史興，李浩霖，包林燕

（云南建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司國際工程部，云南昆明650000）

1 工程背景

萬萬高速公路是老撾磨丁口岸至萬象高速公路中的萬榮至萬象段，該高速公路起于萬象市，終于萬榮市，向北經(jīng)瑯勃拉邦對接中國磨憨口岸，順接G8511昆明至磨憨高速公路；向南連接老撾—泰國邊境的老泰友誼大橋，連接泰國廊開區(qū)境內(nèi)的高速公路，是亞洲昆曼國際大通道的重要構(gòu)成部分，此高速公路的設(shè)計全長達(dá)460余公里，其中第一段萬象至萬榮高速公路的全長為109.1km。

由于萬萬高速地處熱帶雨林地區(qū)，該高速公路穿行地段高溫多雨，年平均氣溫處于25℃~28℃之間，全年雨季長，年降水量大，可達(dá)2000mm以上，而萬萬高速公路南段路基填料以土為主，土質(zhì)路基在強(qiáng)降雨作用下面臨邊坡失穩(wěn)等工程問題，雨季的萬象平原不論降雨強(qiáng)度還是降雨持續(xù)時間均顯著異于國內(nèi)，因此很難直接借鑒國內(nèi)的工程經(jīng)驗，而必須開展專門的針對性研究。

本研究擬采用數(shù)值分析方法研究強(qiáng)降雨對土質(zhì)路堤穩(wěn)定性的影響，研究不同降雨強(qiáng)度、降雨時間對路基土體含水率、土體基質(zhì)吸力、路基邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的不同影響，以期為強(qiáng)降雨區(qū)路基穩(wěn)定性分析及加固處理提供指導(dǎo)。

2 數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)萬萬高速公路的氣候情況，本文考慮的降雨參數(shù)主要包括降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時間兩個方面。在實際工程應(yīng)用過程中，降雨的參數(shù)很難準(zhǔn)確預(yù)測，變化規(guī)律十分復(fù)雜，為簡化計算過程，本文在數(shù)值分析時假定降雨是一個均勻持續(xù)的過程，即在研究過程中降雨強(qiáng)度為恒定值。降雨的持續(xù)時間考慮了分別持續(xù)24h、48h和72h三種工況。與暴雨相比，中小雨的強(qiáng)度較低，路基土體的孔隙水壓力增長較為緩慢，相對而言安全度更高。因此，本文主要考慮了強(qiáng)降雨條件對路基邊坡穩(wěn)定性的影響。本文的研究采用MIDAS“土木結(jié)構(gòu)專用的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計軟件”進(jìn)行強(qiáng)降雨路基穩(wěn)定性分析。

2.1 模型構(gòu)建

在模型構(gòu)建時，對土體的本構(gòu)模型采用摩爾—庫侖模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，在分析時由于填方路基可以歸納為軸對稱平面應(yīng)變問題，依照對稱性原則完成對模型的假設(shè)：①土的滲流速率恒定可以忽略時間的影響；②土為彈塑體；③土體中水的流動遵從達(dá)西定律；④土是連續(xù)的，且土體均勻。

采用MIDAS GTS有限元軟件建立公路模型，并完成對模型的網(wǎng)格劃分，由于地基在變形中位移量較小，因此劃分較為稀疏；路基在變形中的位移量相對來說較大，因此在劃分網(wǎng)格的時候較為密集，在不影響計算精度的同時，加快計算進(jìn)程。網(wǎng)格劃分見圖1。在對邊界施加約束時，考慮實際情況，對路基底部采用完全約束；對地基施加橫向約束，不施加豎向約束。公路路基上方修筑的路面底基層、基層和瀝青混凝土面層（統(tǒng)稱為路面結(jié)構(gòu)層），厚統(tǒng)一設(shè)定為0.68m。瀝青混凝土面層厚0.14m，容重23.5kN/m3；基層、底基層厚0.54m，容重21.0kN/m3，車輛荷載取15kPa，故作用于路基頂面的均布荷載取30kPa。由于本項目的公路路面采用瀝青混凝土路面，瀝青路面透水性差，因此在模型中設(shè)定為不透水邊界條件。

圖1 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 模型參數(shù)選取

在數(shù)值建模過程中，路基中的土體、墊層、路堤填料等主要材料的本構(gòu)模型均釆用Mohr-Coulomb模型，采用Mohr-Coulomb模型能夠較好地反映出土體的受力及變形特性，同時模型的參數(shù)也易于確定。模型中主要材料的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 材料參數(shù)和單元形式

3 數(shù)值分析結(jié)果

在數(shù)值分析過程中，邊坡的穩(wěn)定性分析主要采用瑞典圓弧條分法，在數(shù)值分析模型構(gòu)建時考慮了多種不同的工況，研究不同工況時路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的演化規(guī)律。

3.1 同種工況不同時間模擬

首先對不同降雨持續(xù)時間的影響進(jìn)行了分析，分別選取24h、48h、72h三種工況時路基邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析，求得路基邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨時間演化規(guī)律，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 暴雨安全系數(shù)時間曲線

由圖2可知，在持續(xù)降雨的過程中，隨著雨水不斷滲入路基土體內(nèi)部，路基中土體的含水率和孔隙水壓力不斷增大，土體的基質(zhì)吸力不斷減小，表現(xiàn)出土體的內(nèi)聚力和抗剪強(qiáng)度持續(xù)降低，這就導(dǎo)致路基邊坡的穩(wěn)定性不斷下降。由此導(dǎo)致路堤邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)不斷下降隨降雨持續(xù)時間的增長而持續(xù)減小，在降雨結(jié)束時安全系數(shù)降到最??；隨著降雨停止，邊坡內(nèi)雨水向內(nèi)深入、向外流出，孔隙水壓力不斷降低導(dǎo)致土體的基質(zhì)吸力隨之增長，土體的抗剪強(qiáng)度逐步回升，因此導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)隨之增長。

3.2 不同降雨強(qiáng)度模擬分析

隨后對不同降雨強(qiáng)度的路基穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，不同降雨強(qiáng)度條件下土體的瞬態(tài)含水率分析結(jié)果如圖3所示。圖3中（a）、（b）、（c）三個曲線均描述了路基正中央點位不同深度處土體的含水率變化曲線，分別考慮了不同降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時間的綜合影響，降雨強(qiáng)度考慮了三種：4.63×10-6m/s、5.21×10-6m/s、5.787×10-6m/s，降雨持續(xù)時間考慮了11種：10min、30min、1h、2h、4h、6h、8h、12h、16h、20h、24h。

圖3 不同降雨強(qiáng)度土體含水量分布

兩種參數(shù)的綜合影響下土體的含水率分布情況表明，在同一降雨強(qiáng)度下，隨著降雨持續(xù)時間的增加，路基中央位置土體的含水率呈逐漸增加趨勢，與此同時路基土體的濕潤峰值逐漸往下推移。降雨剛開始的時候，隨時間的增長路基表層土體的含水率快速增長，隨著土體含水率快速飽和，表層土體的基質(zhì)吸力迅速降為零，路基不同深度處土體的含水率差異顯著。隨著降雨時間的增加，路基表層土體的含水率增加幅度顯著降低，但當(dāng)土體的含水率達(dá)到濕潤峰值前期含水率隨降雨時間的增加依然不斷增加。分析結(jié)果表明，在降雨強(qiáng)度相同的條件下，隨降雨持續(xù)時間的不斷增加，路基土體的含水率受影響深度也隨之不斷增加，當(dāng)土體的含水量達(dá)到接近于飽和含水率時，降雨持續(xù)時間的影響就快速衰減。

3.3 降雨對土體基質(zhì)吸力模擬

隨后針對降雨強(qiáng)度和降雨時間對土體基質(zhì)吸力的影響進(jìn)行了進(jìn)一步的分析計算，數(shù)值分析結(jié)果表明，當(dāng)土壤的初始含水率為10%時，在距離路基中線6m處，土體的瞬態(tài)孔隙水壓力以及基質(zhì)吸力的分布曲線如圖4所示。

圖4 不同降雨強(qiáng)度孔隙水壓力值分布圖

由圖4、圖5的分析結(jié)果可知，在一定的降雨強(qiáng)度下，隨著降雨持續(xù)時間的不斷增長，路基不同位置土體的孔隙水壓力都隨之不斷增大，與此同時土體的基質(zhì)吸力也隨之降低。在降雨開始的初期階段，路基表面土體的孔隙水壓力隨降雨時間快速增長，處于路基不同埋深土體的孔隙水壓力差值顯著。隨著降雨時間的增加，路基表層土體的孔隙水壓力逐步達(dá)到飽和，此時土體孔隙水壓力的增加幅度顯著減少；而路基內(nèi)部土體在達(dá)到濕潤峰值前，其孔隙水壓力仍然在降雨持續(xù)時間的增加而持續(xù)快速增長。在一定的降雨強(qiáng)度下，隨降雨持續(xù)時間的增加，表層土體不斷達(dá)到飽和狀態(tài)，并將滲入的雨水持續(xù)傳遞到路基深處的土體，因此路基土體孔隙水壓力受影響的深度也隨之向深處持續(xù)擴(kuò)展。

圖5 浸潤線分布圖

4 結(jié)語

本研究在室內(nèi)試驗得到的物理力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)上建立了數(shù)值分析模型，通過數(shù)值仿真分析軟件建立的降雨入滲模型；對路基在不同降雨強(qiáng)度與降雨持續(xù)時間的綜合影響下土體孔隙水壓力及邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行仿真分析，本研究建立的數(shù)值分析模型在本構(gòu)模型中還考慮了水平方向的流量，即建立了二維的降雨入滲模型?；谏鲜瞿Ｐ停疚娜〉玫闹饕芯拷Y(jié)論如下：

（1）在一定的降雨強(qiáng)度下，隨著降雨持續(xù)時間的增長，路基土體的雨水入滲影響深度持續(xù)增大，路基土體含水率達(dá)到飽和的深度也隨之不斷加深。

（2）當(dāng)降雨的持續(xù)時間保持一定時，不同的降雨強(qiáng)度對雨水入滲深度的影響差異不大，說明路基土體的雨水入滲深度主要受降雨時間的影響；但在雨水入滲范圍內(nèi)的土體，其孔隙水壓力和含水率與降雨強(qiáng)度之間密切相關(guān)。

（3）路基在不同降雨持續(xù)時間和降雨強(qiáng)度條件下安全系數(shù)變化曲線基本相似，安全系數(shù)都隨降雨持續(xù)時間而逐漸減小，在降雨結(jié)束時達(dá)到最小；隨著降雨停止，邊坡內(nèi)土體中的水分逐步下滲或者外流，土體的孔隙水壓力降低、邊坡土體基質(zhì)吸力增長，土體的抗剪強(qiáng)度逐步回升，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)也隨之逐步回升。