刘星星 鞠海燕 万灵 伍伟斌 陶希 杨晨

南昌工程学院土木与建筑工程学院 浙江大学建筑工程学院 江西省交通科学研究院

摘 要： 公路边坡因降雨入渗易产生滑坡，对公路安全造成极大的危害。以江西某高速公路煤系地层边坡为工程背景，研究*破爆**削坡施工后降雨条件下边坡的稳定性；采用有限元ABAQUS软件建立模型对削坡后的非饱和煤系土坡进行分析，探究不同降雨条件下削坡的位移、边坡稳定系数及孔隙水压力的变化规律。研究结果表明：*破爆**削坡比机械削坡的稳定系数小，位移及孔隙水压力的增值和增幅均更大；降雨条件下边坡位移存在一定的延滞性，边坡稳定系数在0～24 h内降幅最大，4种降雨类型对边坡影响顺序为前峰型>中峰型>均匀型>后峰型，且降雨初期边坡浅层土体率先达到饱和，极易造成浅层滑坡灾害。研究成果可为类似边坡工程提供参考与依据。

关键词： 道路工程;降雨入渗;*破爆**削坡;非饱和煤系土坡;稳定性分析;

基金： 江西省交通运输厅科技项目，项目编号2020X013;江西省交通运输厅科技项目，项目编号2020Z003;江西省自然科学基金项目，项目编号20202BABL214041;江西省科技厅项目，项目编号20161BBG70054;江西省研究生创新专项基金项目，项目编号YC2021-S819;江西省教育厅科学技术研究项目，项目编号GJJ211907;

高速公路施工不可避免地经常遇到山体边坡的削坡挖方施工，*破爆**削坡施工方式相对于传统的机械削坡方式能够大量缩短施工工期，但*破爆**产生的振动波会使边坡内部结构遭到破坏[1,2];加上降雨入渗作用，对边坡的危害更加严重。边坡的稳定性对于整个公路工程来说至关重要[2,3,4]。因此，开展*破爆**削坡后边坡在降雨条件下的稳定性研究具有一定的工程意义[5,6,7]。

近年来，众多学者针对*破爆**削坡后边坡的稳定性展开了大量的研究。王建明等通过分析某露天矿场监测数据，验证了断裂力学理论和格里菲斯(Griffith)能量准则计算的可行性和适用性，发现*破爆**产生的裂缝不会在降雨条件下扩展[8];彭巨为结合施工期动态监测，利用反馈的监测信息为水电坝体边坡动态支护设计提供了依据、为施工提供了指导[9];周一君等通过分析区域地质资料，确定出降雨和*破爆**震动为影响边坡稳定性的主要因素，再进行数值模拟计算并进一步验证了所得结论的正确性[10];韦忠跟等利用边坡雷达变形监测数据，分析指出*破爆**和降雨对边坡稳定性的影响是瞬时的[11];胡斌等采用极限平衡法，考虑降雨和*破爆**震动两个因素，计算发现降雨是影响边坡的最主要因素[12];赵奎等分析了有无水位线及重力作用3者数值计算结果，发现地下水对边坡稳定性有非常明显的影响[13];侯秋萍[14]和伍明文[15]将数值模拟结果与实际监测数据对比分析，得到山体隧道洞口处边坡稳定系数的计算公式；廖炜等采用非饱和瞬态渗流有限元与极限平衡法相结合的方法，对煤系膨胀土边坡进行数值模拟，分析了土体渗透系数、降雨强度、降雨持时以及坡比等参数变化对煤系膨胀土边坡稳定性的影响[16]。

综上，大多数关于*破爆**震动和降雨条件作用下导致边坡失稳机理的研究，多针对山体隧道或露天矿等高边坡，目前还未见针对煤系边坡*破爆**削坡后在降雨条件下边坡稳定性的相关研究。因此，本文采用强度折减法，结合有限元软件ABAQUS对*破爆**削坡后降雨条件作用下非饱和煤系边坡进行全过程模拟计算，得出边坡稳定系数随降雨类型和降雨时间的变化曲线，并结合边坡表面位移和内部位移、边坡孔隙水压力随降雨类型、时间、边坡深度的演化规律，探究*破爆**削坡后降雨作用下边坡的稳定性。本文研究可为类似边坡工程提供依据。

1 工程概况

本文以江西某高速公路边坡为工程背景。该区段内岩土层为粉质黏土层、强风化炭质泥岩和中风化炭质泥岩。该项目所在地区平均年降水量为1 624.9 mm, 4月～6月份降水量平均为754.2 mm, 占年总量的 46.4%。该路段煤系地层边坡在路堑削坡过程中，为了方便施工，加速建设进程，施工中开挖路堑边坡时采取*破爆**分台阶开挖的方式。削坡后暴露煤系地层边坡现场照片如图1所示。

图1 边坡暴露的煤系地层现场照片 *载下**原图

2 边坡计算分析模型

2.1边坡模型

采用有限元软件ABAQUS建立边坡削坡模型，考虑*破爆**削坡和机械削坡两种削坡方式。削坡前边坡模型长120 m, 坡脚平台高30 m, 坡顶平台高50 m, 边坡坡度为1∶2;削坡后边坡模型长120 m, 坡脚平台高20 m, 坡顶平台高50 m, 坡面分台阶放坡开挖，共有5级台阶，从下至上边坡坡度为1∶1.5、1∶1.5、1∶1.75、1∶1.75、1∶1.75,平台宽度为2.5 m、6 m、2.5 m、2.5 m、22 m, 每级坡高为6 m。为方便分析边坡的稳定性，在第三级平台坡趾处垂直向下选取4个观测点A、B、C、D,其中A点在坡趾平台与坡体交界表面处。观测点间距 AB 、 BC 、 CD 分别为2 m、5 m、5 m。边坡断面及有限元模型图如图2、图3所示。

图2 边坡断面 *载下**原图

单位：m

图3 边坡模型 *载下**原图

2.2土层及抗滑桩的模型参数

边坡土层考虑土体的弹塑特性，采用Mohr-Coulomb模型。计算分析所用的煤系土参数通过室内试验测定。试验的煤系土样为该项目所在工地现场采集的原状土。由于风化层土体渗透系数以及力学参数都随着深度改变而变化，在数值计算过程中对其参数取值进行适当的折减处理，具体参数取值如表1所示。土体渗透特征曲线如图4、图5所示。

表1 各结构层力学参数 导出到EXCEL

图4 体积含水率与基质吸力关系曲线 *载下**原图

图5 渗透系数与基质吸力关系曲线 *载下**原图

该断面坡趾处抗滑桩为C30钢筋混凝土结构，共5根，间距如图2(b)所示，具体参数如表2所示。

表2 抗滑桩尺寸及参数 导出到EXCEL

2.3*破爆**削坡动力荷载

*破爆**削坡采用三角形脉冲动力荷载来模拟*破爆**震动。动力荷载曲线加载到峰值应力的升压时间设为20 ms, 爆压总作用时间设为 60 ms, *破爆**等效荷载峰值应力为6.78 MPa。爆压时程曲线图如图6所示。为与*破爆**削坡模型形成对比分析，建立一个机械削坡模型。机械削坡不考虑动力荷载作用，模型参数及尺寸与*破爆**模型一致。

图6 爆压时程曲线 *载下**原图

2.4降雨条件

在上述削坡模型基础上，建立降雨入渗模型。模型左侧、底部、路基路面和右侧基础部分设置为不透水边界；坡体平台和坡面设置为降雨边界。分别设置降雨类型为前峰、中峰、后峰、均匀型4种方案[17],计算总时间为192 h, 降雨历时为96 h, 停雨历时为96 h, 降雨总量为480 mm。降雨强度随时间变化图如图7所示。

3 边坡稳定性分析

3.1边坡位移分析

不同降雨类型对边坡位移的影响曲线图如图8、图9所示。

由图8可知，边坡表面位移随降雨的持续而增大，竖向位移与水平位移变化相差不大，最大值均在17 mm左右，变化趋势基本一致，在同一降雨类型条件下*破爆**削坡边坡表面位移均大于机械式削坡；在降雨初期边坡表面位移变化幅度平缓，在降雨持续24 h后位移突增，竖向位移在降雨停止24 h后增幅逐渐趋于平缓，水平位移变化幅度随降雨的停止而减小；在同一削坡方式下，降雨类型对边坡表面位移的影响从大到小排序为前峰型>中峰型>均匀型>后峰型。

图7 降雨强度随时间变化情况 *载下**原图

图8 降雨类型对边坡表面位移的影响 *载下**原图

图9 降雨类型对边坡内部水平位移的影响 *载下**原图

由图9可知，在同一削坡方式和降雨类型条件下，边坡内部水平位移的迟滞性随坡体深度的增加而增大；降雨条件对坡体内部位移的影响程度随坡深的增加而减小；边坡内部土体对前峰型降雨条件最为敏感，在0～24 h内，内部水平位移变化极小，在24 h～72 h内，内部水平位移陡增，其余3种峰型降雨条件下边坡内部水平位移陡增的时间段在48 h～120 h; 在降雨停止后，B点处与C点处土体的内部水平位移仍有增大趋势，而D点处土体已趋于稳定。

3.2边坡稳定系数分析

本文采用强度折减法求解降雨后边坡的稳定系数，分析边坡整体稳定性。折减的黏聚力和内摩擦角可用下式定义：

cm=cFr         (1)cm=cFr         (1)

φm=arctantanφFr         (2)φm=arctantanφFr         (2)

式中： Fr 为折减系数； c 为土体黏聚力，kPa; cm 为折减后土体黏聚力，kPa; φ 为土体内摩擦角，(°); φm 为折减后土体内摩擦角，(°)。

当边坡强度折减至下滑力等于土体抗剪强度时，即为边坡处于失稳临界状态。此时的 Fr 可视为边坡安全系数。

计算得出边坡稳定系数与降雨类型的关系，如图10所示。

图10 降雨类型对边坡稳定系数的影响 *载下**原图

分析可知，边坡的稳定系数均随着降雨的持续而降低，在降雨类型为前峰型、中峰型、均匀型下，边坡稳定系数均在24 h内降幅最快，48 h之后降幅趋于平缓。后峰型下边坡稳定系数在24 h～48 h之间降幅最快，72 h之后趋于平缓。由于降雨初期边坡土体处于非饱和状态，土体水力传导性强，雨水入渗率高，降雨量越大，边坡浅覆层土体达到饱和状态的速度越快，对边坡整体稳定性影响越严重，4种降雨类型下边坡稳定系数的降幅在24 h内随着降雨量的增加而增大；在降雨24 h之后，除后峰型降雨外，其他3种降雨类型下的边坡浅覆层土体逐渐趋于饱和状态，雨水入渗率降低，边坡稳定系数降幅减缓；在停止降雨一定时间后，边坡稳定系数均有增大趋势；相对采用*破爆**削坡方式而言，采用机械削坡方式的边坡稳定系数整体更高，说明*破爆**产生的震动波对边坡危害更大，更易发生滑坡等灾害。

3.3边坡孔隙水压力分析

虽然稳定系数能较好评价边坡整体稳定性，但无法反映边坡稳定性受降雨影响的机理。而分析孔隙水压力能解释边坡稳定性演化过程，可更深入地评价边坡稳定性[18]。根据质量守恒定律，可得到恒温条件下土中饱和～非饱和渗流的控制方程，如式(3)所示：

∂∂x[kx(hm)∂hm∂x]+∂∂y[ky(hm)∂hm∂y]+∂∂x[kx(hm)∂hm∂x]+∂∂y[ky(hm)∂hm∂y]+

∂∂z[kz(hm)(∂hm∂z+1)]=C(hm)∂hm∂t         (3)∂∂z[kz(hm)(∂hm∂z+1)]=C(hm)∂hm∂t         (3)

式中： hm 为孔隙水压力； k ( hm )为渗透系数； C 为比水容量。

孔隙水压力随深度与时间的变化曲线如图11所示。分析可知：在4种不同的降雨类型条件下，采用机械削坡施工的边坡孔隙水压力变化峰值均小于*破爆**削坡施工；随着降雨时间的持续，前峰型和均匀型降雨条件下的边坡孔隙水压力在24 h达到最大值，前者在24 h以后逐渐减小并趋于稳定，后者在达到顶峰后随降雨时间的持续变化不大、在停止降雨24 h后才逐渐消散直至稳定；中峰型、后峰型降雨条件下的边坡孔隙水压力分别在48 h、96 h时达到最大值，前者在48 h后急剧下降、在120 h左右便达到平稳，后者在192 h左右降至最小、时间跨度较前者更长；孔隙水压力的增幅受边坡深度影响要小于降雨类型的影响，4种降雨类型下孔隙水压力增幅大小为后峰型>中峰型>前峰型>均匀型，最大增幅达到107 kPa, 孔隙水压力的增长速率大小为前峰型>中峰型>均匀型>后峰型，最大增长速率达3.375 kPa/h。

图11 孔隙水压力随深度与时间的变化曲线 *载下**原图

3.4边坡稳定性综合评价

根据该边坡工程地质条件以及模型计算数据，将边坡预警分为蓝色、黄色、红色预警3个等级，具体预警阈值划分如表3所示。当预警指标的变化达到表中值或连续3 d以上达到表中值80%时，应报警。

表3 边坡预警指标及预警值 导出到EXCEL

4 与监测数据分析对比

为确保边坡的安全性，在第三级边坡平台处布置GPS监测站点和固定式测斜仪、雨量计，便于全自动、全天候、全方位进行立体式监测。

边坡位移与降雨量、时间关系曲线如图12所示。在0～160 d间，降雨量累计达到969.6 mm, 降雨主要集中在第130～160 d之间；第三级平台表面水平位移累计365.98 mm, 表面竖向位移累计62.31 mm, 平台内部2 m、7 m、12 m处累计水平位移分别为168.75 mm、87.95 mm、42.78 mm。分析可知：降雨对边坡表面水平位移的影响远大于竖向位移，边坡内部位移随坡深的增大而减小，且不因降雨的开始立即呈现，也不因降雨的结束而立即终止；由于雨水入渗需要一定的时间，边坡内部位移存在一定的延滞性，与本文有限元模型所得规律一致。

5 结语

本文探究了不同降雨类型、不同削坡方式对边坡位移、边坡稳定系数、边坡孔隙水压力的影响，通过3者综合分析来评价边坡的稳定性，并得到以下结论。

(1)边坡稳定系数随降雨的持续而降低，在0～48 h内降幅最快，48 h后降幅逐渐减缓；在降雨停止后，边坡稳定系数逐渐上升，但仍小于初始值。在4种降雨类型中，前峰型降雨对边坡稳定系数的影响最大。

(2)边坡表面位移随降雨的持续而增大，在同一削坡方式条件下，降雨类型对边坡表面位移的影响从大到小排序为前峰型>中峰型>均匀型>后峰型。

图12 位移与降雨量、时间关系曲线 *载下**原图

(3)由于雨水入渗需要一定的时间，边坡内部的位移不因降雨的开始立即呈现，也不因降雨的结束而立即终止，说明边坡内部位移与降雨存在一定的延滞性，且前峰型降雨对边坡位移影响最大。降雨条件对坡体内部位移的影响程度随坡深的增加而减小。

(4)在降雨初期，边坡孔隙水压力增幅与降雨量成正比，增长速率最大的为前峰型。由此可见，短时间内强降雨使得边坡雨水入渗更多，孔隙水压力变化幅度最大，导致浅层土体含水量升高，煤系土体抗剪强度急剧下降，容易造成浅层土体滑坡灾害。

(5)*破爆**削坡方式的边坡在同一降雨类型下，边坡的稳定系数要小于机械削坡，位移及孔隙水压力的增幅和增长速度均大于机械削坡。采用*破爆**削坡后需加强工程防护工作，以保证边坡的安全稳定。

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