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

1、雨水入滲導(dǎo)致天然土坡滑動(dòng)和工程邊坡失穩(wěn)而引發(fā)的災(zāi)害事故頻發(fā)，工程邊坡與人類生命財(cái)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(qiáng)降雨誘發(fā)的路基突發(fā)性病害時(shí)常影響列車正常運(yùn)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(duì)準(zhǔn)確評(píng)估邊坡的安全性尤為重要。然而，國內(nèi)外關(guān)于降雨導(dǎo)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(dòng)失穩(wěn)模式，鮮有文獻(xiàn)從斜坡點(diǎn)應(yīng)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(shí)，工程上為防止邊坡發(fā)生淺層溜坍病害，設(shè)計(jì)了多種以邊坡骨架防護(hù)型式為主的工程措施，但大都是基于經(jīng)驗(yàn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)。
　　通過分析水平地表積水和雨水入滲下非飽和土水分運(yùn)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(shí)空分布特征;從無限長斜坡土中一點(diǎn)應(yīng)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(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)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(xué)原理的矩形骨架防護(hù)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(jì)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(shí)間判據(jù)。判據(jù)Ⅰ以積水入滲工況的入滲率q等于雨強(qiáng)R時(shí)，所對(duì)應(yīng)的積水入滲時(shí)間tp1為判別閾值，是降雨入滲導(dǎo)致地表積水的必要非充分條件;判據(jù)Ⅱ以tp1時(shí)積水工況下累積入滲量與雨強(qiáng)R下的降雨量相等時(shí)所需的降雨時(shí)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(qiáng)R下的降雨量相等所需的時(shí)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(shí)間下入滲深度不同，積水入滲量與降雨量理應(yīng)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(duì)入滲率q和入滲量Q影響較小，但入滲后期以對(duì)斜坡坡度α有直接影響的重力水頭梯度為主控因素時(shí)，坡度的影響則越來越顯著;降雨邊界下，雨強(qiáng)R相同時(shí)，水平地表承雨強(qiáng)R較斜坡坡面承雨強(qiáng)Rcosα大，故地表積水時(shí)間較坡面產(chǎn)流的時(shí)間短，但水平地表

6、和斜坡坡面在承雨強(qiáng)（通量）相等時(shí)，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(yùn)移時(shí)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(dǎo)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(kuò)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(xué)表達(dá)。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(biāo)準(zhǔn)化體積含水率Se相關(guān)，且0＜Se＜1時(shí)，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(shí)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(shí)間更短。
　?、谠谒降乇硪痪S垂直入滲Parlange模型基礎(chǔ)上，針對(duì)傾斜地表情況，導(dǎo)出了坡面含水率和坡面通量恒定邊界條件下土體水分運(yùn)移偏微分方程，給出了表征斜坡雨水入滲時(shí)空分

8、布規(guī)律的半解析表達(dá)式。通過與Philip精確解對(duì)比可知，對(duì)于常見坡度緩于1∶1的路基土質(zhì)邊坡，相對(duì)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
　　①提出了雨水軟化下邊坡淺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(dòng)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(duì)數(shù)螺旋線方程表達(dá)的力學(xué)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(dǎo)出了相應(yīng)安全系數(shù)表達(dá)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(duì)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(gè)閾值λcr，和λf，即λ≥λcr時(shí)為模式Ⅰ;λcr＞λ＞λf時(shí)為模式Ⅱ;λ≤λ

10、f時(shí)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(dá)式。分析表明:λ＜λcr時(shí)采用模式Ⅰ忽略了上下緣滑體力學(xué)作用會(huì)得到偏于保守的結(jié)果，λ＞λf時(shí)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(xiǎn)，而λ≤λf時(shí)采用對(duì)數(shù)螺旋形和圓弧形的整體式曲面滑動(dòng)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(qiáng)-歷時(shí)評(píng)判
　?、倩陧樒?/p>

11、滲流條件下滑體上下緣對(duì)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(duì)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(duì)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(xiǎn)滑動(dòng)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(diǎn)。
　　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(qiáng)歷時(shí)函數(shù)方程，獲得了邊坡失穩(wěn)臨界雨強(qiáng)-歷時(shí)關(guān)系。對(duì)比“順坡平面”失穩(wěn)評(píng)判方法，雨強(qiáng)恒定時(shí)，由于前者考慮了上下緣滑體的抗滑作用，邊坡淺層達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的雨水入滲深度較后者更深，故所需的降雨歷時(shí)應(yīng)更長。
　　5)路基邊坡淺層穩(wěn)定的骨架防護(hù)效應(yīng)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化
　　①基于無限斜坡淺層穩(wěn)定“順坡平面”計(jì)算模型，以矩形骨架防護(hù)單元為研究對(duì)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(dòng)、擋土被動(dòng)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(dòng)模式，lv＞lsp時(shí)進(jìn)入橫骨架擋土被動(dòng)破壞模式。
　?、卺槍?duì)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(hù)路基土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定安全系數(shù)Fs表達(dá)式，構(gòu)建了以矩形骨架單位防護(hù)面積圬工量為目標(biāo)函數(shù)，以邊坡淺層穩(wěn)定性和骨架強(qiáng)度為約束條件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模