地下水及張拉裂縫影響下的路塹邊坡穩定性分析

摘要：為探究地下水位變化與張拉裂縫發育雙重影響因素下的邊坡穩定性，文章以某高速公路土質路塹邊坡為分析對象，利用數字仿真及數據分析等手段，開展地下水位變化對帶裂縫邊坡穩定性的影響研究，并基于恒定地下水位條件分析不同張拉裂縫長度下的邊坡穩定性。結果表明：基于恒定裂縫長度4 m，不同地下水位的水平、豎向及總位移峰值分別位于坡腳、坡頂裂縫、坡頂裂縫，得出地下水位3 m工況為位移速率轉折點；邊坡等效塑性應變峰值位于坡腳且隨地下水位上升而增大，得出地下水位3 m工況為應變速率轉折點；邊坡安全系數敏感范圍為地下水位0～3 m，地下水位升至7 m時，邊坡存在失穩風險；基于恒定水位3 m，邊坡安全系數隨裂縫長度增加發生加速降低，邊坡于裂縫長度6 m時存在失穩風險，若裂縫進一步發育應采取預應力加固措施以避免滑坡等風險，且應優先考慮張拉裂縫。

關鍵詞：地下水位；邊坡穩定性；張拉裂縫；數值模擬

中文分類號：U416.1+4A240763

0引言

路塹高邊坡穩定性一直是公路建設的關注重點，為防止邊坡失穩，應從設計、施工、使用等環節嚴格把控質量，同時全面考慮不利自然因素的影響［1］。邊坡頂部巖土體受拉應力影響，易形成一定深度的張拉裂縫，且在降雨、地下水位變化等自然因素下進一步發育，因此地下水、張拉裂縫等因素與土質路塹邊坡失穩模式存在密切關系［2］。康孝森等［3］基于非飽和土滲流及最大伸長線應變等理論，推導出邊坡坡頂張拉裂縫極限深度控制方程；劉洋銘等［4］基于實際工程背景，構建數值仿真模擬模型，開展地下水位、基質吸力等不同工況下路堤邊坡穩定性的研究；李林均等［5］對暴雨工況下裂縫滲流對堆積層滑坡滲流場以及穩定性的演化規律進行探究；熊志宏等［6］通過構建巖土體本構關系且確定含水率變化函數，對不同地下水位對膨脹土邊坡穩定性的影響展開分析；張占輝、張慶海等［7-8］利用有限元模擬手段對地下水、降雨滲流等影響因素下的公路路塹邊坡穩定性進行分析；李博文等［9］建立坡頂張拉裂縫參數公式，改進分布函數，對張拉裂縫及滑動面的水壓力表達式進行修正。本文以某高速公路土質路塹邊坡為研究背景，針對地下水及張拉裂縫影響下的路塹邊坡進行穩定性數值分析，研究結果可為路塹邊坡防護工作提供參考與指導。

1土質路塹邊坡簡介

該高速公路路塹邊坡土質主要分為兩類，邊坡范圍與兩種巖土體物理力學參數如圖1所示。該邊坡區域夏季雨量充足，降雨導致地下水位變化，邊坡含水率上升導致土質變差，可能產生新裂縫，且舊裂縫進一步發育。鑒于此應對地下水與張拉裂縫雙重不利因素影響下的邊坡穩定性展開分析。

2構建2D邊坡數值模型

利用MIDAS GTS NX有限元軟件構建2D邊坡模型，其力學邊界設置為自由約束，即于下、左、右邊界添加法向位移約束。地下水位變化共計7種工況，構建地下水位分別為0 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m等數值模型（距下邊界高度）。有限元軟件中利用析取定義界面單元（裂縫），初始張拉裂縫長度為4.0 m，雙層土體采用摩爾-庫侖本構模型，而裂縫則采用庫侖摩擦本構。路塹邊坡不同工況下的網格劃分見圖2。

3不同地下水位的張拉裂縫邊坡穩定性

數值模擬中，地下水位以上土體處于干燥，以下土體為飽和狀態。對土體處于飽和狀態下的物理力學性質進行降級處理，路塹邊坡坡頂處受拉應力作用產生張拉裂縫，其遇水將逐步發展，裂縫與地下水相互影響加快了邊坡失穩進程。本文通過建立不同地下水位數值模型，提取對應數據，從位移、等效塑性應變以及邊坡折減安全系數等方面論述邊坡穩定性問題。

3.1邊坡位移分析

邊坡位移分為水平與豎向位移，水平位移主要表現為擠入或擠出，豎向位移則為沉降特征，兩者利用矢量求解得出總位移。總位移分布云圖可以有效直觀地反映出邊坡整體變形趨勢。提取不同地下水位條件下的水平位移、豎向位移以及總位移數據進行分析，對比不同條件下邊坡位移特征進而評價其邊坡穩定性。

分析圖3中不同地下水位條件下的路塹邊坡水平、豎向以及總位移等變化規律，可以得出：

（1）由圖3（a）可知，邊坡水平位移峰值發生于坡腳處，并且表現為擠出趨勢；邊坡從整體干燥狀態轉至地下水位7 m，水平位移峰值從3.3 mm增至7.4 mm，且增大速率呈現出先快速后緩慢的規律，轉折工況為地下水位3 m處。表明邊坡水平位移關于地下水位敏感區間為0～3 m，地下水位超過此區間對水平位移影響程度越來越小。

（2）從圖3（b）看出邊坡豎向位移峰值發生于坡頂裂縫處，且表現為沉降趨勢；邊坡豎向位移峰值隨地下水位的增加而增加，且地下水位于0～3 m的變化速率明顯快于3～7 m的，與水平位移變化規律保持一致；豎向位移峰值發生于坡頂張拉裂縫處，是因為下層土體受地下水影響導致性質變差，坡頂受拉應力作用加劇，使坡頂發生明顯沉降且導致裂縫進一步發育。

（3）圖3（c）中的總位移為水平、豎向位移之矢量和，總位移峰值與豎向位移峰值一致，均位于坡頂張拉裂縫處；總位移峰值隨地下水位變化而變化，且變化規律與水平、豎向位移一致，峰值從4.3 mm增至9.2 mm，而地下水位3 m對應的峰值已達7.7 mm，計算得出地下水位0～3 m的位移峰值約占84%。從總位移層面分析得出地下水位3 m工況為轉折點。

3.2邊坡等效塑性應變及安全系數分析

邊坡數值模擬結果中的等效塑性應變云圖可清晰看出滑動潛在面，潛在滑動面會隨張拉裂縫發育而變化，而張拉裂縫發育又與降雨、地下水位變化等自然因素有關。鑒于此，探究邊坡穩定性應該重視地下水位變化這一因素，不同地下水位的邊坡等效塑性應變變化規律見圖4（a）。邊坡穩定性模擬計算中，最經典的即是采用強度折減法求解得出邊坡安全系數（SRM計算）。通過MIDAS GTS NX有限元軟件計算得出不同地下水位條件下的邊坡安全系數變化規律，如圖4（b）所示。分析圖4可知：

（1）從圖4（a）可看出不同地下水位條件下的邊坡等效塑性應變變化規律：邊坡等效塑性應變峰值位于坡腳處，整體干燥狀態下坡腳應變峰值為2.1×10-3，其隨地下水位上升而逐漸增大，當水位上升至7 m時，應變峰值達5.3×10-3；從坡腳應變峰值變化速率而言，地下水位0～3 m增長速率明顯快于3～7 m的，表明地下水位3 m工況為應變速率轉折點。

（2）高速公路常規工況下，取邊坡安全系數1.2作為限制值，數值模擬計算得出邊坡安全系數＜1.2，可評價說明路塹邊坡存在失穩風險［10］。

不同地下水位條件下的邊坡安全系數變化規律如圖4（b）所示，并利用多項式對邊坡安全系數進行擬合分析，相關指數為0.996 3，說明擬合程度非常好。對擬合曲線進行一次求導，導函數于地下水位0～3 m呈現增長趨勢，而于3～7 m呈現下降趨勢，說明地下水位對邊坡安全系數影響敏感區間為0～3 m；邊坡干燥情況下的安全系數為1.64，以安全系數限制值判定得出邊坡處于穩定狀態，隨著地下水位逐漸升高，邊坡安全系數進一步下降，當地下水位上升至7 m時，其安全系數已下降到1.19，已低于安全系數限制值1.2，評價得出當地下水位由6 m上升到7 m時，將導致邊坡發生失穩破壞。

4基于恒定水位的裂縫發育邊坡穩定性分析

前文僅討論了在恒定裂縫長度條件下，邊坡穩定性隨地下水位上升而變化，得出地下水位3 m工況條件為各項指標轉折點，且此工況的邊坡安全系數為1.38，側面說明張拉裂縫長度為4.0 m條件下，當地下水位上升至3 m時邊坡仍處于穩定狀態。這種情況其實忽視了裂縫發育程度與地下水位之間的影響效應，因此本小節于恒定地下水位3 m條件下，展開不同張拉裂縫長度工況下的邊坡穩定性研究，以邊坡安全系數評價邊坡穩定性。

圖5為不同裂縫長度工況下的邊坡安全系數變化規律與擬合曲線，分析得出下列觀點：

（1）地下水位恒定為3 m時，無裂縫工況的邊坡安全系數為1.56且邊坡處于穩定狀態，隨張拉裂縫逐漸發育，邊坡安全系數加速降低，當張拉裂縫長度＞6 m后安全系數降至1.20以下，說明當邊坡裂縫長度＞6 m后邊坡將逐漸失去穩定，若裂縫長度繼續惡性發育至9 m時，邊坡安全系數降低至0.88，其已＜1.0且可能發生滑坡等風險。鑒于此，應于裂縫開裂至6 m之前采取預應力加固等措施予以預防。

（2）對不同裂縫長度的邊坡安全系數進行擬合，且進行一次求導，相關指數為0.999 1，說明擬合效果較好，導函數為一次函數（遞減趨勢），說明邊坡安全系數隨裂縫長度的增加而加速降低，可以說明相對于地下水位影響而言，裂縫發育程度對邊坡安全系數影響更大。鑒于此，張拉裂縫應優先于地下水位進行考慮。

5結語

本文以某高速公路路塹邊坡為背景，采用MIDAS GTS NX有限元軟件構建不同地下水位及不同裂縫長度的邊坡仿真模型，分析邊坡水平、豎向、總位移、等效塑性應變、邊坡安全系數等指標的變化規律，歸納總結評價邊坡穩定性，分析得出：

（1）不同地下水位的邊坡水平、豎向、總位移變化規律：水平位移峰值位于坡腳且為擠出趨勢，地下水位在0～3 m增加較快；豎向位移峰值位于坡頂裂縫處且為沉降趨勢，與水平位移變化趨勢一致；總位移為水平、豎向位移矢量和，峰值位于坡頂裂縫處，變化規律與水平、豎向位移一致。從位移角度綜合分析得出地下水位3 m工況為轉折點。

（2）不同地下水位的等效塑性應變及安全系數變化規律：等效塑性應變峰值位于坡腳且隨地下水位上升而增大，確定地下水位3 m工況為應變速率轉折點。通過擬合分析得出邊坡安全系數變化敏感區間為地下水位0～3 m，地下水位7 m時的邊坡安全系數已降至1.19，此時邊坡可能發生失穩破壞。

（3）基于恒定水位3 m，不同張拉裂縫長度的邊坡穩定性：邊坡安全系數隨裂縫長度增加呈現加速降低趨勢，當長度＞6 m后安全系數＜1.20，邊坡存在失穩風險，若裂縫進一步發育極有可能發生滑坡風險，因此應于裂縫長度6 m前采取預應力加固等措施。分析地下水位、裂縫長度對邊坡安全系數的影響程度，認為張拉裂縫應優先于地下水位進行考慮。

參考文獻：

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［6］熊志宏，周昊，呂鵬楨，等.地下水位對膨脹土邊坡安全系數影響數值分析［J］.四川建材，2022，48（12）：87-89.

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［9］李博文，李克鋼，吳蘇，等.坡面張裂縫充水對平面滑動邊坡穩定性影響［J］.有色金屬工程，2022，12（7）：163-171.

［10］JTG D30-2015，公路路基設計規范［S］.

作者簡介：鄧福秀（1980—），工程師，主要從事試驗檢測工作。