降雨條件下黃土填方邊坡促滑機理研究

摘" 要：為了解降雨條件下黃土路基填方邊坡的促滑機理，以G310號公路路基填方邊坡為研究對象進行降雨數值模擬，分析孔邊坡內部隙水壓力、有效飽和度和位移等參數的響應情況，隨著時間的增加，在降雨初期邊坡的安全系數變化較慢，隨著降雨的不斷入滲，安全系數不斷減小，8～24 h安全系數變化較大，減小趨勢顯著，隨后變化不大。促滑機理概括為降雨過程黃土填方邊坡強度劣化，加之降雨坡頂、坡腳積水，后緣坡體率先產生沉降變形，坡腳土體吸力逐漸喪失隨后發生濕剪破壞，進而坡體內土體應力調整，促使塑性區貫通，最終造成邊坡潰滑。

關鍵詞：強度劣化；黃土路基；填方邊坡；安全系數；促滑機理

中圖分類號：TU444" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0099-04

Abstract： In order to understand the slide promoting mechanism of loess subgrade fill slope under rainfall condition， the numerical simulation of rainfall was carried out on the roadbed fill slope of Highway G310， and the responses of parameters such as pore water pressure， effective saturation and displacement were analyzed. with the increase of time， the safety factor of the slope changes slowly at the initial stage of rainfall， and decreases continuously with the continuous infiltration of rainfall， and changes greatly during 8～24 hours. The decreasing trend is significant， and then it does not change much. The sliding promotion mechanism is summarized as follows： The strength of loess fill slope deteriorates in the process of rainfall， coupled with the accumulation of water at the top and foot of the slope， the back edge of the slope first produces settlement and deformation， and the suction of the soil at the foot of the slope is gradually lost， followed by wet shear failure， so that the stress of the soil in the slope is adjusted to promote the penetration of the plastic zone， thus resulting in the collapse of the slope.

Keywords： strength deterioration; loess roadbed; fill slope; safety factor; slip promotion mechanism

黃土的形成需要經過漫長的地質時期，不同區域的黃土所呈現的物理特性也有所不同，這些性質常常跟所處環境有很大關聯，一般情況下，黃土顆粒較粗，孔徑大，顏色呈現黃褐色或黃色。黃土的力學性質會隨著含水量的不同而呈現較大變化，容易形成垂直節理。大多數黃土分布區域降雨稀少，植被覆蓋率低，生態脆弱，環境彈性水平較差，恢復力穩定性較差。由于早期過度地追求經濟利益，忽視了環境的保護，自然資源和土地資源沒有得到合理的利用，加之區域降雨集中，使得這些區域的水土流失嚴重。邊坡垮塌松動、泥石流是這些區域常見的自然災害。黃土邊坡失穩并不是由單一因素所引起的，而是多種因素的復合。降雨入滲、地震破壞、巖土體的風化及人類建筑開挖等都是黃土邊坡失穩破壞的常見因素。高填方邊坡的破壞機制復雜，由于降雨條件下高填方邊坡穩定性的研究不夠充分，填方邊坡事故時有發生，因此必須對降雨條件下高填方邊坡的穩定性進行研究。

1" 黃土高填方邊坡工程概況

三門峽路基施工段起始樁號K134+300，位于靈寶市西閻鄉，途徑陽平鎮、故縣鎮；終止樁號K173+193.032，位于豫靈鎮豫陜交界，全長38.893 km，其中橋梁工程總長4 639.02 m，道路總長約34.2 km。三門峽市總體地勢東南高，西北低，形成了以黃土丘陵和河谷平原為主的地貌類型道路沿線地形起伏，溝壑縱橫，地形地貌主要分為3種類型：黃土臺地丘陵-黃土梁、黃土臺地丘陵-黃土塬、河谷平原。上段主要為黃河沖洪堆積的新生代第四系土層，以地質繪制及勘探為依據，在勘探深度內，沿線地層巖性上部為第四系全新統（Q3al+pl）地層，巖性以粉土、粉質黏土為主，填方土體的基本物理力學指標和顆粒級配曲線，如表1和圖1所示。通過對試驗結果的分析，得出了該區黃土樣的非均質系數和曲率系數分別為12.43和2.57的結論，認為該區黃土級配良好。

取典型斷面ZK119+719.702，如圖2—圖3所示，本段高填路基長178 m，最大填高30.9 m。該段路堤采用素土填筑，路堤施工前先清除植物根土層并夯實至規范規定的基底壓實度，個別段落地表斜坡度陡于1∶5，原地面挖臺階，臺階寬度不小于2.0 m，路堤填料采用符合規范要求的挖方土方作為填料。路提分層鋪筑均勻壓實，下路堤層厚不得大于40 cm，其料最小強度（CBR）為3%。

2" 高填方坡體模型的建立及參數的選取

本模型范圍內，原始坡體主要為Q3al+pl，回填土體為素土Q3ml，路堤施工前先清除植物根土層并夯實至規范規定的基底壓實度，但由于分層壓實，各層的性質隨著壓實度的不同而不同，這在模擬中適當考慮，邊坡地下水位為2 m，利用Comsol軟件建立二維地質模型（圖4），采用Mohr-Coulomb破壞準則，根據Comsol的滲流模塊對黃土填方邊坡降雨過程中的變形特征進行模擬，對邊坡進行穩定性評價和促滑機理分析，數值計算模擬中各介質的物理力學參數（表2）。

3" 降雨條件下填方邊坡響應的影響因素分析

降雨條件下填方邊坡響應的影響因素分析是一個復雜的問題，其中影響因素有很多，比如土體孔隙結構和尺寸的變化、低頻振動造成的地下水位線升高、坡體基質吸力的衰減和抗剪強度的降低等。研究表明，降雨對土體孔隙結構和尺寸的影響直接弱化了土體的黏聚力和動力特性，二者耦合作用下邊坡穩定系數降低幅度達到20%以上。

此外，干濕交替作用下非飽和土持水性能變化從而對邊坡的土壤含水量產生影響，進而對邊坡的穩定性產生影響。取降雨荷載0.01 m/h，持時2 d，降雨強度越大，土壤的保水性越弱，對粉土邊坡的滲透及穩定性越不利；在降雨強度小時，土壤保水性的衰減對黏性邊坡滲透及穩定有重要影響。

4" 降雨后填方邊坡促滑機理分析

圖5—圖7分別為24 h、48 h時邊坡總位移、有效飽和度和孔壓的模擬效果，可以看出降雨初始階段，階梯形邊坡后緣變形較大，降雨持時越長變形量越大，降雨間隔期間變形仍在繼續，即邊坡的變形呈現出滯后和積累效應。受入滲影響邊坡表層3 m左右的土層飽和度有較明顯變化，可認為降雨引起的干濕交替只會對坡面表土產生一定的影響。降雨過程中結合壓實黃土干濕循環強度劣化模型，通過不同降雨時刻下的強度折減法邊坡安全穩定性分析可得出降雨時間對應的安全穩定性系數。如圖8所示，隨著時間的增加，在降雨初期邊坡的安全系數變化較慢，隨著降雨的不斷入滲，安全系數不斷減小，8～24 h安全系數變化較大，減小趨勢顯著，隨后變化不大。當48 h降雨后，坡體缺少土體供給以及水分蒸發流失，安全系數短時間內降低后有緩慢增大的趨勢。

如圖7所示，同一剖面不同深度下的孔壓響應情況，可以看出持續降雨導致斜坡內部的孔隙水壓力不斷升高，隨后，降雨停止孔隙水壓力緩慢消散。分析不同深度處的孔隙水壓力變化，填方邊坡淺層位置孔壓響應時間較快，并且增速也較快。待降雨停止后，淺層區域較其他區域孔壓率先變小，而較深處的位置會有一定幅度的增大。這是由于重力作用即使降雨停止也會有部分孔隙水向下部滲流擴散，孔壓隨之降低。

綜上，填方邊坡降雨入滲時，雨水在相對平坦的邊坡頂部率先積水而使土體強度劣化并形成較大變形，導致坡頂處的張拉屈服，使得土體破壞，隨著降雨滲透裂縫逐漸增多；入滲深度增加過程中入滲速率會逐漸減小，雨強大于入滲速率，坡體表面逐漸積水從而在地面形成地表徑流，雨水在重力作用下向坡腳匯集，坡腳處土體很快飽和，土體吸力極速下降，從而引起有效應力下降進而引發其抗剪強度降低直至發生破壞（圖9）。隨著持續的降雨入滲土體的含水量逐漸增加并向下延伸，受滲透作用深度的限制，越深的土體孔隙水壓力的變化越小，有效應力的損失也越小；坡腳處的破裂會引起周邊土的拉伸應力，從而使周邊土的強度下降，使得周圍土體強度降低臨近破壞閾值。最終，由于拉伸塑性區向下延伸，而坡腳剪切塑性區向上延伸，其塑性區貫通，坡體產生失穩破壞。

5" 結束語

本文通過對降雨條件下的黃土填方邊坡促滑機理研究，可得出如下主要結論：

1）對于同一個剖面而言，可以發現越靠近表層的孔隙水壓力變化程度越大。邊坡上部區域的孔隙水壓力會隨著雨水的入滲而發生顯著變化，邊坡中部區域的孔隙水壓力變化幅度次之，邊坡坡腳處的孔隙水壓力變化幅度最大，降雨使邊坡表層最先達到飽和，而降雨后雨水繼續下滲邊坡表層飽和度變化不大。

2）降雨作用對填方邊坡的促滑機理概括為，干濕循環過程黃土填方邊坡強度劣化，加之降雨坡頂、坡腳積水，后緣坡體率先沉降變形，坡腳土體吸力逐漸喪失，繼而發生濕性剪切破壞，坡內土體應力對其進行調節，促使塑性區貫通，最終造成邊坡潰滑。

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