雨水入滲下路基土質(zhì)邊坡水分運移時空特征與淺層穩(wěn)定性分析.pdf

1、雨水入滲導致天然土坡滑動和工程邊坡失穩(wěn)而引發(fā)的災害事故頻發(fā)，工程邊坡與人類生命財產(chǎn)關(guān)系密切，而工程邊坡中的路基邊坡在鐵路、公路等交通領(lǐng)域占有較大比重，強降雨誘發(fā)的路基突發(fā)性病害時常影響列車正常運行，甚至危及行車安全。諸多病害中，以路基土質(zhì)邊坡淺層溜坍最為典型。因此，建立基于雨水入滲特性的路基土質(zhì)邊坡淺層失穩(wěn)模式及穩(wěn)定分析方法，對準確評估邊坡的安全性尤為重要。然而，國內(nèi)外關(guān)于降雨導致的邊坡淺層穩(wěn)定分析方面研究多是基于假定的順坡平面、圓弧、

2、折線等滑動失穩(wěn)模式，鮮有文獻從斜坡點應力狀態(tài)入手構(gòu)建降雨入滲下路基土質(zhì)邊坡淺層失穩(wěn)的合理模式，及其與表層、深層失穩(wěn)模式的轉(zhuǎn)化關(guān)系。同時，工程上為防止邊坡發(fā)生淺層溜坍病害，設(shè)計了多種以邊坡骨架防護型式為主的工程措施，但大都是基于經(jīng)驗的構(gòu)造設(shè)計。
　　通過分析水平地表積水和雨水入滲下非飽和土水分運移基本規(guī)律，探討了傾斜地表情況雨水入滲及坡面徑流下坡體內(nèi)水分時空分布特征;從無限長斜坡土中一點應力狀態(tài)出發(fā)，分析了雨水均勻浸潤軟化和順坡滲流

3、兩種工況下的路基土質(zhì)邊坡淺層失穩(wěn)破壞模式及其影響因素，討論了邊坡失穩(wěn)破壞模式與表層、淺層、深層的映射關(guān)系及相互轉(zhuǎn)化閾值，并與圓弧滑面法、單一圓心的圓弧-平面組合滑面法等傳統(tǒng)方法進行了對比驗證;建立了路基土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定與降雨要素之間的內(nèi)在聯(lián)系;最后，為有效防止路基邊坡發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞，開展了基于力學原理的矩形骨架防護下路基土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定性及骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方面研究。主要工作和成果如下:
　　1)基于Green-Ampt模型的雨

4、水入滲特性分析
　?、贇w納總結(jié)了基于Green-Ampt模型的雨水入滲地表形成積水的三類典型時間判據(jù)。判據(jù)Ⅰ以積水入滲工況的入滲率q等于雨強R時，所對應的積水入滲時間tp1為判別閾值，是降雨入滲導致地表積水的必要非充分條件;判據(jù)Ⅱ以tp1時積水工況下累積入滲量與雨強R下的降雨量相等時所需的降雨時間tp2為判別閾值，符合邏輯關(guān)系;判據(jù)Ⅲ以積水入滲工況的累積入滲量與雨強R下的降雨量相等所需的時間tp3為判別閾值，但前者的飽和入滲快于后

5、者的非飽和入滲，相同時間下入滲深度不同，積水入滲量與降雨量理應不等，故判據(jù)Ⅲ存在物理上的固有缺陷。
　?、谛逼卤砻婧屎愣ǎ◤搅鳎┻吔缦拢捎谌霛B初期以僅取決于土體含水率的吸力水頭梯度控制為主，坡度α對入滲率q和入滲量Q影響較小，但入滲后期以對斜坡坡度α有直接影響的重力水頭梯度為主控因素時，坡度的影響則越來越顯著;降雨邊界下，雨強R相同時，水平地表承雨強R較斜坡坡面承雨強Rcosα大，故地表積水時間較坡面產(chǎn)流的時間短，但水平地表

6、和斜坡坡面在承雨強（通量）相等時，由于斜坡法向最大入滲能力低于水平地表入滲情況，故呈現(xiàn)相反的規(guī)律。
　　2)雨水入滲下邊坡土體水分運移時空分布特征分析
　　①基于van Genuchten土-水特征曲線及非飽和土滲透系數(shù)K(θ)方程，推導了反映單位基質(zhì)吸力變化引起含水率改變量的比水容量C(θ)和具有脈沖性質(zhì)的水力擴散率D(θ)函數(shù)關(guān)系式，完善了水平地表一維垂直入滲的Parlange模型數(shù)學表達。分析表明:通常情況下，砂和粉土

7、的C(θ)曲線較黏土呈現(xiàn)更為顯著的峰值特征;D(θ)與標準化體積含水率Se相關(guān)，且0＜Se＜1時，砂和粉土的D(θ)隨Se增加無明顯變化，但前者高于后者，Se接近于1時二者均迅速增加直至無窮大;相同地表通量邊界下，具有較低K(θ)和D(θ)的粉土比砂的積水時間更短。
　　②在水平地表一維垂直入滲Parlange模型基礎(chǔ)上，針對傾斜地表情況，導出了坡面含水率和坡面通量恒定邊界條件下土體水分運移偏微分方程，給出了表征斜坡雨水入滲時空分

8、布規(guī)律的半解析表達式。通過與Philip精確解對比可知，對于常見坡度緩于1∶1的路基土質(zhì)邊坡，相對誤差低于7％，具有較好的工程精度。
　　3)雨水浸潤軟化下路基土質(zhì)邊坡淺層失穩(wěn)模式判別及穩(wěn)定性
　?、偬岢隽擞晁浕逻吰聹\層溜坍由上緣張拉區(qū)、中段主滑區(qū)和下緣擠壓區(qū)三段滑動區(qū)域組成的“順坡曲面”破壞模式，考慮了上緣張拉區(qū)和下緣擠壓區(qū)的抗力作用，構(gòu)建了滑體上下緣剪切破壞曲面采用對數(shù)螺旋線方程表達的力學模型，提出了滿足滑體上緣張拉

9、區(qū)、下緣擠壓區(qū)力矩平衡，中段主滑區(qū)靜力平衡的土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定分析方法，導出了相應安全系數(shù)表達式。
　?、谔岢隽诉吰率Х€(wěn)隨雨水浸潤軟化深度zw增加依次呈現(xiàn)三種破壞模式，即“表層單位土條式順坡平面”破壞模式Ⅰ、“淺層組合式順坡曲面”破壞模式Ⅱ及“深層整體式對數(shù)螺旋曲面”破壞模式Ⅲ，采用滑體長度L與軟化深度zw的比值λ作為表征參數(shù)，確立了界定三種失穩(wěn)模式的兩個閾值λcr，和λf，即λ≥λcr時為模式Ⅰ;λcr＞λ＞λf時為模式Ⅱ;λ≤λ

10、f時為模式Ⅲ。
　?、刍趧傮w極限平衡條件，構(gòu)建了以“淺層組合式順坡曲面”失穩(wěn)模式為基礎(chǔ)且涵蓋三種失穩(wěn)模式的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)統(tǒng)一表達式。分析表明:λ＜λcr時采用模式Ⅰ忽略了上下緣滑體力學作用會得到偏于保守的結(jié)果，λ＞λf時采用以圓弧滑面為代表的整體式曲面失穩(wěn)模式則偏于危險，而λ≤λf時采用對數(shù)螺旋形和圓弧形的整體式曲面滑動模式差異不大。
　　4)雨水順坡滲流下路基土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定性及臨界雨強-歷時評判
　　①基于順坡

11、滲流條件下滑體上下緣對數(shù)螺旋線型剪切破壞模式，提出了考慮滲透力作用，能較好反映入滲深度zw和主滑區(qū)長度L2等因素影響的“順坡曲面”組合滑面淺層穩(wěn)定分析方法;對比單一圓心的圓弧-平面組合滑面搜索法，“順坡曲面”組合滑面法是以滑體中段為平面，上下緣為雙極心對數(shù)螺旋線的組合式滑面穩(wěn)定分析法，具有無需搜索而直接確定淺層危險滑動面的優(yōu)勢，且克服了搜索滑面法在平-曲相交處滑面突變的缺點。
　　②基于Green-Ampt入滲模型，以滿足雨水入滲

12、深度zw范圍內(nèi)土體飽和為條件，構(gòu)建了土質(zhì)邊坡淺層“順坡曲面”失穩(wěn)模式下的穩(wěn)定安全系數(shù)與雨強歷時函數(shù)方程，獲得了邊坡失穩(wěn)臨界雨強-歷時關(guān)系。對比“順坡平面”失穩(wěn)評判方法，雨強恒定時，由于前者考慮了上下緣滑體的抗滑作用，邊坡淺層達到極限狀態(tài)時對應的雨水入滲深度較后者更深，故所需的降雨歷時應更長。
　　5)路基邊坡淺層穩(wěn)定的骨架防護效應及結(jié)構(gòu)優(yōu)化
　?、倩跓o限斜坡淺層穩(wěn)定“順坡平面”計算模型，以矩形骨架防護單元為研究對象，提出了

13、雨水浸潤軟化和順坡滲流兩種工況下，矩形骨架框內(nèi)土體沿骨架底部直接剪切滑動、擋土被動土壓力破壞兩種模式，及以豎向凈距為表征參數(shù)的模式間轉(zhuǎn)換閾值lsp，即橫骨架凈距l(xiāng)v＜lsp為剪切滑動模式，lv＞lsp時進入橫骨架擋土被動破壞模式。
　　②針對雨水浸潤軟化和順坡滲流兩種工況，分別建立了矩形骨架防護路基土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定安全系數(shù)Fs表達式，構(gòu)建了以矩形骨架單位防護面積圬工量為目標函數(shù)，以邊坡淺層穩(wěn)定性和骨架強度為約束條件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模