基于流固耦合分析降雨條件下路堤邊坡穩定性

袁仕貴，唐小軍

（云南省鐵路集團有限公司，云南 昆明 650118）

1 引言

鐵路路堤是鐵路路基的重要形式之一，路堤邊坡的穩定對于鐵路的運營安全具有重要作用，我國大部分區域屬于亞熱帶季風性氣候夏季降雨量大對于鐵路路堤邊坡的穩定有重要影響。目前國內學者和專家對于降雨條件下路基邊坡滲流與穩定性進行了大量研究，主要分為兩大類：一是，只考慮滲流對土體的影響，認為雨水入滲導致c 值與φ 值等土體抗剪強度參數值降低，或者認為雨水入滲增大土體中的滲透力，或者認為雨水入滲導致土體基質吸力降低，從而導致邊坡穩定性降低，如：畢仲輝等研究了降雨入滲條件下土體內摩擦角及粘聚力的相關系數，以及二者對邊坡失穩概率的影響；黃明奎等以重慶某高填方路堤邊坡為研究對象，分析了強降雨作用下路堤邊坡土體的基質吸力、土體強度參數以及填方邊坡穩定性的變化情況；楊欣以含軟弱夾層路塹高邊坡為分析對象，研究了此類邊坡在降雨條件下邊坡不同土體區域的孔隙水壓力及含水量變化情況；童立[針對有夾層公路邊坡降雨條件下的滲流進行分析，認為夾層滲透性的強弱對于邊坡的滲流場有重要影響。二是，既考慮滲流土體的影響，也考慮土體對流體的影響，即基于流固耦合分析降雨條件下邊坡穩定。如：呂雨樺等通過邊坡滲流的應力耦合分析，研究了降雨條件下非飽和土邊坡的滲流場、應力場變化情況，總結得出邊坡穩定性變化規律。陳亮勝等利用多場耦合數值分析方法研究了降雨入滲對邊坡漸進式破壞的發展過程。李海亮等通過綜合考慮滲流場與應力場相互耦合作用，研究分析了降雨入滲條件下非均勻質邊坡土體穩定性變化情況。張鴻通過綜合利用離散元與計算流體動力學兩種方法進行耦合，從微觀角度分析了煤系類土質邊坡在降雨滲流條件下土體孔隙率及破壞變化規律。

通過以上分析，目前國內對于鐵降雨條件下邊坡滲流、穩定性方面的研究范圍較廣，研究也較為深入，但對于考慮流固耦合分析方法來研究鐵路路堤邊坡在降雨條件下的滲流及穩定性研究相對較少。因此本文主要基于流固耦合基本方法，利用有限差分軟件FLCA3D 對降雨條件下，鐵路路堤邊坡的滲流及穩定性進行分析。

2 工程概況與建模

研究工點為云南某工業園區新建鐵路DK2+000-DK2+100 路堤段，該路基段原地貌為典型的構造侵蝕。根據地勘報告內容，路基原地貌主要分為兩層，覆蓋層主要為具有一定膨脹性質的膨脹土及碎石組成，下部巖層主要為風化、中風化的玄武巖層，此次建模主要基于有限差分軟件FLCA3D，本次模擬分析模型以DK2+040路基斷面為建模對象，通過把斷面延伸20m，構建成3維分析模型。根據設計與勘查單位提供的斷面設計圖、地質勘查報告中土層分層及土體性質內容，利用犀牛軟件對典型的CAD斷面圖處理后，再導入FLCA3D軟件中，利用軟件自帶的建模功能進行模型的構建，模型如圖1所示。模型中藍色區域為風化與中風化玄武巖層，綠色區域為膨脹土性質的覆蓋土層，紅色區域為路堤填土層。模型網格劃分根據軟件自帶建模功能建立均勻大小網格，網格單元均為六面體網格，六面體網格具有便于計算、節約內存的優點，本次模型共建立網格單元56000個，網格節點60516 個。為監測降雨滲流過程中土體滲流的情況，在模型中共設置5 個監測點，其中監測點1－監測點4 位于路堤邊坡內，監測點5 位于膨脹土覆蓋層內（圖1）。

圖1 路堤邊坡模型

3 基于流固耦合的降雨條件設置

巖土問題的數值模擬與選擇較為合適的土體本構模型有重要關系，本次降雨條件路堤邊坡采用莫爾－庫侖模型（Mohr-Coulomb Model），各土層的物理力學性質如表1所示。模擬邊界約束情況為：模型底部為XYZ三個方向進行約束，模型側面約束其法向方向，模型頂面部分（包括路堤邊坡側面）均設置為自由面，為最大程度還原路堤自然狀況，模型采用邊界位移約束條件。滲流邊界條件設置情況為：模型底面與側面均設置為不透水面，模型頂面及路堤邊坡側面設置為入滲面。本次降雨模擬中降雨強度設置為70mm/h，降雨時長設置為10h。

表1 各巖土層力學參數參考值

4 滲流場及應力場參數變化

4.1 飽和度變化

路堤邊坡在為期10 個小時的降雨過程中，各監測點土體飽和度變化及降雨結束時邊坡土體飽和度分布情況如圖2所示，通過對比研究可以發現：路堤邊坡土體各個監測點在降雨過程中飽和度均有不同上升，但監測點位置不同，土體飽和度的變化趨勢表現為不同特點。位于路堤頂面的監測點1 及監測點2，隨著降雨的持續，土體飽和度先表現為隨著降雨的持續快速增長，達到峰值點0.62 附近后隨即表現為下降趨勢，之后又表現為上升當達到第二個峰值點0.5 后又表現為下降，隨后又表現為小幅度上升，最終穩定在0.3 附近，呈現出較為復雜的波動變化趨勢；監測點3 位于路堤邊坡中部區域，土體性質為路堤填土，降雨前期土體飽和度隨著降雨的持續，表現為快速增加直到達到土體飽和時不再增加，此后土體一直維持飽和狀態；監測點4 位于路堤邊坡底部區域，土體性質為路堤填土，降雨前期與監測點3 一樣隨著降雨的持續土體飽和度快速增加，但上升速度不及監測點3 且相比于監測點3，上升過程中出現明顯的一段速度放緩區域；達到土體飽和時間較長，且維持土體飽和的時間也較短；監測點5 位于路堤邊坡左側底部區域，土體性質為膨脹土，與監測點4 一樣前期隨著降雨的持續，土體飽和度不斷上升，但后期土體飽和度上升速度明顯低于監測點4，到降雨結束時土體仍舊沒有達到飽和，飽和度的最大值約為0.88。通過對比各監測點土體飽和度變化以及降雨結束時邊坡土體飽和度分布情況，可以認為路堤邊坡土體飽和度受降雨滲流影響最大的區域為路堤邊坡兩側淺表層土體。

圖2 各監測點飽和度及降雨結束時土體飽和度情況

4.2 孔隙水壓力變化

通過圖3分析可以發現，位于路堤邊坡中下部分的監測點3－監測點5 土體孔隙水壓力降雨開始與降雨結束時相差很小，且在降雨過程中幾乎保持不變，表明該區域土體孔隙水壓力受降雨的影響很小。而監測點1 與監測點2 土體孔隙水壓力表現為隨著降雨的持續，土體孔隙水壓力在降雨前期表現為臺階式上升方式，其中監測點1 由降雨開始時－200kpa 先上升至－80kpa，最后上升到0pa，之后維持不變；監測點2 由降雨開始時的－400kpa 先上升至－160kpa，再上升至－120kpa，最后上升至0kpa，之后維持不變。這表明路堤邊坡頂部土體孔隙水壓力受降雨影響較大；而路堤底部土體孔隙水壓力受降雨影響較小。

圖3 各監測點孔隙水壓力變化圖

4.3 有效應力變化

從五個監測點中選取監測點1 與監測點2 土體XX向有效應力變化情況進行著重分析如圖4所示，通過對比分析圖4可以得出：降雨前期監測點1 級監測點2 土體XX 向有效應力由負值快速增加為正值，之后隨著降雨的持續呈現出波動式變化，在降雨后期監測點1 及監測點2 表現為不同的增長情況，降雨后期位于路堤頂部的監測點1 表現為隨著降雨的繼續，土體XX 向有效應力為正值表現為增加之后又維持穩定；而監測點2 表現為隨著降雨的持續，土體XX 向有效應力為負值表現為波動式增加，即絕對值越來越小。這表明隨著降雨的發展，土體由最初的受壓狀態逐漸轉變為受拉狀態，不利于路堤邊坡的穩定。

圖4 1-2 監測點XX 向有效應力變化圖

5 結論

通過選取的鐵路路堤邊坡建立模型，研究其降雨條件下邊坡土體的滲流場及應力場特征參數值的變化情況，通過對比分析可以認為：路堤邊坡淺層坡面區域在降雨過程中土體飽和度值最高，表明該區域受降雨影響最大；路堤邊坡土體孔隙水壓力土體表層受到降雨影響較大，路堤邊坡底部區域土體孔隙水壓力受降雨影響較??；路堤邊坡土體在降雨過程中邊坡有效應力由降雨前的受壓轉變為降雨過程及降雨過后的受拉狀態，表明降雨導致邊坡土體受力狀態改變，從而降低邊坡的穩定性。通過研究分析可以認為在應對降雨條件下邊坡防護時應著重做好坡頂區域與坡面的防雨水入滲，著重做好邊坡土體的加固措施。