降雨條件下粉質土路基變形與滲流特性及防護措施研究

關鍵詞：粉質土路基；降雨入滲；數值模擬；孔隙水壓力；邊坡穩定性中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.011文章編號：1673-4874（2025）03-0039-04

0 引言

隨著交通基礎設施的快速發展，路基的穩定性問題逐漸受到工程界的高度關注。路基作為道路的重要承載結構，其穩定性直接影響道路的使用性能和安全性[1-2]。近年來，由于氣候變化導致降雨頻次和強度的增大，降雨引起的路基變形和失穩現象日益嚴重，尤其是在多雨地區，降雨入滲導致的滲流作用不僅增加了土體孔隙水壓力，還會削弱土體的強度，從而顯著影響路基的穩定性[3。粉質土因其細粒成分較高、透水性較低、孔隙比大的特點，在受水飽和后容易發生結構性破壞，常導致沉降、滑移等變形問題。在降雨條件下，粉質土路基在水一力耦合作用下的變形行為和滲流特性尤為復雜，對該問題的研究將為公路設計和施工提供重要的參考[4-5]。因此，研究降雨作用下粉質土路基的變形及滲流特性具有重要的理論意義和工程實用價值。

本研究將基于粉質土的物理力學特性，采用數值模擬方法對降雨入滲過程中路基的滲流場與力場耦合作用機理進行分析。通過位移場、應力場及孔隙水壓力的變化，深入探討降雨作用下路基的變形模式，并提出合理的變形防護措施，以期為類似地區的路基設計及維護提供參考依據。

工程概況

研究區域位于廣西某南北向的高速公路，該區域屬于典型的亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。區域內年降水量較高，且大部分降水集中于 ?4～9 月，占全年降雨量的 70% 以上。降雨特點為集中、強度大、持續時間長，伴隨高溫條件容易引發較大程度的降水入滲，導致土體濕度迅速增加。突出的氣候特點為雨熱同期，強降雨發生頻繁，對路基的穩定性構成了較大影響。

根據工程勘察資料揭示，該路段粉質土路基段的總長度為9.18km，共5段，土體主要為第四系全新統坡洪積物，具有較高的飽和敏感性。地層上部為厚度 3～8m 的粉質土，質地較為均勻。粉質土路基段在降雨作用下滲流效應顯著，具有較高的濕陷性和變形性，且降雨入滲后孔隙水壓力增大，易對路基的整體穩定性產生不利影響。

2粉質土基本物理力學特性研究

為研究降雨作用下粉質土路基的滲流特性和變形行為，項目團隊在現場進行了土樣采集，取樣過程中嚴格按照規范采集不同深度的粉質土樣，以確保土樣的代表性，共采集了5組。利用試驗室設備對土樣進行了滲透試驗和直剪試驗?；谧兯^滲透試驗裝置，測得采集5組粉質土試樣的平均滲透系數為4 1.65×10^-5cm/s 采用應變控制型全自動直剪儀，對土樣進行了直剪試驗，根據土層厚度，上覆荷載分別為350kPa、 400kPa 7450 kPa和500 kPa ，試驗結果如圖1所示。經過計算，粉質土的黏聚力為 25.6kPa ，內摩擦角為28. 5^° 。通過室內基本力學試驗，為后文數值仿真提供力學參數。

第一作者簡介：沈葉星（1990一），工程師，研究方向：合同成本經營管理。

3降雨作用下粉質土路基數值模擬

3.1模型的建立

依據該高速公路 18452+864 處路基斷面，將路基簡化為層狀結構，具體如圖2所示。自上而下分別為路面、路堤、墊層和地基，厚度分別為 $0 . 6 ＼ m . 0 . 9 ＼ m . 0 . 2 ＼$ m和6.8m 。由于地基是對稱結構，為提高計算效率，采用半結構進行建模，其中沿深度方向模型長度為5 m₀

3.2本構模型及參數設計

數值計算過程中，路面路堤均是粉質土，本構模型使用摩爾一庫侖本構模型，綜合前文試驗結果及地質勘察報告，本文計算時采用的模型參數如表1所示。

3.3 邊界條件

結合本研究區的氣候特征，選擇了多個降雨強度情景進行模擬，包括連續降雨時間為30h、降雨強度為 極端降雨情況，以反映粉質土在不同降雨情境下的入滲與變形響應。在模擬過程中，模型兩側邊界均設定為無總流量邊界，以保持土體橫向穩定。底部邊界為防滲邊界，單位流速為零，防止水分通過底部邊界流出。路基坡面及坡腳區域設定為入滲邊界，尤其是坡腳沿線0.5m范圍內，模擬降雨作用下的水流入滲效果。

4數值計算結果分析

4.1 位移場分析

不同降雨強度條件下30h后的路基位移場結果如圖3所示。從圖3可知，隨著降雨強度逐漸增大 （80mm/d， 90mm/d，100mm/d） ，位移最大值均集中在路基的坡頂區域，表明坡頂是豎向位移最為敏感的區域。這是因為該區域水分入滲后，土體飽和度增大，導致土體強度降低，容易發生下沉或滑移。隨著降雨強度的增加，坡頂區域的最大豎向位移逐漸增加。當降雨強度由80mm/d增加至100mm/d時，最大位移由0.22m增加至0. 44m 。這一趨勢表明，較高的降雨強度加劇了土體變形，導致路基位移增大，這符合降雨入滲引起土體含水量增加、強度降低的作用機制。

綜上所述，位移場云圖反映了降雨強度對粉質土路基豎向變形的顯著影響，特別是在坡頂和坡面的變形較為突出。因此，在實際工程中應重點關注降雨條件下坡頂區域的防護措施，如排水系統的布置和土體加固，以減小高降雨強度帶來的位移風險。

4.2 應力場分析

研究不同降雨強度下路基的應力場分布規律時，不同降雨強度下路基的應力場變化趨勢大致相同，以100mm/d的降雨工況為例，降雨5h和30h后的應力場分布如圖4所示。在降雨強度為100mm/d的條件下，不同降雨時長對路基的應力場分布產生了明顯影響。隨著降雨時長的增加，應力場逐漸加深，且分布形態與邊坡形狀基本一致，呈現出由坡表向內部逐漸遞增的態勢。從降雨5h到降雨30h，路基頂部區域的應力顯著增大，應力等值線逐步深入土體內部，顯示長時間降雨使水分進一步滲入土體深層。這表明隨著降雨時長的增加，土體含水量逐步增大，導致土體飽和，產生更大的孔隙水壓力，從而使路基深層應力逐漸增大。在降雨5h時，應力等值線分布較密集，表明初期降雨影響僅限于坡表區域，深層土體的應力場變化較小。隨著降雨時長增加到30h，應力等值線的間距變大，顯示出土體深層逐漸受到降雨的影響，且應力分布隨深度變化較為均勻。

該應力場分析表明，在降雨強度較大的情況下，隨著降雨時間的增加，坡腳區域應力增大顯著，這種應力集中區域將影響坡腳的穩定性。實際工程中應針對該區域采取必要的排水和加固措施，防止因長時間降雨導致的坡腳失穩。

4.3孔隙水壓力分析

針對孔隙水壓力進行分析時，在模型頂部以下0.5m的部位由外向內布置3個監測點，分別為測點1^?～3^? ，在路基坡腳正下方設置3個監測點，分別為4^?～6^? 。以100mm/d的降雨工況為例，經過計算不同測點的孔隙水壓力隨降雨時間的變化規律如圖5所示。由圖5可知，在降雨初期 （0～6h） ，無論是坡肩還是坡腳，孔隙水壓力的增長速率都較大。降雨持續時間 gt;6 h后，孔隙水壓力的增長速率逐漸減緩，但仍保持上升趨勢，表明隨著降雨入滲，土體逐漸趨于飽和狀態。相比于坡肩區域，坡腳監測點的孔隙水壓力增長更為顯著。特別是在監測點 4^?，5^? 和 6^? ，孔隙水壓力峰值均比坡肩區域的監測點 1^?，2^? 和 3^? 要高，這表明在降雨過程中，坡腳由于水分累積和較強的入滲效應，孔隙水壓力增大更快且更容易達到飽和。相同降雨時間下，坡腳處各監測點的孔隙水壓力均大于坡肩處的監測點，這可能是由于坡腳區域匯集了更多的地表徑流，導致水分優先滲入坡腳區域，使其孔隙水壓力較早達到峰值；而坡肩區域在降雨初期的孔隙水壓力增長較緩，但在降雨持續時也呈現出一定的積累效應。

孔隙水壓力的變化趨勢表明，在強降雨條件下，坡腳區域更易受到水分入滲的影響，導致較高的孔隙水壓力。因此，在實際工程中應特別關注坡腳處的排水設計，以減小降雨累積導致的滲透壓力，從而保障邊坡的穩定性。

5 防護措施

根據本文對降雨作用下粉質土路基變形及滲流特性的研究結果，針對坡肩和坡腳區域的孔隙水壓力增大和位移情況，提出以下工程防護措施，以提高路基的穩定性和抗降雨侵蝕能力。

（1）由于坡腳區域在降雨過程中易積水、孔隙水壓力增長顯著，建議在坡腳處設置截水溝和排水盲溝，以引導地表徑流和滲流快速排出坡腳區域，減少水分累積對坡腳土體穩定性的影響。同時，可以在坡腳區域安裝滲水管道，進一步降低孔隙水壓力，防止因水分堆積而導致的土體失穩。

（2）為減少降雨直接入滲對坡肩和坡面的影響，可在坡面鋪設防滲膜或植被護坡，形成一層防護屏障，減緩降雨水滲入土體的速度。植被護坡還可增加坡面的抗沖刷能力，減少水土流失。防滲膜應根據坡面形狀合理布置，確保其與土體緊密貼合，以發揮最佳防護效果。

（③）由于坡腳和坡肩區域的孔隙水壓力和位移較大，建議在這些區域采用加筋土、砂袋或錨桿等加固措施，提高土體的整體強度和抗變形能力。在坡腳處適當布置土釘墻或錨桿，以增強坡腳的穩定性，防止邊坡滑移。

6結語

本研究通過數值模擬分析了降雨作用下粉質土路基的變形及滲流特性，得出以下結論：

（1）在降雨強度逐漸增加的情況下，路基的豎向位移主要集中在坡頂區域，并隨降雨強度的增大而加劇，表明較強的降雨顯著降低了粉質土的強度，導致路基的沉降和滑移風險增加。

（2）隨著降雨持續時間的增加，應力場逐步深入土體內部，并在坡腳區域形成應力集中區。這種現象表明，長時間降雨不僅增加了土體的含水量，還加大了坡腳區域的失穩風險。

（3）在降雨過程中，坡腳區域孔隙水壓力增速快、峰值高，尤其在降雨初期增長最為明顯。這是由于坡腳區域易積水，水分迅速滲入土體內部，導致飽和狀態下孔隙水壓力大幅上升，對路基穩定性產生不利影響，

（4）為應對降雨引起的路基變形與失穩風險，本文提出了設置坡腳排水溝、坡面防滲設施、坡腳和坡肩加固等工程措施，以有效減少降雨入滲對粉質土路基的影響。 °ledast

參考文獻

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