■ 中國公路工程咨詢集團有限公司 方鑫

邊坡問題是工程建設過程中面臨的主要問題之一。導致邊坡出現失穩(wěn)的因素有多種，包括其所處區(qū)域的地質構造等內部因素以及氣候降水等外部因素。基于對邊坡失穩(wěn)原因的分析，發(fā)現其多與水因素有關。本文以某高速公路邊坡工程為背景，通過離心模型試研究了在土體密度以及邊坡坡度一定的情況下，含水量對邊坡穩(wěn)定性的影響；以數值分析的方式對水流滲透下土體的應力場分布情況進行分析，以期為今后類似項目提供借鑒與參考。

1.離心模型試驗

斜坡的自身結構及物質組成對其穩(wěn)定性有較大影響，而導致其出現滑坡現象的因素主要與降雨有關。土質邊坡容易因雨水的滲透而導致其滲流場出現變化，從而增大土體荷載并降低其抗剪參數。此次試驗采用的是土工離心模型試驗，對坡角以及坡高一定的邊坡進行模擬，分析其應力場在降雨影響下的分布情況，研究應力場與含水量之間的關系，從而取得土質邊坡與含水量之間的關系。此次試驗共設置了三個試驗組，具體情況如表1所示。

2.試驗結果及分析

2.1 試驗結果

（1）試驗組1

此次試驗的加載加速度在七分鐘前上漲到60個，在之后的時間里以10g的上漲幅度每隔半小時上漲一次。所得結果如圖1所示。

邊坡坡頂處有豎直向下的滑裂面，有拉破壞出現在坡頂土層，當其破壞深度達到某一數值時將會出現剪切破壞，大致表現為圓弧型的滑裂面。此次試驗表現為幾何破壞，該種破壞類型主要表現為有蠕變剪切變形出現在邊坡坡腳位置處，在該位置有較快的鼓出土體，且早期容易有拉裂縫出現在坡頂位置；邊坡破壞容易因不斷鼓出的坡腳土體而表現出較快的破壞發(fā)展速率。對于邊坡的整體穩(wěn)定而言，邊坡坡腳是其主要的影響因素，保持該邊坡保持穩(wěn)定的最大高度為15m。

表1 試驗分組

圖1 試驗組1位移矢量圖

（2）試驗組2

從圖2分析可知，邊坡坡腳處有鼓出現象發(fā)生，且有拉裂縫出現在坡頂位置，導致其出現下沉，而邊坡整體未有顯著的變形出現。在邊坡坡頂處有滑裂面出現，該位置處整體表現為拉破壞，其破壞深度滿足一定限制之后有偏轉出現，表現有剪切破壞，滑裂面整體形式表現出圓弧型。該邊坡保持在穩(wěn)定狀態(tài)的最大高度為10m。

（3）試驗組3

該組試驗以分層設置的方式模擬邊坡模型，模型尺寸如圖3所示。

該邊坡的坡腳位置未有鼓出現象發(fā)生，試驗開始時僅有少量的拉裂縫出現在坡頂位置，但隨著加載時間的不斷推移，有較為顯著的局部裂縫出現在坡腳位置，并且原有的坡頂裂縫表現為深度及寬度不斷加深，但邊坡整體保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 試驗結果分析

從試驗1和試驗2的模擬結果可知，在僅改變含水量的情況下，隨著加載的不斷進行，邊坡的位移及破壞形式均不同。對于邊坡的穩(wěn)定性而言，含水量的影響較大，并且其與邊坡保持穩(wěn)定的最大高度表現有非線性的關系，即隨著不斷增加的含水量，邊坡保持穩(wěn)定的最大高度降低程度不斷增加。

對比試驗2和試驗3可知，兩個試驗具有基本一致的幾何形狀和基本一致的平均密度及含水量。但因試驗3的配置屬于分層的形式，雖然試驗3的上層含水率是最高的一組，但其相比于下層土而言密度較小、含水量較高，導致在試驗2破壞程度較高時，試驗3的模型仍然保持完整，表明對于邊坡而言，下部土體的穩(wěn)定性對其有較大影響。因此，在實際施工時應確保地下水具有較好的排泄能力，并且在開挖邊坡之后應馬上對其進行防護，避免邊坡的穩(wěn)定性受到地下水滲透的影響，在修建完成高邊坡之后，應將排水天溝設置在坡頂位置。

綜上所述，對于邊坡的穩(wěn)定性而言，在密度及坡度不變的情況下，含水量對其有較大的影響，因此，邊坡開挖應盡量避免在雨季進行，并在開挖之后應及時開展支護措施，避免邊坡的穩(wěn)定性受到地表水滲透的影響；從邊坡穩(wěn)定性的角度出發(fā)可知，下部土體對其影響較大，在實際施工時應確保地下水排出質量。

3.降雨滲流場數值模擬

基于上述試驗結果，為研究邊坡與含水量之間的關系，本文采用GEO-SLOPE軟件對降雨進行模擬。

圖2 試驗2位移矢量圖

圖3 試驗3模型尺寸圖

圖4 應力等值線圖

設置降雨滲流邊界在坡頂位置，使其具備降雨瞬態(tài)模型。此次試驗的降雨模擬采用等強度的降雨。地表土體隨著降雨的進行不斷趨于飽和，導致其水分不斷移動到邊坡內部，從實驗模擬所取得的等值線控制來看，坡頂土體在前期降雨時具有較大的含水量變化，并且表現有較快的下滲深度。隨著時間的不斷推移，坡頂體積含水量趨于穩(wěn)定，且表面水的下滲深度也趨于平緩，而邊坡下部土體含水量則不斷上升。

對于邊坡的穩(wěn)定性而言，降雨的下滲主要影響的是其土體的應力場，導致其體積含水量出現變化，從而影響到土體的強度參數。因此，本文將以數值分析的方式對邊坡應力與地表水下滲之間的關系進行分析。

表2 數值計算結果

在1x10-5m/s的降雨強度下，隨著雨水的不斷增加，邊坡土體的應力場不斷受到影響，部分應力等值線如圖4所示。

從土體的應力分布可知，有較大的拉應力出現在坡頂的后側，并有局部分布在下坡面位置。從離心實驗結果可知，在邊坡坡頂位置存在有豎直向下的滑裂面，即有拉破壞出現在邊坡坡頂位置，此外，當該拉破壞達到某一數值時，將會有剪切破壞出現，可見其表現與應力的數值分析結果一致。

為了便于對數值進行分析計算，此次試驗以平均含水量下土體強度作為分析對象，研究滲透深度以及降雨強度不同的邊坡穩(wěn)定系數，所得結果如表2所示。

當降雨強度一定時，邊坡的安全系數在不斷增加的降雨下滲深度下表現出不斷降低的趨勢。此外，隨著水下滲深度的不斷上升，邊坡安全系數的下降速率也不斷變快；當降雨強度不同時，邊坡的最小安全深度隨著水下滲深度的不斷增加而表現出不斷增加的趨勢；當下滲深度相同時，邊坡的最小穩(wěn)定系數隨著含水量的增加而有所降低，即隨著時間的不斷推移，降雨的下滲強度也在不斷增加，不利于邊坡穩(wěn)定。因此，在開挖邊坡后應立刻采取相應的支護措施，降低降雨下滲的影響程度。

4.結語

基于離心試驗以及數值分析可知，邊坡的穩(wěn)定安全系數在土體密度、滲透深度以及邊坡坡度一定的條件下，其隨著不斷增加的含水量表現出不斷變小的趨勢。從邊坡穩(wěn)定性的角度研究發(fā)現，含水量對其具有較大的影響，即對于邊坡穩(wěn)定而言，降雨入滲對其有較不利的影響。因此，在邊坡開挖時應盡可能避免在雨季施工，并在開挖之后及時采取相應的支護措施，避免邊坡穩(wěn)定性受到地表水下滲的影響；當降雨強度保持一定時，邊坡的安全系數隨著不斷增加的降雨下滲深度表現出不斷降低的趨勢，且隨著不斷增加的降雨下滲深度，該種規(guī)格降低速率不斷增大。因此，對于邊坡穩(wěn)定性而言，下部土體的穩(wěn)定性具有較大的影響，故在邊坡施工時應確保地下水排泄質量。