降雨作用下高速公路邊坡穩(wěn)定性分析

[摘? 要]：引發(fā)邊坡失穩(wěn)的因素很多，降雨是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素。為研究降雨作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，文章以西南某高速公路路塹邊坡為工程依托，以邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)作為衡量指標(biāo)，利用Geo-Studio分析軟件，重點(diǎn)探究不同降雨時(shí)長(zhǎng)、停雨后時(shí)長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度因素下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化規(guī)律以及邊坡失穩(wěn)分析。結(jié)果表明：（1）當(dāng)降雨強(qiáng)度一定時(shí)，降雨過(guò)程中邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨時(shí)長(zhǎng)增加而逐漸減小。（2）雨停后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨靜置時(shí)間增加而增大最后趨于穩(wěn)定。（3）當(dāng)降雨時(shí)間相同時(shí)，降雨強(qiáng)度越大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)越小。

[關(guān)鍵詞]：邊坡穩(wěn)定性分析; 降雨; Geo-Studio

U416.1+4A

西南山區(qū)地質(zhì)條件、地形地貌較為復(fù)雜，在高速公路修建過(guò)程中難免會(huì)穿越山區(qū)丘陵地帶，不少線路會(huì)臨近邊坡，甚至?xí)?duì)沿線區(qū)段進(jìn)行開(kāi)挖，進(jìn)而形成邊坡。西南地區(qū)高山丘陵地帶高速公路邊坡具有數(shù)量多、存在穩(wěn)定性劣化等特點(diǎn)。全國(guó)每年滑坡災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響了交通、基礎(chǔ)設(shè)施等的安全運(yùn)營(yíng)，每年造成數(shù)千億元的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅到國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展甚至人民群眾生命安全[1-2]。引發(fā)邊坡失穩(wěn)的因素很多，可分為內(nèi)部因素（巖土體類(lèi)型、邊坡形態(tài)、邊坡地質(zhì)構(gòu)造等）和外部因素（地震、人類(lèi)活動(dòng)、降雨等），大量資料表明，降雨是引誘邊坡失穩(wěn)最普遍和最主要的因素[3-5]。因此，研究降雨作用下對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響具有重要意義。

1 工程概況

本文以西南某高速公路路塹邊坡為研究對(duì)象，對(duì)降雨作用下邊坡穩(wěn)定性研究。邊坡為均質(zhì)土坡，邊坡坡度約為36°，坡高約為20 m，邊坡幾何尺寸如圖1所示。土體重度γ=20.5 kN/m3、內(nèi)摩擦角φ=28.6°、粘聚力c=20.2 kPa、泊松比μ=0.35、彈性模量E=150 MPa，邊坡土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 數(shù)值模型建立

根據(jù)該高速公路路塹邊坡幾何尺寸情況，利用Geo-Studio軟件構(gòu)建邊坡模型模擬降雨作用下對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。土體材料選取Mohr-Coulomb模型，具體見(jiàn)表1邊坡土力學(xué)參數(shù)。邊坡土-水特征采用Van Genuchten（VG）模型，模型參數(shù)a=6.256、模型參數(shù)n=1.519、飽和含水量θs=0.352、殘余含水量θr=0.098、飽和滲透系數(shù)ks=1.59×10-5m/s，土體材料參數(shù)見(jiàn)表2。其中AB、BC、CD為降雨入滲邊界，DE、AF為不透水邊界，AF、DE為水平約束邊界，EF為固定約束邊界，AB、BC、CD為自由邊界。邊坡模型地面位于地下水位位置處，其孔隙水壓力為0，設(shè)定為單位流量為0的不透水邊界條件。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 降雨時(shí)長(zhǎng)及停雨后對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，取降雨強(qiáng)度180 mm/d保持不變條件下，對(duì)連續(xù)降雨時(shí)長(zhǎng)36 h過(guò)程中邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析。

降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響結(jié)果見(jiàn)圖2。降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較為明顯。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨時(shí)長(zhǎng)增大而減小，歷時(shí)36 h連續(xù)降雨，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)從1.312下降到0.968，降幅26.2%。由于基質(zhì)吸力的存在，基質(zhì)吸力有利于土體的抗剪強(qiáng)度，邊坡前期處于非飽和狀態(tài)，由于降雨對(duì)土體的入滲作用，土體的含水量逐漸增大，基質(zhì)吸力減小，土體的抗剪強(qiáng)度降低，重度逐漸增大，邊坡下滑力增大，這些因數(shù)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸減小。

由圖3數(shù)值模擬結(jié)果可知，雨停后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨靜置時(shí)長(zhǎng)增大而逐漸增大最后趨于穩(wěn)定。隨著土體內(nèi)部的雨水逐漸排出，土體的含水量逐漸減小，基質(zhì)吸力逐漸增大，土體的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，土體重度逐漸減小，邊坡下滑力隨之減小，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增大最后趨于穩(wěn)定。

3.2 降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，在降雨時(shí)長(zhǎng)36 h相同的條件下，分別設(shè)置降雨強(qiáng)度為80 mm/d、180 mm/d、250 mm/d 3種工況下，分析邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化情況。

由圖4可知，在不同降雨強(qiáng)度下，降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)都是隨降雨時(shí)長(zhǎng)的增大而減小，當(dāng)降雨時(shí)長(zhǎng)相同時(shí)，降雨強(qiáng)度越大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)越小，即降雨相同時(shí)刻，80 mm/d的安全系數(shù)大于180 mm/d的安全系數(shù)大于250 mm/d的安全系數(shù)。由于邊坡受降雨時(shí)長(zhǎng)相同時(shí)，降雨強(qiáng)度越大的導(dǎo)致邊坡入滲的雨水越多，含水量越多，基質(zhì)吸力越小，進(jìn)而邊坡穩(wěn)定性越小。

4 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)例，在降雨作用下對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究，主要分析了降雨時(shí)長(zhǎng)、雨停后、降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，結(jié)果表明降雨對(duì)邊坡失穩(wěn)的影響較為明顯。得到幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）當(dāng)降雨強(qiáng)度相同時(shí)，降雨過(guò)程中，土體含水量越大，土體抗剪強(qiáng)度逐漸降低，土體重度增大，邊坡下滑力增大，越不利邊坡穩(wěn)定，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨時(shí)長(zhǎng)增加而逐漸減小。

工程結(jié)構(gòu)陳華川： 降雨作用下高速公路邊坡穩(wěn)定性分析

（2）雨停后邊坡土體含水量和土體重度逐漸減小，邊坡土體抗剪強(qiáng)度逐漸增大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增大最后趨于穩(wěn)定。

（3）降雨過(guò)程中，在同一時(shí)刻，降雨強(qiáng)度越大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)越小。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘立勛.華鎣山（廣安市）溪口鎮(zhèn)滑坡-泥石流[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007（4）：6.

[2] 劉新喜，晏鄂川，王鵬飛，等.滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的非線性方法[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003（1）：37-39.

[3] 徐全，譚曉慧，沈夢(mèng)芬.降雨入滲條件下土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（S1）：254-259.

[4] 彭世真.降雨對(duì)非飽和土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究[J].工程建設(shè)，2006（3）：8-12.

[5] 李媛，孟暉，董穎，等.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型及其特征——基于全國(guó)縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果分析[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2004（2）：32-37.