渗流场作用下高填方路堤侧滑变形数值模拟研究

严 骏，李天斌，孟陆波

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059;2.江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，江南南京 210028)

四川盆地中部丘陵地区堰塘和堰塞湖较多，在其附近修建的高速公路易发生由渗流引起的路基侧滑失稳破坏，因此研究高填方路堤在由水位差引起的渗流场作用下的侧滑稳定性很重要。目前国内的研究一般集中于降雨引起的渗流［1-7］，张华等［8］利用一维、二维非饱和渗流模型得出湿润峰面和地下水位面与时间的关系;刘建军等［9］根据岩土饱和—非饱和渗流理论，利用有限元方法，对强降雨条件下公路边坡地下水渗流场进行了数值模拟，得到了边坡地下水压力水头、总水头变化及其与流速的变化规律;高永涛等［10］通过多个高填方路基侧滑实例，从载荷、渗水、施工质量等多方面研究路堤侧滑成因及处理措施。

本文应用有限差分法［11］，模拟分析高填方路堤两侧水位差对渗流场和基底位移的影响，并结合现场监测资料分析路基侧滑变形趋势，以合理指导路堤填筑工序，保障施工安全顺利进行。

1 基本理论

在实际工程中，地下水在具有一定孔隙结构的地质环境中流动时，渗流场与应力场的力学响应分别属于不同物理环境。本文采用等效连续介质耦合分析模型，分析水位变化及路堤分层堆载时的位移场变化情况。

1.1 应力场的基本方程［12］

在直角坐标系中，岩土体微元的运动平衡方程为

式中，σij，i为应力张量分量，Fi为岩土介质的体积力。

对于各向异性岩土体的力学响应还受到岩土体材料本构关系、小变形条件下的几何方程及广义Terzaghi有效应力原理等的约束，需要同时满足式(2)～式(4)。

式中，σij为总应力张量分量;σ'ij为有效应力张量分量;εij和 εkl为应变张量分量;ui，j和 uj，i为位移;p为孔隙水压力为排水条件下岩土体的弹塑性变形模量;αij为各向异性有效应力系数。

1.2 渗流场增量形式的微分控制方程［12］

根据质量守恒定律，在土体颗粒及地下水不可压缩的条件下，有

其中地下水的渗流速度服从Darcy定律，即

式中，vi为孔隙水相对于土体颗粒的平均位移速度矢量;pij为孔隙水压力;fj为地下水的体积力;Kij为渗透系数张量分量;γw为地下水的重度。

1.3 高填方路堤位移场的数学模型［13］

以位移分量和孔隙水压力表示的控制方程为式中，X为体力;u为位移分量;G为剪切模量;μ为泊松比;ευ为体积应变;α为Biot常数;p为孔隙水压力，且p= γw(h－z)，z为高程。

若不考虑岩土介质骨架变形，在应力作用下，岩土的变形主要为孔隙率的变化，所以渗透系数k确定为

式中，k0为初始渗透系数，n0为介质单元初始孔隙率，a为试验常数。

1.4 渗流自由面边界条件［12］

式中，ni为渗流自由面外法线方向单位向量，θ为渗流自由面外法线与水平方向的夹角。

式(1)～式(9)构成了考虑水位变化及路堤分层堆载时的高填方路堤位移场—渗流场耦合模型。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

本文研究的高填方路堤位于四川省绵阳—遂宁高速公路绵阳段K18+900—K19+100路段，为沟谷高路堤软基路段，最大填高约18 m。路基下伏土层厚度3.2～8.2 m。地基处理方法为将1 m的素填土换填为夯实碎石土，并砌筑片石盲沟。该高填方路段为一开阔的沟谷，路段前后两侧均为小山梁，属开挖路段。路段左侧有一堰塘，面积约3.4万m2，该堰塘的水平面比路段右侧农田的地下水位面约高7 m。由于路堤填方体的出现，改变了局部地下水的补给、径流和排泄条件，形成人工干扰下的地下水渗流场［14］。本文通过模拟堰塘水位涨落，并结合现场监测数据来分析渗流场对高填方路堤侧滑稳定性的影响。

高填方路堤所在沟谷上部地层主要为第四系全新统冲～洪积成因的含砾黏性土，呈褐黄色、棕黄～棕红色等，硬塑状，一般厚度在3～8 m，局部8～10 m。下部地层为白垩系白龙组泥质砂岩、砂岩。

2.2 模型及参数

模型选取梯形路堤及路堤以下50 m深度范围。路堤顶部宽度25 m，底部宽度80 m，路堤两侧各设1 m宽的一级平台，一级平台以上坡率1∶1.5，一级平台以下坡率1∶1.75;地基部分横截面宽度140 m，从原地面向下依次分为5 m土层、8.5 m泥质砂岩、36.5 m砂岩，具体参数见表1。地基两侧为水平约束、透水边界;地基底部是水平和竖向约束、不透水边界;模型前后是法向约束、透水边界。土层中水的渗透性为各向同性，泥质砂岩和砂岩的渗透性为正交各向异性。路堤底部设置为透水边界。地层力学参数见表2。

表1 地层分布及特征

表2 各土层力学参数

2.3 计算结果分析

常态下路基两侧水位差为7 m，本文模拟水位差在9 m时(实际情况下所能达到的最大水位差)路堤分层填筑的深层水平位移。本文仅给出路堤填筑至13 m(在填筑至13 m时，监测发现路基边坡水平位移速率突然增大至0.9 cm/d)和路基填筑完成时的位移云图，见图1。

图1 路堤填筑深层水平位移云图(单位:m)

由图1可见，最大水平位移出现在路基中下部坡面，且中下部坡体位移朝向坡外，而其他位置的水平位移量很小。根据水平位移监测孔的钻孔资料显示，地基5 m深处有一薄层泥质砂岩强风化带，是力学性能较弱的部位，对应力状态改变很敏感。渗流力增大使岩体发生劈裂扩张、剪切变形和位移，增加了岩体中结构面的孔隙度和连通性，从而增强岩体的渗透性能和储存性能(孔隙率、弹性释水系数增大)［14］。地下水渗流力增大的同时也使岩层构造层理面发生软化，并且由下部基岩形成的相对隔水层导致水体滞留，形成高动水压力，产生指向坡外的驱动力促使风化带上部结构沿构造层理面发生滑移。

通过提取地基5 m深处的水平位移计算值和实际监测数据绘制水平位移趋势图，见图2。由图2可知，计算位移曲线与实测曲线基本吻合，表明模拟结果基本能反映实测情况。伴随着水位差的增大，水平位移速率增大超过警戒值(0.5 mm/d)［15］，由此可见渗流力与水平位移速率成正比，所以减小水位差可以有效增强路堤的抗侧滑稳定性。

图2 地基5 m深处水平位移趋势

3 结论

本文采用有限差分法模拟路堤两侧水位差引起的地下水渗流场，通过现场深层水平位移监测数据验证，说明模拟结果的相似度较高，能反映实际工况下的状态。结论如下:

1)通过有限差分软件可以合理模拟地基中位移场和渗流场的耦合作用，此模拟过程可为渗流场下高填方路堤与堤坝的抗滑稳定性分析提供参考。

2)高水位差造成地基入渗的地下水量增加，渗流场的影响增大，地基下方的软弱风化带为路堤滑动提供了条件，且路基堆载直接增大了下滑力，所以路堤侧滑稳定性必须考虑渗流场的作用。

3)因路基两侧水位差引起的渗流对路堤侧滑稳定性的影响不容忽视，建议在此类工况下，在路堤坡脚设置深层水平位移监测点，及时监测位移速率的动态变化。

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