路基边坡降雨入渗的影响因素分析
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别 取为 １ ， ５ ｅ 一 ５， ３ ． ５ 。 降雨 入渗 边 界 为路 基 边坡 和 原路 面 ， 路 面不 透
为， 从 而造 成路 基 内应力 和变形 的差异 。
为此 ， 本文建立 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ二 维 有 限元 模 型 ， 运
用流固耦合分析类型 ， 揭示路基边坡 降雨人渗 的影
有限元分 析软件对降雨条件下的边坡渗流问题进行 分析 ， 探讨 降雨强 度 、 降雨 历时 、 降雨类 型 、 路基 边坡坡 率及路
基土渗透系数对路基 内含水量和沉降变形 的影 响。研 究表 明 ： 降雨强度越 大 ， 降雨历 时越长 ， 路基沉 降位移越 大 ； 短时暴雨造成路基实时沉降位移增加 明显 ， 但 长时小雨造成的降雨后路基沉降较大 ； 路基边坡坡 率越缓 ， 路 基土渗
１ 二 维有 限元 模型
本 文 依 据某 高 速 公路 的典 型设 计 横 断 面 ， 选取 半 幅路 基 ， 按 照 二维 有 限元 模 型进 行 降雨 条 件 下 的
※ 基金 项 目 ： 江 西 省 交 通 运 输 厅 科 技 项 目（ ２ ０ １ ５ Ｃ ０ ０ ２ ３ ）
２ ０ １ ７年
２ ０ １ ７年
第 １ １期
北 方 交 通 Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ５ ９ ９ ６ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｂ ｆ ｊ ｔ ． ２ ０ １ ７ ． １ １ ． ０ １ ４
一 ５ １一
文 章 编 号 ：１ ６ ７ ３—６ ０ ５ ２ （ ２ ０ １ ７ ） １ １— ０ ０ ５ １ —０ ４
Ｓ ＝Ｓ ｉ ＋（ Ｓ 一Ｓ ｉ ） ａ ｓ ／ ［ ａ 。 ＋（ ｂ ×（ ｕ 一 Ｈ ） ） ］
（ ２ ）
式 中： Ｓ ｒ 为饱 和度 ； Ｓ ｉ 为残余 饱 和度 ， 取为 ０ ． ０ ８ ； ｓ 为最 大饱 和度 ， 取 １ ； ａ 、 ｂ 和ｃ 均 为材 料 参 数 ， 分
透系数越大 ， 路 基 沉 降位 移 越 大 。
关键词 ： 道路工程 ； 路基 ； 边坡 ； 有限元分析 ； 降雨
中图分类号 ： Ｕ ４ １ ６ ． １ ４ 文献标识码 ： Ａ
降雨 量是 影 响路 基 湿 度 的 主要 因素 之 一 ， 雨 水 从 路 基边 坡或 路 面结 构 性 裂缝 入 渗 至 路 基 内部 ， 改 变路 基 的湿 度 并 降 低 其 工 作 性 能 Ｊ 。 降雨 强 度 及 历 时 影 响路 基 湿度 变 化 ， 长 时 间 的 强 降雨 能 使 路 基 边 坡 饱和 ， 大量 雨水 入渗 至路基 内部 ， 造 成路 基强 度 下 降 并损 坏 Ｊ 。另外 ， 路 基 和 路 面 本 身 的性 质 也 对 降雨 入渗 行为 存 在影 响 。如 路基 初 始 湿 度 较 大 ， 则 其 基质 吸力 也相 对 较 小 ， 这 使 得 其对 坡 面 降雨 的 水 平 吸渗 的能 力相 对 较 弱 ， 路 基 湿 度对 降雨 的响 应 也 降低 ； 而路 面是 否为 透 水 路 面 或是 否 存 在 结 构 裂 缝， 均 影 响路表 水 渗入 路 基 的速 度 和 多 少 Ｊ 。路 基 的横 断面 、 纵 断面设 计 形 式 也 对 降雨 入渗 特 性 存 在 影 响， 如边 坡坡 率较 陡 的边坡 ， 强 降雨 时较 容易形 成
式 中： Ｋ 为 土体 饱 和 时 的渗 透 系 数 ， 取５ ． ０ Ｘ
１ ０ ‘ 。 。 ｍ ／ ｓ ； Ｕ 、 Ｕ ｗ 分 别 为 土 体 中的气 压 、 水压力 ， 由 于
坡 面 与大气 接触 ， 取为 零 ； ａ 、 ｂ ｗ 和ｃ 均 为材料参 数 ， 分别 取 为 １ ０ ０ ０， ０ ． ０ １ ， １ ． ７ 。
地表径流 ， 从 而减 少 降 雨入 渗 。可见 ， 降雨 形 式 、 路 基 填 料性 质及设 计形 式 均可 能影 响边坡 降雨 人渗 行
暂 态渗 流场 的数 值计 算 ， 采用 Ａ Ｂ ４ Ｐ 。模 型 尺 寸 和 地 下 水 位 设 置 见
响 因素及 变化 规律 ， 为 路 基 边 坡 稳定 性 分 析 和 路 基
水 。约 束模 型两侧 的水 平位移 和模 型底 部 的水 平位
移 和沉 降位移 。模 型两 侧水 位线 以下设 置 随深度线 性增 加 的静水 孔压 边界 。
表 １ 路 基 土 物 理 参 数
设 计 提供参 考 。
图１ 。路基 土 的各 项 物 理参 数 见 表 １ 。本 文设 置 渗 透 系数 Ｋ 饱 和度 Ｓ 随 基 质 吸力 的变 化关 系 Ｊ ， 分
别 见式 （ １ ） 和式 （ ２ ） 。
Ｋ ＝ ａ Ｋ ／ 【 ａ ＋（ ｂ ×（ ｕ 一Ｕ ｗ ） ） 】
ｗ
（ １ ）
第ｌ １ 期
力 ‘ 案ｆ ， Ｊ ｝ 己为 ５—１ ２ ０、 １ ０—６ ０ 、 ３ ０—２ ０和 ６ ０一ｌ ０ 。 ２ ． ２ 路 琏边 坡坡 率力‘ 案 定 降Ｊ ： ｆ ： ｉ 强 度为 ２ ０ ａ ｒ ｍ・ ｈ ， 降雨 历时 为 ２ ４ ｈ ，
汁算 ㈦路 琏边 坡坡 率对 路 基沉 降 变 形 的影 响 ， 路 琏边 坡 分 别取 为 ｌ ： ｏ ． ５ 、 ｌ： １ 、 ｌ ： １ ． ５和 １： ２ 。
路 基 边 坡 降雨 入 渗 的影 响 因素分 析
尚 小 亮 ， 杨 西 海 ， 刘超 群
（ １ ． 江西省公路管理局 南昌市 ３ ３ ０ ０ ３ ８ ； ２ ．江西省高速公路投资集团有限责任公 司 南 昌市 ３ ３ ０ ０ ２ ５ ）
摘
要： 路基边坡 降雨入渗过程属 于典型的非饱 和土流固耦合问题 ， 性质复杂 ， 影响因素较多。采 用 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ
为， 从 而造 成路 基 内应力 和变形 的差异 。
为此 ， 本文建立 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ二 维 有 限元 模 型 ， 运
用流固耦合分析类型 ， 揭示路基边坡 降雨人渗 的影
有限元分 析软件对降雨条件下的边坡渗流问题进行 分析 ， 探讨 降雨强 度 、 降雨 历时 、 降雨类 型 、 路基 边坡坡 率及路
基土渗透系数对路基 内含水量和沉降变形 的影 响。研 究表 明 ： 降雨强度越 大 ， 降雨历 时越长 ， 路基沉 降位移越 大 ； 短时暴雨造成路基实时沉降位移增加 明显 ， 但 长时小雨造成的降雨后路基沉降较大 ； 路基边坡坡 率越缓 ， 路 基土渗
１ 二 维有 限元 模型
本 文 依 据某 高 速 公路 的典 型设 计 横 断 面 ， 选取 半 幅路 基 ， 按 照 二维 有 限元 模 型进 行 降雨 条 件 下 的
※ 基金 项 目 ： 江 西 省 交 通 运 输 厅 科 技 项 目（ ２ ０ １ ５ Ｃ ０ ０ ２ ３ ）
２ ０ １ ７年
２ ０ １ ７年
第 １ １期
北 方 交 通 Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ５ ９ ９ ６ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｂ ｆ ｊ ｔ ． ２ ０ １ ７ ． １ １ ． ０ １ ４
一 ５ １一
文 章 编 号 ：１ ６ ７ ３—６ ０ ５ ２ （ ２ ０ １ ７ ） １ １— ０ ０ ５ １ —０ ４
Ｓ ＝Ｓ ｉ ＋（ Ｓ 一Ｓ ｉ ） ａ ｓ ／ ［ ａ 。 ＋（ ｂ ×（ ｕ 一 Ｈ ） ） ］
（ ２ ）
式 中： Ｓ ｒ 为饱 和度 ； Ｓ ｉ 为残余 饱 和度 ， 取为 ０ ． ０ ８ ； ｓ 为最 大饱 和度 ， 取 １ ； ａ 、 ｂ 和ｃ 均 为材 料 参 数 ， 分
透系数越大 ， 路 基 沉 降位 移 越 大 。
关键词 ： 道路工程 ； 路基 ； 边坡 ； 有限元分析 ； 降雨
中图分类号 ： Ｕ ４ １ ６ ． １ ４ 文献标识码 ： Ａ
降雨 量是 影 响路 基 湿 度 的 主要 因素 之 一 ， 雨 水 从 路 基边 坡或 路 面结 构 性 裂缝 入 渗 至 路 基 内部 ， 改 变路 基 的湿 度 并 降 低 其 工 作 性 能 Ｊ 。 降雨 强 度 及 历 时 影 响路 基 湿度 变 化 ， 长 时 间 的 强 降雨 能 使 路 基 边 坡 饱和 ， 大量 雨水 入渗 至路基 内部 ， 造 成路 基强 度 下 降 并损 坏 Ｊ 。另外 ， 路 基 和 路 面 本 身 的性 质 也 对 降雨 入渗 行为 存 在影 响 。如 路基 初 始 湿 度 较 大 ， 则 其 基质 吸力 也相 对 较 小 ， 这 使 得 其对 坡 面 降雨 的 水 平 吸渗 的能 力相 对 较 弱 ， 路 基 湿 度对 降雨 的响 应 也 降低 ； 而路 面是 否为 透 水 路 面 或是 否 存 在 结 构 裂 缝， 均 影 响路表 水 渗入 路 基 的速 度 和 多 少 Ｊ 。路 基 的横 断面 、 纵 断面设 计 形 式 也 对 降雨 入渗 特 性 存 在 影 响， 如边 坡坡 率较 陡 的边坡 ， 强 降雨 时较 容易形 成
式 中： Ｋ 为 土体 饱 和 时 的渗 透 系 数 ， 取５ ． ０ Ｘ
１ ０ ‘ 。 。 ｍ ／ ｓ ； Ｕ 、 Ｕ ｗ 分 别 为 土 体 中的气 压 、 水压力 ， 由 于
坡 面 与大气 接触 ， 取为 零 ； ａ 、 ｂ ｗ 和ｃ 均 为材料参 数 ， 分别 取 为 １ ０ ０ ０， ０ ． ０ １ ， １ ． ７ 。
地表径流 ， 从 而减 少 降 雨入 渗 。可见 ， 降雨 形 式 、 路 基 填 料性 质及设 计形 式 均可 能影 响边坡 降雨 人渗 行
暂 态渗 流场 的数 值计 算 ， 采用 Ａ Ｂ ４ Ｐ 。模 型 尺 寸 和 地 下 水 位 设 置 见
响 因素及 变化 规律 ， 为 路 基 边 坡 稳定 性 分 析 和 路 基
水 。约 束模 型两侧 的水 平位移 和模 型底 部 的水 平位
移 和沉 降位移 。模 型两 侧水 位线 以下设 置 随深度线 性增 加 的静水 孔压 边界 。
表 １ 路 基 土 物 理 参 数
设 计 提供参 考 。
图１ 。路基 土 的各 项 物 理参 数 见 表 １ 。本 文设 置 渗 透 系数 Ｋ 饱 和度 Ｓ 随 基 质 吸力 的变 化关 系 Ｊ ， 分
别 见式 （ １ ） 和式 （ ２ ） 。
Ｋ ＝ ａ Ｋ ／ 【 ａ ＋（ ｂ ×（ ｕ 一Ｕ ｗ ） ） 】
ｗ
（ １ ）
第ｌ １ 期
力 ‘ 案ｆ ， Ｊ ｝ 己为 ５—１ ２ ０、 １ ０—６ ０ 、 ３ ０—２ ０和 ６ ０一ｌ ０ 。 ２ ． ２ 路 琏边 坡坡 率力‘ 案 定 降Ｊ ： ｆ ： ｉ 强 度为 ２ ０ ａ ｒ ｍ・ ｈ ， 降雨 历时 为 ２ ４ ｈ ，
汁算 ㈦路 琏边 坡坡 率对 路 基沉 降 变 形 的影 响 ， 路 琏边 坡 分 别取 为 ｌ ： ｏ ． ５ 、 ｌ： １ 、 ｌ ： １ ． ５和 １： ２ 。
路 基 边 坡 降雨 入 渗 的影 响 因素分 析
尚 小 亮 ， 杨 西 海 ， 刘超 群
（ １ ． 江西省公路管理局 南昌市 ３ ３ ０ ０ ３ ８ ； ２ ．江西省高速公路投资集团有限责任公 司 南 昌市 ３ ３ ０ ０ ２ ５ ）
摘
要： 路基边坡 降雨入渗过程属 于典型的非饱 和土流固耦合问题 ， 性质复杂 ， 影响因素较多。采 用 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ