基于數值分析方法的強降雨浸水路堤穩定性研究

史興，李浩霖，包林燕

（云南建設投資控股集團有限公司國際工程部，云南昆明650000）

1 工程背景

萬萬高速公路是老撾磨丁口岸至萬象高速公路中的萬榮至萬象段，該高速公路起于萬象市，終于萬榮市，向北經瑯勃拉邦對接中國磨憨口岸，順接G8511昆明至磨憨高速公路；向南連接老撾—泰國邊境的老泰友誼大橋，連接泰國廊開區境內的高速公路，是亞洲昆曼國際大通道的重要構成部分，此高速公路的設計全長達460余公里，其中第一段萬象至萬榮高速公路的全長為109.1km。

由于萬萬高速地處熱帶雨林地區，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，年降水量大，可達2000mm以上，而萬萬高速公路南段路基填料以土為主，土質路基在強降雨作用下面臨邊坡失穩等工程問題，雨季的萬象平原不論降雨強度還是降雨持續時間均顯著異于國內，因此很難直接借鑒國內的工程經驗，而必須開展專門的針對性研究。

本研究擬采用數值分析方法研究強降雨對土質路堤穩定性的影響，研究不同降雨強度、降雨時間對路基土體含水率、土體基質吸力、路基邊坡穩定性產生的不同影響，以期為強降雨區路基穩定性分析及加固處理提供指導。

2 數值模型構建

根據萬萬高速公路的氣候情況，本文考慮的降雨參數主要包括降雨強度、降雨持續時間兩個方面。在實際工程應用過程中，降雨的參數很難準確預測，變化規律十分復雜，為簡化計算過程，本文在數值分析時假定降雨是一個均勻持續的過程，即在研究過程中降雨強度為恒定值。降雨的持續時間考慮了分別持續24h、48h和72h三種工況。與暴雨相比，中小雨的強度較低，路基土體的孔隙水壓力增長較為緩慢，相對而言安全度更高。因此，本文主要考慮了強降雨條件對路基邊坡穩定性的影響。本文的研究采用MIDAS“土木結構專用的結構分析與優化設計軟件”進行強降雨路基穩定性分析。

2.1 模型構建

在模型構建時，對土體的本構模型采用摩爾—庫侖模型進行參數設定，在分析時由于填方路基可以歸納為軸對稱平面應變問題，依照對稱性原則完成對模型的假設：①土的滲流速率恒定可以忽略時間的影響；②土為彈塑體；③土體中水的流動遵從達西定律；④土是連續的，且土體均勻。

采用MIDAS GTS有限元軟件建立公路模型，并完成對模型的網格劃分，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來說較大，因此在劃分網格的時候較為密集，在不影響計算精度的同時，加快計算進程。網格劃分見圖1。在對邊界施加約束時，考慮實際情況，對路基底部采用完全約束；對地基施加橫向約束，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（統稱為路面結構層），厚統一設定為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，因此在模型中設定為不透水邊界條件。

圖1 數值模型網格劃分示意圖

2.2 模型參數選取

在數值建模過程中，路基中的土體、墊層、路堤填料等主要材料的本構模型均釆用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，同時模型的參數也易于確定。模型中主要材料的物理力學參數取值如表1所示。

表1 材料參數和單元形式

3 數值分析結果

在數值分析過程中，邊坡的穩定性分析主要采用瑞典圓弧條分法，在數值分析模型構建時考慮了多種不同的工況，研究不同工況時路堤邊坡穩定安全系數的演化規律。

3.1 同種工況不同時間模擬

首先對不同降雨持續時間的影響進行了分析，分別選取24h、48h、72h三種工況時路基邊坡的穩定性進行對比分析，求得路基邊坡的穩定安全系數隨時間演化規律，分析結果如圖2所示。

圖2 暴雨安全系數時間曲線

由圖2可知，在持續降雨的過程中，隨著雨水不斷滲入路基土體內部，路基中土體的含水率和孔隙水壓力不斷增大，土體的基質吸力不斷減小，表現出土體的內聚力和抗剪強度持續降低，這就導致路基邊坡的穩定性不斷下降。由此導致路堤邊坡的穩定性安全系數不斷下降隨降雨持續時間的增長而持續減小，在降雨結束時安全系數降到最小；隨著降雨停止，邊坡內雨水向內深入、向外流出，孔隙水壓力不斷降低導致土體的基質吸力隨之增長，土體的抗剪強度逐步回升，因此導致邊坡的穩定性安全系數隨之增長。

3.2 不同降雨強度模擬分析

隨后對不同降雨強度的路基穩定性進行了數值分析，不同降雨強度條件下土體的瞬態含水率分析結果如圖3所示。圖3中（a）、（b）、（c）三個曲線均描述了路基正中央點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度和降雨持續時間的綜合影響，降雨強度考慮了三種：4.63×10-6m/s、5.21×10-6m/s、5.787×10-6m/s，降雨持續時間考慮了11種：10min、30min、1h、2h、4h、6h、8h、12h、16h、20h、24h。

圖3 不同降雨強度土體含水量分布

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

3.3 降雨對土體基質吸力模擬

隨后針對降雨強度和降雨時間對土體基質吸力的影響進行了進一步的分析計算，數值分析結果表明，當土壤的初始含水率為10%時，在距離路基中線6m處，土體的瞬態孔隙水壓力以及基質吸力的分布曲線如圖4所示。

圖4 不同降雨強度孔隙水壓力值分布圖

由圖4、圖5的分析結果可知，在一定的降雨強度下，隨著降雨持續時間的不斷增長，路基不同位置土體的孔隙水壓力都隨之不斷增大，與此同時土體的基質吸力也隨之降低。在降雨開始的初期階段，路基表面土體的孔隙水壓力隨降雨時間快速增長，處于路基不同埋深土體的孔隙水壓力差值顯著。隨著降雨時間的增加，路基表層土體的孔隙水壓力逐步達到飽和，此時土體孔隙水壓力的增加幅度顯著減少；而路基內部土體在達到濕潤峰值前，其孔隙水壓力仍然在降雨持續時間的增加而持續快速增長。在一定的降雨強度下，隨降雨持續時間的增加，表層土體不斷達到飽和狀態，并將滲入的雨水持續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擴展。

圖5 浸潤線分布圖

4 結語

本研究在室內試驗得到的物理力學參數基礎上建立了數值分析模型，通過數值仿真分析軟件建立的降雨入滲模型；對路基在不同降雨強度與降雨持續時間的綜合影響下土體孔隙水壓力及邊坡穩定性的影響進行仿真分析，本研究建立的數值分析模型在本構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。基于上述模型，本文取得的主要研究結論如下：

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

（2）當降雨的持續時間保持一定時，不同的降雨強度對雨水入滲深度的影響差異不大，說明路基土體的雨水入滲深度主要受降雨時間的影響；但在雨水入滲范圍內的土體，其孔隙水壓力和含水率與降雨強度之間密切相關。

（3）路基在不同降雨持續時間和降雨強度條件下安全系數變化曲線基本相似，安全系數都隨降雨持續時間而逐漸減小，在降雨結束時達到最小；隨著降雨停止，邊坡內土體中的水分逐步下滲或者外流，土體的孔隙水壓力降低、邊坡土體基質吸力增長，土體的抗剪強度逐步回升，邊坡的穩定性安全系數也隨之逐步回升。