降雨條件下非均質紅黏土路基的穩定性分析

張沖沖，毛吉成，許廣飛

(貴州大學 喀斯特環境與地質災害防治重點實驗室，貴陽 550000)

1 概 述

紅黏土是碳酸鹽類巖石在溫濕氣候條件下經風化和紅黏土化后形成的褐黃、褐紅色坡積、殘積黏性土[1]。它是種特殊類土，具有高孔隙性、高含水率、低壓縮性和承載力較高等特性，同時又具有脹縮性、裂隙性和分布不均勻性等復雜工程特性，水穩定性對紅黏土的工程特性有著重要影響[2-4]，也對路基邊坡的穩定性有著重要影響。因此，開展降雨條件下紅黏土陡坡路基的雨水入滲和邊坡穩定問題研究，為紅黏土填方路基工程提供技術支撐是非常必要的。

目前，降雨條件下路基邊坡的穩定性問題已有眾多學者進行了研究。如張德海等[5]進行了典型粗粒土和細粒土非飽和路基邊坡在降雨情況下的穩定性分析；劉文華等[6]運用飽和-非飽和理論及降雨入滲理論設置不同降雨強度進行計算，推出隨著降雨強度、持續時間變化，含水率、基質吸力的分布規律；唐軍等[7]對畢威高速公路玄武巖紅土的土水特征曲線和模型進行了試驗研究；吳勝軍等[8]對紅黏土路基水汽運移特性開展了大量的試驗研究；陶高梁等[9]采用分形模型描述土體黏粒含量對土水特征曲線影響規律，認為相同吸力條件下，黏粒含量越高，則體積含水率越高。但當前降雨條件下邊坡穩定性的研究熱點主要集中于土水特征曲線試驗研究和均質邊坡的穩定性計算等方面，針對非均質紅黏土路基穩定性研究方面的成果尚不多見。本文以貴州省遵義市某高速路段紅黏土路基為例，采用數值模擬方法，建立二維降雨滲流模型，開展降雨條件下紅黏土路基的穩定性研究。

2 工程地質概況

貴州省遵義市某高速公路采用雙向6車道的設計標準，整體式路基寬度33.5 m，其中選取代表性的紅黏土陡坡路基填方工程段，見圖1，最大填筑高度為23 m。路基右側為3級邊坡，坡率依次為1∶1.5、1∶1.75、1∶1.75。該填方區地層主要為中風化～強風化白云巖和紅黏土；路基填料為碎石料、紅黏土填料、土石料。巖土體物理力學參數見表1。

圖1 紅黏土陡坡路基代表性剖面

編號地層密度ρ/g·(cm3)-1變形模量E /MPa泊松比μ內聚力C /kPa內摩擦角φ /(°)抗拉強度σt /MPa滲透系數ksat /m·d-11碎石料2.15650.2403001.02紅黏土填料1.94150.28301800.000 53土石料2.15300.25152500.34紅黏土1.8060.3540/1510/800.0015處理層2.05300.26252000.16白云巖2.5815000.23200301.00.05

3 降雨條件下路基穩定性模擬分析

3.1 模型建立

根據遵義市1981-2010年的降雨統計資料[10]，模擬降雨過程為連續5天中雨(20 mm)，第6天為大暴雨(150 mm)，之后降雨停止(圖2)。降雨邊界采用流量邊界條件，當降雨強度小于坡面土體的滲透系數時，邊界流量由降雨強度確定；當降雨強度大于坡面土體的滲透系數時，邊界流量根據滲透系數計算確定。模型兩側的邊界采用定水頭邊界條件，水頭根據現場地下水位確定；模型底部為不透水邊界。初始條件根據定水頭邊界條件，采用穩態流模擬分析確定。見圖3。

圖2 模擬日降雨量與時間關系圖

圖3 分析模型

3.2 滲流場變化特征

圖4～圖9分別為降雨過程中路基的孔隙水壓力和體積含水率分布特征圖。從圖4-圖9可知，降雨前期中雨過程，地表水緩慢入滲，邊坡表面淺層開始濕潤。隨著后期暴雨的進行，雨水繼續入滲，出現暫態淺層飽和區。在降雨入滲過程中，除路基頂面因碎石料透水性強使得雨水較快入滲外，碎石料下方的路基則因土料滲透性極差使得雨水入滲非常緩慢，最大入滲深度約3 m，表明紅黏土路基邊坡的降雨入滲十分有限。

圖4 孔隙水壓力分布特征(第1天)

圖5 體積含水率分布特征(第1天)

圖6 孔隙水壓力分布特征(第3天)

圖7 體積含水率分布特征(第3天)

圖8 孔隙水壓力分布特征(第6天)

圖9 體積含水率分布特征(第6天)

3.3 穩定性分析

降雨過程中邊坡的穩定性系數變化過程見圖10。降雨前期，邊坡的穩定性系數隨降雨的進行有所降低，但降低的幅度值并不大；暴雨時，邊坡的穩定性系數也無明顯變化；降雨停止后，邊坡的穩定性系數緩慢恢復。邊坡穩定性系數的稍許下降，一方面是土體含水量增加后基質吸力有所降低所致，但土體基質吸力降低的區域仍僅限于坡體的淺表部，對于邊坡整體穩定性影響十分有限；另一方面是土體濕度增加后自重有所增大。邊坡穩定性系數的變化特征表明，降雨條件對紅黏土路基邊坡穩定性的影響較小。

圖10 降雨過程中邊坡穩定性系數變化過程

4 結 論

以遵義市某高速路段紅黏土填方路基為例，采用數值模擬方法對降雨條件下紅黏土路基的滲流場和路基邊坡的穩定性進行了模擬計算，得出以下結論：

1) 采用紅黏土填筑的路基邊坡降雨入滲十分有限，最大入滲深度約3 m。

2) 邊坡的穩定性系數隨降雨的進行有所降低，但降低的幅度值并不大；降雨停止后，邊坡的穩定性系數緩慢恢復，表明降雨條件對紅黏土路基邊坡穩定性的影響較小。