劉 曉, 葛 聰

[1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015；2.交通運輸安全應(yīng)急信息保障技術(shù)及裝備行業(yè)研發(fā)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(cè)挖方巖土體經(jīng)處理后用于填筑另一側(cè)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(huán)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(wěn)定性是工程設(shè)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(wěn)定性演化備受關(guān)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(wěn)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(fā)現(xiàn)，降雨對黏土邊坡穩(wěn)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(wěn)定性分析方法。蔣水華等[4]提出了同時考慮土體滲透系數(shù)和抗剪強度空間變異性的降雨入滲邊坡穩(wěn)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(fā)現(xiàn)低強長時降雨下，邊坡易發(fā)生深層失穩(wěn)，高強短時降雨則易誘發(fā)坡趾失穩(wěn)。石振明等[7]改進了Green-Ampt入滲模型，并提出了降雨入滲效應(yīng)下，多層非飽和土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)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(nèi)的降雨量及滑坡當天的強降雨是誘發(fā)滑坡災(zāi)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(fā)滑坡全過程的物質(zhì)點法，并分析了降雨過程中，土坡基質(zhì)吸力和抗剪強度的變化情況。

目前，在路基邊坡的穩(wěn)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(wěn)定性及滑動面的影響，指出隨填高增加，邊坡位移逐步向內(nèi)發(fā)展，并最終發(fā)展形成一條光滑的失穩(wěn)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(wěn)定性對交接面結(jié)構(gòu)形式、填方高度、填土強度參數(shù)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(wěn)定性的兩個關(guān)鍵要素。李群等[13]研究指出，交接面處設(shè)置臺階和加筋材料可有效提升半填半挖路基的穩(wěn)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(wěn)定性的重要因素，填方土體內(nèi)摩擦角應(yīng)大于地形坡角，以避免半填半挖路基失穩(wěn)。蘇永華等[15]分析了交接面臺階特征和填方強度參數(shù)對半填半挖路基邊坡穩(wěn)定性的影響，并基于灰色關(guān)聯(lián)分析法指出路基穩(wěn)定性對填方體強度參數(shù)的敏感性大于其對填方體幾何參數(shù)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(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)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(wěn)定性。

綜上所述，目前有關(guān)半填半挖路基邊坡穩(wěn)定特性的研究尚不全面，多聚焦于填方高度、填方物理力學(xué)參數(shù)、交接面結(jié)構(gòu)形式和幾何參數(shù)等對其穩(wěn)定性的影響，缺乏對降雨入滲條件下路基穩(wěn)定性的深入分析。對此，本文結(jié)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(zhì)吸力、飽和度和穩(wěn)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(qū)、中段較陡區(qū)和下段近海緩和區(qū)。原自然坡體主要由表層強風(fēng)化和下層中風(fēng)化粉砂巖地層組成。路基施工時，將上部挖方巖土體經(jīng)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(fēng)化層、強風(fēng)化層和填方路基填料的基本物理力學(xué)參數(shù)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(nèi)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(xiàn)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(wěn)定，且埋深較深，距坡頂約13 m，施工期間邊坡穩(wěn)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(zhì)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(wěn)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(wěn)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(shù)土層γu/(kN·m-3)γs/(kN·m-3)E/MPaμc/kPaφ/(°)中風(fēng)化層1617120.3835強風(fēng)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(shù)值仿真模型，并結(jié)合流固耦合計算和強度折減法分析其在降雨條件下的穩(wěn)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(gòu)參數(shù)采用表1中數(shù)值。為研究降雨入滲過程中坡體基質(zhì)吸力及穩(wěn)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(yīng)力行為。PLAXIS有限元軟件采用Bishop非飽和土有效應(yīng)力原理計算土層的有效應(yīng)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(yīng)力，kPa；σ為土體的總應(yīng)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(zhì)吸力，kPa；χ是與飽和度相關(guān)的系數(shù)。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(jié)了不同類型土體的χ值與其飽和度S的經(jīng)驗關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者之間的函數(shù)關(guān)系較為復(fù)雜[20]。由于缺少相關(guān)非飽和三軸試驗數(shù)據(jù)，本文采用PLAXIS的默認設(shè)置，令χ=S，并在此基礎(chǔ)上分析降雨對上述半填半挖路基邊坡穩(wěn)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(shù)(即基質(zhì)吸力水頭與相對滲透系數(shù)間的關(guān)系)和土水特征曲線(即基質(zhì)吸力水頭與飽和度間的關(guān)系)進行定義。圖2、圖3分別為巖土層的滲透性函數(shù)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(fēng)化層和強風(fēng)化層的滲透性函數(shù)[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(shù)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(wǎng)格，其中加密了開挖區(qū)和填筑區(qū)的網(wǎng)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(cè)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(shè)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(cè)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(shù)；⑤計算不同降雨強度和時長下邊坡的安全系數(shù)；⑥計算不同地下水位下邊坡的安全系數(shù)；⑦結(jié)合具體計算結(jié)果考慮是否需要加固邊坡。根據(jù)文獻[17]的相關(guān)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(wěn)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(chǔ)上上調(diào)了邊坡土層的飽和滲透系數(shù)；結(jié)合具體研究需求，中風(fēng)化層、強風(fēng)化層和填方路基土的飽和滲透系數(shù)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(wǎng)格(單位：m)

3 結(jié)果分析

3.1 降雨量的影響

圖5為半填半挖路基邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨量的變化關(guān)系曲線。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)，降雨前期路基邊坡安全系數(shù)與降雨量呈現(xiàn)一定的線性變化規(guī)律，且整體上兩者呈負相關(guān)關(guān)系。以降雨強度100 mm/d為例，不同降雨量下的邊坡基質(zhì)吸力分布云圖如圖6所示；其中，上部淺色區(qū)域表示高基質(zhì)吸力區(qū)，由淺至深過渡，基質(zhì)吸力逐步減小，深色區(qū)域則代表土體基質(zhì)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(zhì)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(zhì)吸力減小尤為明顯，圖中深色區(qū)域已接近飽和，基質(zhì)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(shù)相對較小有關(guān)。圖7為基于剪應(yīng)變增量確定的典型路基邊坡潛在滑動面形態(tài)及位置，可見路基整體位于潛在滑動區(qū)。結(jié)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(zhì)吸力，但對潛在滑動帶處整體基質(zhì)吸力的影響并不十分顯著，這也是降雨2 d后路基邊坡穩(wěn)定系數(shù)減小卻不明顯的原因之一。

圖5 安全系數(shù)隨降雨量的變化關(guān)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(zhì)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(wěn)定安全系數(shù)越大。圖8為降雨強度100 mm/d和200 mm/d對應(yīng)的路基邊坡飽和度分布云圖(降雨量為200 mm時)，圖中深色區(qū)域為飽和區(qū)。由圖8可知，降雨量相同情況下，降雨強度小的工況所對應(yīng)的暫態(tài)飽和區(qū)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(tài)，因此低強長時降雨工況計算所得路基邊坡安全系數(shù)反而較小。由此可見，短時強降雨對邊坡穩(wěn)定性的危害不一定強于長時弱降雨；實際工程中，應(yīng)統(tǒng)籌考慮降雨強度和降雨時長的整體效應(yīng)，當降雨強度中等，但降雨持續(xù)時間卻很長時(比如我國南方典型的梅雨季節(jié))，更應(yīng)關(guān)注邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，并結(jié)合具體需要，加強監(jiān)測。另外，上述分析結(jié)果也從側(cè)面說明了保障邊坡排水通暢的必要性，強降雨條件下，應(yīng)做好邊坡的防排水，以盡量減少雨水滲入邊坡內(nèi)部，消減雨水入滲對邊坡土層基質(zhì)吸力和穩(wěn)定性的弱化效應(yīng)。

(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(zhì)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(nèi)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(wěn)定安全系數(shù)。圖9為該半填半挖路基邊坡安全系數(shù)隨地下水位上升高度的變化關(guān)系曲線。由圖可知，該邊坡安全系數(shù)隨地下水位上升高度近似呈線性減小的規(guī)律變化；地下水位上升6 m時，邊坡安全系數(shù)由1.311減小至1.131，已不滿足相關(guān)規(guī)范關(guān)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(wěn)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(zhì)吸力變化的情況下，計算發(fā)現(xiàn)于填方路基坡腳附近打設(shè)一排土釘時，邊坡的潛在滑動面發(fā)生了轉(zhuǎn)移，邊坡安全系數(shù)相應(yīng)增加，并可滿足規(guī)范關(guān)于公路路基邊坡穩(wěn)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(wěn)定性的影響強于雨水入滲的影響；建議在相關(guān)邊坡的設(shè)計和分析中，結(jié)合實際情況，綜合考慮降雨入滲和地下水位上升對邊坡穩(wěn)定性的弱化影響，并根據(jù)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(wěn)定安全。

圖9 地下水位上升對邊坡穩(wěn)定性的影響

4 結(jié)論

基于PLAXIS有限元仿真計算探討了半填半挖路基邊坡的穩(wěn)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(wěn)定性的影響。所得主要結(jié)論如下：

1)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨量(或降雨時長)呈負相關(guān)關(guān)系；邊坡土體基質(zhì)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(wěn)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(tài)飽和區(qū)比弱降雨條件時偏小，因而邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)略大于長時弱降雨工況下的數(shù)值。因此，工程中分析邊坡穩(wěn)定性時，應(yīng)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(wěn)定安全系數(shù)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(yīng)強于雨水入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響；建議實際工程中，結(jié)合具體情況，統(tǒng)籌考慮降雨入滲和地下水位上升對邊坡穩(wěn)定性的弱化影響。

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