孔隙水壓力值分布圖

由圖4、圖5的分析結(jié)果可知，在一定的降雨強(qiáng)度下，隨著降雨持續(xù)時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，路基不同位置土體的孔隙水壓力都隨之不斷增大，與此同時(shí)土體的基質(zhì)吸力也隨之降低。在降雨開(kāi)始的初期階段，路基表面土體的孔隙水壓力隨降雨時(shí)間快速增長(zhǎng)，處于路基不同埋深土體的孔隙水壓力差值顯著。隨著降雨時(shí)間的增加，路基表層土體的孔隙水壓力逐步達(dá)到飽和，此時(shí)土體孔隙水壓力的增加幅度顯著減少；而路基內(nèi)部土體在達(dá)到濕潤(rùn)峰值前，其孔隙水壓力仍然在降雨持續(xù)時(shí)間的增加而持續(xù)快速增長(zhǎng)。在一定的降雨強(qiáng)度下，隨降雨持續(xù)時(shí)間的增加，表層土體不斷達(dá)到飽和狀態(tài)，并將滲入的雨水持續(xù)傳遞到路基深處的土體，因此路基土體孔隙水壓力受影響的深度也隨之向深處持續(xù)擴(kuò)展。

圖5 浸潤(rùn)線分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

本研究在室內(nèi)試驗(yàn)得到的物理力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)上建立了數(shù)值分析模型，通過(guò)數(shù)值仿真分析軟件建立的降雨入滲模型；對(duì)路基在不同降雨強(qiáng)度與降雨持續(xù)時(shí)間的綜合影響下土體孔隙水壓力及邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行仿真分析，本研究建立的數(shù)值分析模型在本構(gòu)模型中還考慮了水平方向的流量，即建立了二維的降雨入滲模型?；谏鲜瞿Ｐ?，本文取得的主要研究結(jié)論如下：

（1）在一定的降雨強(qiáng)度下，隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，路基土體的雨水入滲影響深度持續(xù)增大，路基土體含水率達(dá)到飽和的深度也隨之不斷加深。

（2）當(dāng)降雨的持續(xù)時(shí)間保持一定時(shí)，不同的降雨強(qiáng)度對(duì)雨水入滲深度的影響差異不大，說(shuō)明路基土體的雨水入滲深度主要受降雨時(shí)間的影響；但在雨水入滲范圍內(nèi)的土體，其孔隙水壓力和含水率與降雨強(qiáng)度之間密切相關(guān)。

（3）路基在不同降雨持續(xù)時(shí)間和降雨強(qiáng)度條件下安全系數(shù)變化曲線基本相似，安全系數(shù)都隨降雨持續(xù)時(shí)間而逐漸減小，在降雨結(jié)束時(shí)達(dá)到最小；隨著降雨停止，邊坡內(nèi)土體中的水分逐步下滲或者外流，土體的孔隙水壓力降低、邊坡土體基質(zhì)吸力增長(zhǎng)，土體的抗剪強(qiáng)度逐步回升，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)也隨之逐步回升。