降雨条件下高速公路路堤边坡渗流特性有限元分析-论文.pdf

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1、中外公路第34卷第3期222014年6月文章编号：1671—2579(2014)03—0022—03降雨条件下高速公路路堤边坡渗流特性有限元分析．朱勤，何忠明，胡庆国(1．广西交通投资集团桂海高速公路有公司，广西南宁530021；2．长沙理工大学交通运输工程学院)摘要：基于饱和一非饱和渗流理论，用数值模拟方法分析高速公路路堤的边坡渗流特性。对在降雨条件下高速公路路堤边坡体积含水率及孔隙水压力的变化规律进行分析，结果表明：初始条件下路堤边坡表层的孔隙水压力为负值，随着雨水渗入路堤边坡，其孔隙水压力将会变为正值；孔隙水压力沿着截

2、面高程方向，呈现出两头大中间小的趋势；在降雨过程中，坡脚的特征点由于受到上方雨水的供给，达到饱和需要的时间少，但恢复初始状态需要的时间较长。关键词：非饱和土；降雨人渗；孔隙水压力；体积含水率近年来，降雨影响下的高速公路路堤边坡发生垮堤中间处沿着路堤剖面竖直方向向上。网格模型及计塌的现象时有发生，引起越来越多的研究者的重视。算范围见图1。研究表明：降雨入渗引起路堤边坡渗流场发生变化，促使路堤内部含水率增长、基质吸力降低，而含水率与孔∞∞：2O隙水压力的增长会进一步使路堤填料重度增加，抗剪强度降低，从而直接导致路堤边坡失稳。目前

3、，许多学者对降雨条件下路堤边坡稳定性已经进行了初步研惺究，付宏渊等通过设计不同的降雨方案，分析了暂态饱和区的发展规律及暂态饱和区的形成与初始地下水位线的相关关系；邱路阳等分析了强降雨条件下高填方残积土路堤滑塌失稳机理；陈晓斌等分析了降雨入渗水平距离／m对路堤变形的影响，认为降雨人渗作用扩大了路堤塑图1路堤计算模型性区范围，使路堤整体稳定性降低。鉴于此，该文在前人研究成果的基础上，对算例边坡在设计降雨条件下对路堤边坡内的特征截面及特征点进行全面的渗的孔隙水压力、体积含水率的变化规律进行研究。流场分析可知路堤边坡渗流特性，故设置

4、如图1所示的特征截面和特征点(边坡表面以下1m处)。初始1数值计算模型及降雨方案地下水位线见图1，数值分析采用的降雨方案如下：降雨强度为q===8．92X10m／h，降雨历时3d，计算总该文采用的公路路堤计算模型断面路堤宽度42时长为10d，单位时间步长为1h。m，路堤高度20121。因路堤高度较高，对其采用两级根据室内饱和渗流试验，该段土石混填粗粒土路开挖边坡，上路堤高度8m，路堤边坡坡度为1：1．5，堤压实彦为93，饱和体积含水率为0．2，饱和渗透系下路堤高度12m，路堤边坡为1：1．75，边坡在121TI数为4．0×1

5、0_。m／s，渗透系数及含水率通过VG模高程处设置3m的平台。路堤两侧对称，取从路堤中型对其拟合，得到(一P)一(愚一P)曲线，如图2、3所间剖开作为路堤边坡降雨入渗的研究对象，其中水平示。由于路堤填筑碾压造成了内部水平方向和竖直方方向为路堤中间处沿着基底指向坡脚，竖直方向为路向渗透系数不一样，进行数值模拟的时候取各向异性收稿日期：2013—09—17基金项目i广西科学研究与技术开发计划项目(编号：桂科转1298011—2)；湖南省自然科学基金资助项目(编号：12JJ6052)2014年第3期朱志勤，等：降雨条件下高速公路路

6、堤边坡渗流特性有限元分析23渗透系数比k／k一0．5。水压力出现的最大值分别为l6．72、28．59、41．82、∞59．39kPa，特征点1～4恢复到初始状态需要的时间分别为72、120、144、170h。由此可知：特征点4的孔l∞隙水压力值增加最快，但消散最慢的也是特征点4，这吕是因为雨水入渗到土体边坡后，由于重力作用，雨水将籁会向坡脚聚集，坡脚的雨水较多，因此其孔隙水压力相蝌姣对于其他特征点较大。降雨过程中，孔隙水压力值增加很快，降雨停止后，孔隙水压力恢复到初始状态需要的时间较长。各特征点的孔隙水压力在降雨条件下所引起

7、的变化规律基本保持一致，都是随着降雨的持续，负孔隙水压力，kPa孔隙水压力逐渐增加，当降雨停止后，孔隙水压力开始图2负孔隙水压力与渗透系数的关系曲线缓慢降低。(一4．0×10一m／s)通过对截面高程孔隙水压力的计算结果整理，得到各个截面的特征点的孔隙水压力图，如图5、6所示。以截面工一I为例，降雨1d高度3m处的孔隙水压●力为145．06kPa，高度15m处的孔隙水压力为28．33褂*kPa，高度27m处的孔隙水压力为一59．8kPa，高度加322l蛙32m处的孔隙水压力为2．65kPa；降雨3d高度3m∞如∞∞处的孔隙水压

8、力为281．47kPa，高度15m处的孔隙水压力为148．48kPa，高度27m处的孔隙水压力为～46．02kPa，高度32m处的孔隙水压力为11．98负孔隙水压力／kPakPa。可以分析得到，在降雨入渗计算过程中，孔隙水图3负孔隙水压力与土体含水率的关系曲线压力沿着截面高程方向，随着高程