持續降水入滲的公路高邊坡穩定性分析

王 軍 林小慶 董天文

（遼寧工程技術大學 土木工程學院，遼寧 阜新123000）

1 引言

在公路建設中，公路邊坡的穩定與加固是建設工程中最重要的一個環節。雖然已經在設計、施工、養護方面采取了相應的支護加固、削坡穩定、截排水、倒水等技術措施，但每年雨季仍然發生較為頻繁的失穩滑坡事故［1］，截斷交通、危及生命安全。為進一步揭示雨季持續降水過程中公路高邊坡穩定性影響因素，作者采用強度折減法方法和有限差分軟件FLAC3D軟件，開展流固耦合降水入滲過程的高邊坡穩定性計算，分析入滲因素對土質邊坡穩定性的影響。

2 降水入滲與流固耦合條件

2.1 非飽和邊坡

非飽和是指土壤孔隙由水和空氣填充，并非全部是水。邊坡降水過程初期，邊坡體內部大部分處于非飽和狀態，基質吸力強，在持續降水入滲的情況下，地下水位升高，邊坡巖土體逐漸由非飽和轉變成飽和狀態，基質吸力變小?；|吸力影響著負孔隙水壓力，而負孔隙水壓力在抗剪強度發揮中起主要作［2］，所以降水期間安全系數下降很顯著，并有可能導致斜坡的破壞。

特別是當邊坡坡面存在裂隙時，降水入滲量更大，邊坡體內的有效應力迅速地改變，極度容易發生邊坡的崩塌。

2.2 流固耦合

流固耦合力學的重要特征是兩相介質之間的相互作用，流體介質與固體介質相互作用相互影響。如邊坡內部流體流動導致固體力學的改變，而固體力學的改變又導致流體流動，從而導致有效應力改變［3］。

公路邊坡在持續降水入滲過程中，抬高地下水位的情況下與巖土體耦合，即在滲流場產生的作用力下與巖土體自重的作用下，改變邊坡的應力場，產生邊坡的破壞。

3 入滲流固耦合的強度折減法

3.1 FLAC3D的內置強度折減法

FLAC3D是由美國ITASCA公司開發的仿真計算軟件，采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。強度折減法等數值計算方法已經成功應用于邊坡工程、隧道工程等的工程設計和工程實踐，并被多部國家、行業規范納入［4］。FLAC3D將強度折減法思想設置于新版軟件，對邊坡巖土體內部粘聚力（C）與內摩擦角（φ）進行不斷折減，直到達到邊坡的極限平衡狀態，從而得出安全系數。

式中：F為邊坡的安全系數；C和φ為邊坡處于失穩臨界狀態下的粘聚力與內摩擦角［5］。

3.2 FLAC3D降水入滲的基本物理量

（1）滲透系數

FLAC3D中滲透系數k與一般土力學中概念不同。FLAC3D中k的國際單位m2/Pa-sec，與土力學中滲透系數K的單位cm/s之間存在如下換算關系：

（2）比奧系數與比奧模量

當考慮固體介質的壓縮性時，需要用到比奧系數與比奧模量兩個參數。比奧系數：定義為空隙壓力改變時單元中流體體積的改變量占該單元本身的體積改變量的比例。比奧模量：定義為儲水系數的倒數。儲水系數是指在體積應變一定的情況下，單位空隙壓力增加引起的單元體積內流體含量的增加［6］。

4 案例分析

4.1 工況背景

選取西南某高速公路古滑坡治理區，該坡體為均質粉砂質泥巖，粉砂質泥巖主要成分為粘土礦，含少量粉砂質。粉砂含量為25%~50%，粘土含量為75%~50%。浸水后，泥巖易軟化，屬于典型泥巖質邊坡，并且該地區年平均降水量2046mm。故在降水入滲條件下極易發生滑坡，應進行降水條件下的邊坡穩定性分析［7］。根據當地歷年天氣情況［8］，計算20天中，分別降水入滲進入坡體10m3、16m3、20m3和28m3的雨水。

4.2 計算模型

根據現場勘查，選取特征截面建立模型，坡角45°、坡高20米、2484個單元、3604個節點，計算模型見圖1。

圖1 計算模型

4.3 材料選取

邊坡坡體的材料選用M-C本構關系，材料參數根據現場勘查資料選取，具體見表1。

表1 邊坡巖土體參數

4.4 FLAC3D計算流程

首先，建立有限元計算分析模型；其次，將模型底面的三個方向的位移固定，整體固定前后位移以及模型最左邊和右邊的X方向位移；第三，設置材料本構、輸入巖土體材料參數；第四，求解初始地應力；第五，滲流參數、邊界條件設置；最后進行流固耦合求解。具體計算步驟見圖2。

圖2 計算流程圖

5 計算結果分析

5.1 初始邊坡狀態

根據現場勘測初始坡體內不存在地下水以及賦水的存在，最大剪應變增量計算結果可看出邊坡坡趾附近受到坡體自重影響，形成一個高應變區，邊坡塑性區處于未貫通狀態，此時邊坡處于穩定狀態，計算安全系數為1.211，邊坡處于穩定狀態。

圖3 初始最大剪應變增量云圖

5.2 邊坡入滲孔壓時程分析

圖4（a）和圖4（b）分別是邊坡降水入滲5天以及入滲10天的孔壓分布圖。在入滲過程中由于重力以及基質吸力的原因下部孔壓逐漸增大，靠近坡面邊坡巖土體也由飽和變為不飽和，邊坡內部的部分區域由非飽和變為飽和狀態，巖土體內部的基質吸力變小，粘聚力、內摩擦角降低，邊坡穩定性變差，對邊坡的穩定性產生了巨大影響。

這種情況下對靠近邊坡內部進行孔隙水壓力監測，監測點見圖1，孔壓變化過程見圖4（c）。監測結果符合在入滲過程中的，前期的降水給予靠近坡面巖土體水源補給，邊坡巖土體孔壓增大，之后因為重力以及基質吸力的作用下孔隙中的雨水向下移動故靠近坡體孔壓降低的實際情況。

圖4 降水入滲的孔壓圖

5.3 流固耦合作用的邊坡穩定性

對于不同入滲條件下的邊坡滑裂面位置以及范圍也有不同。在降水入滲10m3條件下邊坡巖土體出現局部塑性區并未貫通，但已經呈現出貫通的發育趨勢。在16m3情況下（圖5a），滑裂面已經快要貫通，坡面最大剪應力逐漸增大。但是在20m3（圖5b）以及26m3情況下滑裂面已經貫通，邊坡處于失穩狀態?；衙娴姆秶呖讐簠^位置的變化類似，更加趨向于坡體內部，與滑裂面或局部塑性區的發展方向相反，滑裂面更廣，并且坡面的最大剪應變增量變大，也顯示出邊坡可能發生了坡面沖刷的破壞現象。

圖5 最大剪應變增量云圖

在流固耦合作用下邊坡的安全系數也隨著降水的入滲量增大而減小，在入滲量達到20m3的時候邊坡安全系數也出現降低，由16m3的1.15變為了1.05，安全系數降低明顯，邊坡更加趨近不穩定狀態（圖6）所示。

圖6 安全系數與降水量

6 結論

為降低持續降水入滲對公路高邊坡工程穩定性的影響，避免出現失穩滑坡事故對公路交通通行能力和人員安全問題，作者開展了公路高邊坡工程降水入滲時程分析工作。主要結論如下：

（1）在持續降水入滲過程中，邊坡巖土材料的較高的孔隙水壓力區從邊坡坡面表層向內部逐漸發展，與滑裂面或局部塑性區的發展方向相反。

（2）在持續降水入滲條件下，邊坡穩定性與入滲量有關，公路高邊坡將發生坡面沖刷、坡體滑坡破壞。