红粘土路堤边坡降水影响深度模拟分析

第40卷，第5期公路工程Vo1．40，No．52015年10月HighwayEngineeringOct．，2015红粘土路堤边坡降水影响深度模拟分析王云，关爱军，沈峰，张门哲，戴光柏(1．中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430056；2．湖北省谷竹高速公路建设指挥部，湖北十堰442100；3．湖北交投高速公路发展有限公司，湖北武汉430051)[摘要]为探讨红粘土路堤边坡降水影响深度，采用非饱和湿热耦合有限元分析方法，模拟了长期气候作用下及考虑裂隙作用下边坡瞬态水分迁移过程。计算分析得出，气候作用下路堤边坡湿度场分布主要受降水和蒸发影响，连续大雨暴雨时降水影响深度达2．0—3．0m，连续中雨小雨时降水影响深度为1．0Il左右，偶然大暴雨时降水影响深度为1．5nl左右，持续无雨时影响深度可达3．0In左右；考虑裂隙作用的降雨影响深度为裂隙埋深加上气候影响深度，降水对红粘土路堤边坡湿度的影响范围可达4．0m左右。[关键词】道路工程；影响深度；数值模拟；红粘土；VADOSE；裂隙[中图分类号】U416．14[文献标识码]A[文章编号]1674—0610(2015)05—0050—06SimulationanalysisontheprecipitationinfluencedepthoflateritesoilembankmentslopeWANGYun，GUANAijun，SHENFeng，ZHANG,Menzhe，DAIGuangbai(1．SecondHighwayConsultantsCo．，Ltd．，ChinaCommunicationsConstructionCorporation，Wuhan，Hubei430056，China；2．HubeiProvinceGuzhuExpresswayConstructionCommand，Shiyan，Hubei442100，China；3．HubeiProvincialCommunicationsInvestmentExpresswayDevelopmentCo．，Ltd．Wuhan，Hubei430051，China)[Abstract]Tostudytheprecipitationinfluencedepthoflateritesoilembankmentslope，unsaturat-edsoilmoisture-heatcouplingfiniteelementanalysismethodisusedtosimulatethemoisturemigrationundertheactionoflong-termclimateandfissure．ThecalculatedresultsindicatethatHumiditydistribu—tionismainlyaffectedbyprecipitationandevaporation，whencontinuoustorrentialraintheprecipitationinfluencedepthisupto2．0～3．0m，whilecontinuouslightrainisabout1．0m，occasionalheavyrainisabout1．5m，andcontinuoussunisabout3．0m．Consideringthecrackeffect，theinfluencedepthisequaltothecrackdepthandclimateinfluencedepth，andtherainfallinfluencedepthofthelateritesoilembankmentslopeisuptoabout4．0m．[Keywords]roadengineering；numericalsimulation；influencedepth；lateritesoil；VADOSE；fiSSUre洪、王桂尧等分别模拟了降雨条件下边坡渗流过0前言程，李雄威、谈云志研究了气候作用下膨胀土及在红粘土地区工程实践中，降水影响深度是边压实红粘土湿热耦合效应，探索出一些影响深度计坡防护与加固设计的重要参数。红粘土作为典型的算分析的有益结论¨；而专门针对红粘土路堤边特殊土之一，具有“吸水软化，失水开裂”的水敏性坡降水影响深度且考虑真实气候及裂隙的模拟研究及裂隙性特征，红粘土边坡受降水蒸发等气候因素较少。本文以红粘土路堤边坡为对象，采用非饱和影响强烈。关于大气影响深度，大量的研究集中在湿热耦合有限元分析方法，模拟长期气候作用下及对膨胀土边坡温湿度的现场观测；李涛、张林考虑裂隙作用下红粘土路堤边坡水分迁移过程，意[收稿日期】2014—06—15[基金项目】西部交通建设科技项目(20113l84931700)；湖北省交通科技项目(20117003．3)[作者简介】王云(1985一)，男，湖北咸宁人，工程师，主要从事路基路面工程、地质工程方面的研究。 第5期王云，等：红粘土路堤边坡降水影响深度模拟分析5l在探讨降水影响深度规律。1模型与参数以某公路红粘土填方路基为原型，取半幅路基建立计算模型(见图1)，路床顶面宽12m，填方高6m，路床高0．8m，路堤高5．2m，上路堤高0．7m，下路堤高4．5m，路堤边坡坡率为1：1．5，路堤底面宽21m；为减小边界效应将计算区向下扩展6m，向右扩展9m。时间，d图2日最高最低温度分布6Figure2Thetemperaturedistribution41402昌：0l20—2l00—4l80、—60369l2l5l82l242730耋60／m4O图1模型概化FigurelConeeptualmodel20g目、糕08642模型采用非饱和湿热耦合方法，考虑边坡蒸发、0200400600800时间／d降水入渗及热传导作用，数学模型见文献，模拟图3日降雨量分布过程利用非饱和湿热耦合有限元分析软件GEO．Figure3TherainfalldistributionSTUDIO中VADOSE模块实现。模型以原地面线为基线，地下水埋深为一4m，路面及中轴面为隔水边界，路堤边坡及原地面为大气降水人渗边界，其他为定水头边界；热传导模型中，底部为恒温边界、顶部为大气温度边界、两侧为隔温边界。模型材料为压实红粘土，不同压实度条件下非饱和渗透系数土、水特征曲线、体积热容和导热系数等参数见表1。0200400600800表1不同压实条件下饱和红粘土湿热参数时问，dTablelParametersofthecompactedlateritesoil图4日潜在蒸发量分布Figure4Theevaporationdistribution不同深度处湿度分布(见图5)、以及△湿度值变化(见图6)，考察路堤边坡区湿度变化量，降水作用下，坡顶区(=12m)湿度最大增高约+6．0％，边坡中部(=15、18m)湿度最大增高+5．0％左右，坡脚区(=21m)湿度最大增高+4．0％；蒸发左右2长期气候作用下红粘土边坡渗流分析下，坡顶区(=12m)湿度最大降低约一3．0％，边采用非饱和湿热耦合有限元分析软件VA．坡中部(=15、18m)湿度最大降低一3．3％左右，DOSE，模拟长期气候响应下，红粘土边坡瞬态渗流坡脚区(=21m)湿度最大降低一3．4％；综合起过程，气候参数选取当地2011年1月1日至2013来，边坡上部坡体内湿度因初始湿度低而受降水影年1月1日共730d的气象数据，包括温度、降雨响偏大一些，而边坡下部湿度受蒸发作用影响强于量、蒸发量(见图2～图4)等。边坡上部，在一个气候周期内，边坡内部湿度变化幅经边坡渗流瞬态分析，得到不同时刻路堤边坡度可达8．0％一10．0％。 52公路工程40卷0．45考虑降水与蒸发作用，湿度影响深度范围为(以湿度变化3％为临界值)：坡顶区(=12m)为3．0m，0．43边坡中部(：15、18m)为2．0～3．0m，坡脚区(：0．4121m)为1．5～2．011；可见气候对红粘土路堤边坡o．39湿度的影响范围在2．0—3．0m。0．373典型降水条件下边坡影晌深度O．35在长期气候作用下边坡渗流分析基础上，进一0．330200400600800步设置工况，探讨典型气候下边坡降水影响深度。时间／d降水蒸发作用下边坡水分迁移主要受到降水(蒸图5路堤边坡不同埋深处湿度分布变化Figure5Humiditydistributionoftheembankment发)强度和降水(蒸发)历时影响，降水强度分为无0雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨，降水历时分连续降雨和偶然降雨。结合研究区两年的气象资料，优0化设计出以下4种工况(见图7)：工况一，持续大雨一’0暴雨(272—280d)；工况二，持续小雨中雨(72～76昌●d)；工况三，偶然大暴雨(665～672d)；工况四，持曼、续无雨(281—340d)。一0工况一持续大雨暴雨过程中，含水量沿深度方—0向呈现出半‘s’形分布，降水第一天(第273天)边一O坡吸收降水人渗量最大，埋深0．5m范围内接近饱时间，d和，埋深1m范围内湿度升高；随后，降水人渗速率逐渐下降，降水第二天(第274d)湿度上升范围在图6路堤边坡不同深度处△湿度值变化Figure6Humidityvariationoftheembankmentslope埋深2m以内，第275d埋深3m范围内湿度有升高；第276天无雨，边坡由降水转向蒸发，湿度显著对气候作用下路堤典型横向剖面湿度变化量极降低范围只在埋深0．5m内；随后第278—280天大值进行统计，见表2，考察降水对边坡湿度影响深度雨期内，边坡区湿度向深部发展，但上升速度放缓，范围(以湿度增加+l％为临界值)，坡顶区(=12埋深4．0m处湿度略有上次，埋深3m处湿度最大m)为2．0m，边坡中部(x=15、18m)为1．5～2．0上升1％一2％，可见极端连续暴雨工况下，路堤边m，坡脚区(=21m)为1．0m；考察蒸发对边坡湿坡影响深度可达3．0m左右。度影响深度范围(以湿度减少一2％为临界值)，坡工况二持续3天中小雨对路堤边坡内湿度影响顶区(=12m)为3．5m，边坡中部(=15、18m)为4．0—6．0m，坡脚区(=21m)为4．0—6．0m；综合明显弱于工况一持续大雨暴雨，图7持续中雨小雨工况下边坡区含水量随深度变化情况展示，降雨第表2路堤边坡湿度变化量极值统计Table2Humidityvariationoftheembankment一天(T=73d)埋深0．5m范围内湿度只上升1％埋深／望堕壅銮量(竺：：：：2一2％，降雨第三天(T=75d)埋深1．0m处湿度也边坡顶部边坡中部边坡底部只升高1％左右，可见持续小雨中雨工况下，边坡湿降水／％蒸发／％降水／％蒸发／％降水／％蒸发／％度影响深度在1．0m左右，湿度上升幅度在1％～4％范围内，降雨过程中表层土未出现饱和现象。工况三偶然大暴雨工况下，从第665天无雨到第666天和667天毛毛雨，边坡区湿度基本没有影响，整体上降水与蒸发蒸腾接近平衡；第668天突然大暴雨，表层至埋深0．5m范围内湿度接近饱和，埋0．I—1．IO．O—I_6深1．5m处上升1％左右；第669天毛毛雨，表层O．1一1．1O．O0．O0．5m范围内湿度急剧下降4％左右，而随着水分向0．O0．0下迁移，0．5—2．0m处湿度却有1％～2％的小幅上 第5期王云，等：红粘土路堤边坡降水影响深度模拟分析53暴雨之前的状态。工况四持续无雨工况下，由于前期持续大雨暴雨，该工况初始状态时边坡个部位中的含水量较高，持续60d的无雨蒸发，边坡湿度持续下降，下降速率呈现先快后慢的规律，前l0天月最大下降4％一6％，中间30天最大下降为2％，此边坡内湿度恢复到工况一持续降雨前的状态，而最后20天湿度下降不到1％，蒸发影响深度和影响程度趋于稳定，大约为3．0m左右。对比4种典型气候工况得出，不同降水条件下路堤边坡湿度影响范围不同，连续大雨暴雨时降水影响深度达2．0—3．0Ill，连续中雨小雨时降水影响深度为1．0in左右，偶然大暴雨时降水影响深度为1．5m左右，持续无雨时影响深度可达3．0m左右，持续暴雨大雨和持续无雨分别代表降水和蒸发的极端条件。4考虑裂隙的边坡降水影响深度大气降雨和蒸发作用下，红粘土体内部水分发生干周期性湿循环变化，边坡表面易于发育无序的破裂裂缝，裂隙的存在为土体中水分迁移提供了优势通道，大大增强了土体渗透性，深刻地影响着降水影响深度。本文将杂乱无序的裂隙网络等效处理为等宽等间距竖直分布的裂隙网络¨引，然后采用裂隙孔隙双介质模型模拟降水人渗条件下裂土渗流过程，考虑裂隙间距和深度两主要因子优化设置出五种对比计算工况(见表3)，气象条件选取2011—09—29—2011一l0—07持续大雨暴雨(272—280d)相关参数。表3裂隙工况设置Table3Fissureconditionssetting选取路堤边坡中部(=18．5m)作典型横剖面，考察不同裂隙工况在持续降雨过程中路堤边坡图7典型气候条件下路堤边坡湿度分布不同深度处湿度分布变化情况，不同工况湿度剖面Figure7Humiditydistributionoftheembankmentslopeunder见图8。降雨过程中，不同工况下湿度剖面曲线均typicalclimateconditions呈现半‘s’形分布，埋深一5．0m以下路基含水量基升；第670～672天持续3d无雨，边坡处于蒸发失本没有受到降雨影响，埋深一5．0m之上受不同工水状态，含水量下降幅度不到每天l％，且越来越况裂隙分布而显现出一定差异：工况一，表层深0．3慢，持续3d的蒸发路堤边坡中的湿度并未回到大—0．6m范围内饱和，表层饱和带呈波浪形分布， 54公路工程40卷0．8m以下裂隙对湿度影响消失，湿度影响范围2．5111左右；工况二，表层深1．2m范围内饱和，湿度影响范围3．0—4．0m，湿度等高线与坡面平行，裂隙饱和带完全联通，未见空间分布差异；工况三，表层深0．8—1．0m范围内饱和，表层饱和带呈锯齿形分布，1．2m以下裂隙对湿度影响消失，湿度影响范围3．0～3．5m；工况四，表层深0．4～1．0m范围内饱和，表层饱和带呈波浪形分布，湿度影响范围3．0m左右；工况五，表层深1．8—2．0m范围内饱和，表层锯齿形等湿线接近消失，湿度影响范围3．5～4．0m。在湿度剖面分析基础上，分析持续降雨结束后，不同工况下路堤边坡内含水量变化情况，表4为不同工况路堤边坡湿度变化量统计值。工况一在表层0一一1．0m埋深范围内湿度增加值在5．0％以上，表明裂隙埋深0．5m时气候剧烈影响深度在1．0m左右，工况二、三、四中湿度上升5．0％以上的埋深范围为0一一1．5m，可见裂隙埋深1．0m时气候剧烈影响深度在1．5m左右，工况五中湿度上升5．0％以上的埋深范围为0～一2．5m，可见裂隙埋深2．0m时气候剧烈影响深度在2．5m左右；总的来说，考虑裂隙工况下湿度剧烈影响深度大致为裂隙埋深加上气候13影响深度(约0．5m)。同样来分析一般影响深度，以湿度上升1．O％为界线，工况一在埋深3．0m左右，工况二、三、四大约在埋深4．0m，工况五大约在埋深5．0m，在此深度以下含水量0．变化很小，可以得出：考虑裂隙工况下湿度一般影响深度大致为裂隙埋深加上气候一般影响深度。而-2．0在工况二、三、四之间(相同裂隙埋深不同裂隙间目一4．0距)，影响深度差别较小，说明裂隙间距对湿度影响隧到深度贡献小，它主要控制着降水早期边坡水分迁移，一6．0随着降水时间持续，裂隙埋深成为影响边坡渗流的主要因子。表4不同裂隙工况下路堤边坡湿度变化值Table4Humidityvariationoftheembankmentslopeunderdifferentfissureconditions埋深／下列工况下含水量(m·m)变化值／％一二三四图8不同裂隙工况下路堤边坡湿度分布变化Figure8Humiditydistributionoftheembankmentslopeunderdifieren!fissureconditions 第5期王云，等：红粘土路堤边坡降水影响深度模拟分析55综合以上分析得出：裂隙的存在加深了边坡受影响深度可达3．0m左右。气候的影响深度，而裂隙埋深是影响边坡渗流的主⑨裂隙的存在使边坡表层在降雨过程中容易要因子。考虑裂隙工况下的降雨影响深度为裂隙埋出现波浪形饱和带，边坡湿度分布出现空间差异，模深加上气候影响深度，裂隙埋深2．0m时，边坡湿度拟分析发现，考虑裂隙工况下降雨影响深度为裂隙剧烈影响范围可达2．5m左右，影响深度达4．0～埋深加上气候影响深度，裂隙埋深通常为0．5～1．55．0m；裂隙埋深1．0m时，边坡湿度剧烈影响范围m，降水对红粘土路堤边坡湿度的影响范围可达3．0可达1．5m左右，影响深度达3．0—4．0m；裂隙埋—4．0m，其中0～2．0m为气候影响深度敏感范围。深0．5m时，边坡湿度剧烈影响范围可达0．8m左右，影响深度达3．0m左右；而裂隙间距主要影响着[参考文献】表层湿度分布的空间变异性，间距越小，表层湿度差[1]李雄威，孔令伟．新开挖膨胀土边坡大气影响深度的现场试验[J]．辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2010(1)．异越小，表层降水人渗量越大，降水影响范围越深。[2]余飞，陈善雄．合肥地区膨胀土路基处置深度问题探讨[J]．5结论岩土力学，2006(11)．[3]杨果林，王永和．不同气候条件下膨胀土路基中温度变化规律采用非饱和湿热耦合有限元分析方法，模拟了试验[J]．水文地质工程地质，2005(3)．长期气候作用下及考虑裂隙作用下红粘土路堤边坡[4]李涛，徐伟青，曾铃．强降雨对路堤边坡渗流场及稳定性影响瞬态渗流过程，分析探讨了降水影响深度规律，得出研究[J]．公路工程，2013(4)．[5]张林洪，吴华金，赵江，等．雨水对路堑路基的影响分析[J]．以下结论：公路工程，2012(3)．①连续两年的边坡湿度场随气候变化过程模[6]王桂尧，衬强．降雨条件下红粘土路基水分运移数值分析[J]．拟显示，气候作用下路堤边坡湿度场分布主要受降中外公路，2011(3)．水和蒸发影响，气候对边坡湿度影响深度范围为：坡[7]李雄威．膨胀土湿热耦合性状与路堑边坡防护机理研究[D]．顶区为2．5—3．0nl，边坡中部为2．0—3．0m，坡脚中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)，2008．[8]谈云志．压实红粘土的工程特征与湿热耦合效应研究[D]．中区为1．5—2．0m；综合起来，气候对红粘土路堤边国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)，2009．坡湿度的影响范围在2．0—3．0m。[9]GEO—SLOPEInternationalLtd．VadoseZoneModelingwithVA．②不同降水条件下路堤边坡湿度影响范围不DOSE／W2007[R]．AnEngineeringMethodologyThirdEdition，同，连续大雨暴雨时降水影响深度达2．0—3．0m，2008．连续中雨小雨时降水影响深度为1．0m左右，偶然[1O]姚海林，郑少河，陈守义．考虑裂隙及雨水入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析[J]．岩土工程学报，2001(5)．大暴雨时降水影响深度为1．5m左右，持续无雨时(上接第44页)[R]．长沙：长沙理工大学，2005．[6]李向阳，胡海波，郭威．干湿循环条件下路基粘土的强度衰减③通过敏感度分析中，干湿循环的波动幅度对规律试验研究[J】．公路工程，2014，39(1)：150—154．土体的动回弹模量最为显著，这也说明对于控制路[7]张芳枝，陈晓平．反复干湿循环对非饱和土的力学性质影响基湿度过大范围变化是减小路基强度劣化主要最有研究[J]．岩土工程学报．2010，32(1)：4l一46．效手段。[8]曹玲，罗先启．三峡库区千将坪滑坡滑带土干一湿循环条件下强度特性试验研究[J]．岩土力学，2007，28(增)：93—97．[参考文献][9]杨和平，肖夺．千一湿循环效应对膨胀土抗剪强度的影响李聪．基于非饱和土理论的路基回弹模量研究[D]．重庆：重[J]．长沙理工大学学报(自然科学版)，2005，2(2)：1—5．庆交通大学土木建筑学院，2007．[1O]吴卫，董城，焦隆华，等．高液限黏土动态回弹模量试验研究杨和平。张锐，郑健龙．有荷条件下膨胀士的干湿循环胀缩[J]．公路工程，2015，4O(1)：182—185．变形及强度变化规律[J]．岩土工程学报，2006，28(11)：[I1]龚壁卫，周小文，周武华．干一湿循环过程中吸力与强度关l936．系研究[J]．岩土工程学报，2006，28(2)：207—209．AI·HomoudAS．Cyclicswellingbehaviorofclays[J]．Jour—[12]李冬雪，凌建明，钱劲松，等．湿度循环下黏质路基土回弹模halofgeoteehnicalengineering，1995，(7)：562—566．量演化规律[J]．同济大学学报，2013，41(7)：105l一1055．AASHTO．AASHTOguidefordesignofpavementstructures[13】方开泰，马长兴．正交与均匀试验设计[M]．北京：科学出版[S]．WashingtonDC：AASHTO，1993．社．2001．查旭东．路基含水率和路基回弹模量随时间变化规律研究