不同降雨條件下路基邊坡穩定性及防治措施分析

■王晨韜 宋文凱

（新疆交通規劃勘察設計研究院有限公司，烏魯木齊 830006）

路基邊坡的穩定性是保障交通安全和基礎設施正常運行的關鍵因素，在降雨條件下，路基邊坡的穩定性常會受到不同程度的影響[1-3]。 因此，對不同降雨條件下路基邊坡穩定性的分析研究具有重要的理論意義和實踐價值。 目前，國內外學者已對降雨條件下的路基邊坡穩定性進行了大量研究，這些研究主要集中在降雨對土壤水文特性的影響、降雨對土體物理力學性質的影響，以及降雨條件下邊坡穩定性的數值模擬等方面[4-6]。 然而，現有的研究仍存在一些不足，主要表現為大部分研究集中在某一特定類型的降雨或某一特定地區的降雨，而忽略了不同降雨類型、不同強度和不同地區降雨的差異性對路基邊坡穩定性的影響[7-8]。 基于此，本文通過數值模擬的方法，深入分析不同降雨條件下路基邊坡的穩定性，并重點探討不同降雨類型和降雨強度對路基邊坡安全系數的影響，研究結果可為路基邊坡防護的設計和施工提供重要的依據，同時也有助于提高道路的安全性和使用壽命。

1 工程概況

某路基邊坡位于華南地區，以D18+116.6 斷面為研究對象，路基頂部寬度10 m，邊坡坡度1∶1.75，填土高度10 m，采用數值模擬的手段分析降雨對路基邊坡穩定性的影響。 現有的研究表明[4]，根據邊坡安全系數來判斷邊坡的穩定性最為直接、方便和可靠，表1 給出適合小型邊坡的邊坡穩定性判斷標準。

表1 邊坡穩定性判斷標準

2 數值建模

2.1 模型建立

采用大型有限元軟件Geostudio 進行建模分析，考慮到路基模型的沿道路中軸線左右對稱，本文以右半幅路基進行分析，如圖1 所示。 模型頂部寬度5.0 m，整體寬度24 m，模型高度10 m，路基邊坡坡率1∶1.75。模型除上邊界外，其他邊界均設置為不滲透邊界，邊坡上部設置為降雨入滲邊界。

圖1 數值模型圖

2.2 參數賦值

由于路基壓實度與土的滲透性密切相關，本節分別取路基壓實度為85%、90%和95%進行研究分析。 表2 給出了路基邊坡土體在壓實度分別為85%、90%和95%時的物理力學參數。

表2 土體的物理力學參數

2.3 工況設置

研究設置5 種工況，其中工況1～3 降雨類型均為均勻型降雨，降雨強度不同，分別為50 mm/d、100 mm/d 和150 mm/d；工況2 和工況4、5 降雨強度均為100 mm/d，但降雨類型不同，分別為均勻型降雨、后強型降雨、前強型降雨，如表3 所示。

表3 工況設置

3 降雨條件下路基邊坡穩定性分析

3.1 降雨對路基邊坡安全系數的影響

為探究不同降雨強度對路基邊坡安全系數的變化影響，圖2 給出了不同降雨強度下的路基邊坡安全系數變化曲線。 由圖可知，路基邊坡的安全系數隨降雨強度的增大而減小，且相同降雨強度下，路基壓實度越大，其安全系數越高。 具體分析可知，當壓實度為95%時，降雨強度由50 mm/d 提高至100 mm/d 和150 mm/d 時，路基邊坡安全系數依次減小了8.5%和14.0%；當壓實度為90%時，降雨強度由50 mm/d 提高至100 mm/d 和150 mm/d 時，路基邊坡安全系數依次減小了8.4%和28.2%；當壓實度為85%時，降雨強度由50 mm/d 提高至100 mm/d和150 mm/d 時， 路基邊坡安全系數依次減小了25.7%和42.6%。 由此可知，相同降雨強度下，邊坡安全系數隨路基壓實度的減小而減小，降雨強度變化對壓實度較低的路基邊坡穩定性的不利影響更大。

圖2 不同降雨強度下的路基邊坡安全系數變化曲線

為了探究不同降雨類型對路基邊坡安全系數的變化影響，圖3 給出了不同降雨類型下的路基邊坡安全系數變化曲線。 由圖可知，相同降雨強度下，“前強型降雨”類型路基邊坡安全系數最大，其次是“均勻型降雨”，最小的是“后強型降雨”，且相同降雨類型下，路基壓實度越大，其安全系數越高。 此外，當壓實度為95%、90%和85%時，3 種工況下路基邊坡安全系數最大差值分別為0.05、0.29 和0.30，即路基邊坡壓實度越小，不同降雨類型給路基邊坡穩定性帶來的不利影響就越大。

圖3 不同降雨類型下的路基邊坡安全系數變化曲線

3.2 降雨對路基邊坡臨界滑移面分析

為了更直觀地分析降雨作用對路基邊坡穩定性的影響， 通過將邊坡強度參數導入Geostudio 軟件中的Slope/W 極限平衡模塊，獲得不同工況下的邊坡臨界滑移面。

3.2.1 不同降雨強度產生的影響

圖4 為壓實度為85%、90%和95%時路基邊坡在不同降雨強度下的臨界滑移面圖。 由圖4（a）和（b）可知，當壓實度為95%和90%時，3 種工況下的路基邊坡均為穩定狀態，且隨著降雨強度的增大，邊坡安全系數不斷減小，臨界滑移面由平緩逐漸變得陡峭。 此外，3 種工況的臨界滑移面出口基本重合，但相比于壓實度為95%時，壓實度為90%時路基邊坡臨界滑移面出口離坡腳距離變近。由圖4（c）可知，當壓實度為85%時，隨著降雨強度的增大，邊坡安全系數不斷減小，臨界滑移面由平緩變得陡峭，此時工況1、工況2 和工況3 的路基邊坡分別為穩定狀態、欠穩狀態和失穩狀態。 此外，工況1 的臨界滑移面出口接近坡腳，工況2 和工況3 的臨界滑移面出口上移出現在邊坡坡面上。

圖4 路基邊坡在不同降雨強度下的臨界滑移面

綜上可知，降雨強度對路基邊坡穩定性具有重要的影響，當壓實度為95%時，降雨強度增大對路基邊坡穩定性影響相對較小；當壓實度為90%時，降雨強度增大對路基邊坡穩定性影響程度增大；當壓實度為85%時，隨著降雨強度的增大，路基邊坡由穩定狀態發展為欠穩狀態， 并最終處于失穩狀態。

3.2.2 不同降雨類型產生的影響

圖5 為壓實度為85%、90%和95%時路基邊坡在不同降雨類型下的臨界滑移面圖。 由圖5 （a）可知，當壓實度為95%時，3 種工況下的路基邊坡均為穩定狀態，臨界滑移面差異不大，三者中“前強型降雨”類型路基邊坡安全系數最大，臨界滑移面也最為平緩；由圖5（b）可知，當壓實度為90%時，“前強型降雨”和“均勻型降雨”類型路基邊坡均為穩定狀態，“后強型降雨”類型路基的臨界滑移面出口位于坡面上，邊坡發生失穩；由圖5（c）可知，當壓實度為85%時，“前強型降雨” 類型路基邊坡為穩定狀態，“均勻型降雨” 類型路基邊坡為欠穩狀態，“后強型降雨”類型路基邊坡為失穩狀態，三者路基的臨界滑移面出口均位于坡面上。

圖5 路基邊坡在不同降雨類型下的臨界滑移面

綜上可知，不同降雨類型對路基邊坡穩定性具有重要的影響， 在相同降雨量下，“后強型降雨”類型會導致更低的邊坡安全系數，且當臨界滑移面出口位于坡面上時邊坡易出現失穩現象。

4 降雨影響機理及防治措施分析

4.1 降雨對土壤特性的影響

降雨對土壤特性的影響主要表現在2 個方面：一是改變土壤含水量，二是影響土壤強度。 對于前者，降雨會使得土壤含水量增加，特別是當土壤以黏土為主時，含水量的增加會導致土壤顆粒間的連接被削弱，產生流滑現象。 對于后者，降雨會使土壤的抗剪強度降低，主要是由于水會填充土壤顆粒間的空隙，使土壤顆間的摩擦力減小。

4.2 降雨對邊坡穩定性的影響

降雨對邊坡穩定性的影響主要表現在以下幾個方面：（1）改變地下水位。 降雨會導致地下水位上升，增加土壤的水壓力，使得邊坡的下滑力增加，從而降低邊坡的穩定性。（2）滑坡。降雨會改變土壤的濕度和強度，使得一部分土壤在重力和水壓力的作用下沿著坡面滑動，導致滑坡的發生。 （3）侵蝕作用。 持續的降雨會產生徑流，對邊坡進行沖刷和侵蝕，導致邊坡失穩。

4.3 減輕降雨影響的防治措施

為了減輕降雨對路基邊坡穩定性的影響，可以采取以下防治措施：（1）修建排水設施。 如排水溝或排水管，以防止地下水位上升和減少水對土壤的影響。（2）改變邊坡幾何形狀。通過改變邊坡的幾何形狀，可以增加邊坡的穩定性。 （3）增加支撐物。 通過增加支撐物， 如鋼筋混凝土樁或預應力錨索等，可以提高邊坡的穩定性。（4）植被恢復。通過在邊坡上種植植被，可以防止水流的直接沖刷，并提高邊坡的穩定性。（5）加強監測和維護。定期對邊坡進行監測和維護，及時發現并處理可能存在的問題。

5 結論

本文采用數值模擬的方法，深入分析了不同降雨條件下路基邊坡的穩定性，著重探討了不同降雨類型和降雨強度對路基邊坡安全系數的影響，得到以下結論：（1）降雨條件下，邊坡安全系數隨路基壓實度的減小而減小，降雨強度變化對壓實度較低的路基邊坡穩定性的不利影響更大；（2）相同降雨強度下，“前強型降雨” 類型路基邊坡安全系數最大，其次是“均勻型降雨”，最小的是“后強型降雨”，且路基壓實度越大，其安全系數越高；在相同降雨量下，“后強型降雨” 類型會導致更低的邊坡安全系數，且當臨界滑移面出口位于坡面上時邊坡易出現失穩現象；（3）降雨類型變化和壓實度不足是導致路基邊坡出現失穩的重要原因，施工過程中應加以控制；（4）通過修建排水設施、改變邊坡幾何形狀、增加支撐物、植被恢復、加強監測和維護等手段可以有效防止路基邊坡發生失穩。