持续降雨条件下铁路路基稳定性的变化规律分析

持续降雨条件下铁路路基稳定性的变化规律分析

郭憧瑶  王旭

兰州交通大学土木工程学院 甘肃省兰州市 730000

摘要：铁路路基在自然条件下容易受到降雨等因素的影响，直接影响列车运行安全。本文基于焦柳铁路南阳工务段管内设备现状，通过运用Geo-studio软件建立二维模型的方法，采用SEEP\W组件来计算孔隙水压力及体积含水量等主要数据，再结合SLOPE/W组件来进行综合分析，最终得出路基边坡稳定性在持续降雨作用下的变化情况。

关键词：铁路路基边坡；持续降雨；数值模拟

1路基边坡降雨入渗数值模拟

Geo-studio是一种用于分析岩土工程的有限元分析软件，通过运用Geo-studio软件中的SEEP\W及SLOPE/W组件来计算边坡的渗流场和进行稳定性分析。其中，SEEP/W组件可以用来对路基边坡的稳态和瞬态渗流进行分析，通过确定分析类型并建立二维模型，输入相关土体参数及边界条件即可进行求解。软件中的SLOPE/W组件基于极限平衡的理论，通过计算降雨过程中的边坡安全系数来对路基边坡的稳定性进行分析，可以用来分析评价锚杆、挡土墙等工程的加固效果。[1~3]

1.1模拟方案制定

模拟研究的目的是分析持续降雨对铁路路基稳定性的影响规律，依据我国气象部门规定的降雨强度等级规定，同时结合焦柳铁路南阳段沿线的历史降雨情况，决定选取暴雨来进行模拟，设计如表1所示的降雨工况。

表1 工况设计

1.2模型建立

模型案例以焦柳铁路南阳工务段管内水害频发的K274+520断面为参照，构建高10m、坡度1:1.5的断面几何模型，采用23m的坡长、7m的坡顶宽、4m的坡脚宽。为方便分析，本文选择了这一模型的两个特征面，即截面I和截面II。将整个边坡划分为0.2m的网格，网格个数为3907，节点数为3758。

1.3边界条件

由于Geo-studio软件模拟要求，需要定义所建模型的边界条件。根据焦柳铁路K274+520段路基典型截面特点，结合现场实际情况，制定以下边界条件。

（1）左右两侧边界和下边界设置为不透水边界。

（2）边坡的顶部和坡面为自由入渗边界。

当计算机默认的降雨强度超过了土体的渗透能力时，多余的雨水会在边坡表面形成径流并排出。由于这次是对铁路基础进行模拟，并没有考虑到地下水的影响，所以在这次模拟中不会涉及地下水。

1.4参数制定

为了研究非饱和土的渗流与应变，必须将土的粘聚力、内摩擦角、泊松比、单位重度、饱和渗透系数等有关参数输入到土体中。根据焦柳铁路南阳工务段地质勘察报告地基土物理力学性质指标统计结果及参数建议，可以得到模拟分析所需土体的各项特征参数，见表2。

表2 岩土体的物理力学参数和水力学特性参数

在非饱和土渗流计算中，由于渗透系数并不是常数，因此需要选用合适的曲线来拟合渗透系数的变化规律，本文选用Geo-studio软件中内置的VG模型对路基边坡进行拟合，通过查阅资料对VG参数进行合理预设，再将土体的饱和体积含水量导入到Geo-Studio软件的样本函数中，便可以得出对应的土—水特征曲线。基于土—水特征曲线，在VG模型中输入饱和渗透系数，就可以得出对应的渗透系数函数曲线。

2持续降雨对边坡稳定性的影响分析

随着降雨持续的时间的逐渐增加，会有越来越多的雨水渗透到边坡土体中，从而提高了土体中的含水率和孔隙水压力。通过将设计的降雨工况条件输入到软件计算模型中，可以得到边坡在此期间的孔隙水压力的变化情况与各监测点孔隙水压力变化情况。通过数据分析可知，在降雨开始后的第1天时，距离边坡表面较远的下部和中部土体中的孔隙水压力曲线基本保持不变；随着降雨持续时间的逐渐增加，边坡上部及近坡段的孔隙水压力有明显的改变，在边坡上部，孔隙水压力值随着时间的推移而不断增大。另一方面，从图中还可以看出，大量的雨水流向边坡后并没有在此期间得到充分的渗透，而是沿着坡面流向坡底，导致坡底的土体受到大量雨水入渗而使孔隙水压力明显增大。

降雨持续时间对边坡含水率的影响也很大，随着降雨持续时间的逐渐增加，会有越来越多的雨水渗透到边坡中。通过分析模拟数据发现，从降雨开始的第5天后，边坡土体的体积含水率的变化规律逐渐趋于稳定，到降雨的第7天时，边坡浅层土体的体积含水率也渐渐稳定在一个较高值。在第5天以前，坡面上各部分的体积含水率都有明显地增加，但在第5天以后，体积含水率增加的幅度开始逐渐减小。在前5天的降雨过程中，边坡顶面土体的体积含水率大部分升至0.28后就趋于稳定，但坡脚处的体积含水率却能够达到0.36左右，这意味着随着降雨持续时间的延长，降雨在坡脚处的入渗强度逐渐趋于稳定，大量的雨水向边坡的坡脚处聚集，使其土体含水量迅速增长。

图1持续降雨条件下边坡安全系数变化图

根据模拟结果显示，降雨时间的不同会导致边坡安全系数的产生变化，随着持续时间增加，安全系数逐渐减小并伴随特定趋势，如图1所示。安全系数在初始阶段明显下降，但后期变化较平缓。这种转变的根源是由于初始降水阶段土体含水率极低，随后的渗透过程使得土体湿度逐渐提升，进而使基质吸力有所减少，从而削弱了其抗剪强度，最终引起的安全系数骤然下跌。然而，经过一段时间后，边坡顶部的土体水分饱和程度达到了一定的阈值，因此不能再吸收大量的雨水渗透，土体的渗透系数也随之下降。一旦雨水未能快速渗透至地下土体中，就会引发地面径流现象，此时边坡的安全系数也不会再有大幅度降低。

3结论

通过对焦柳铁路南阳工务段管内典型路基断面进行降雨模拟分析，发现路基边坡稳定性随着降雨的不断持续而呈现出一定的变化规律。在50mm/d降雨强度条件下，随着降雨的持续，边坡的孔隙水压力不断增加，边坡安全系数整体呈现先急剧下降后逐渐趋于稳定的趋势。孔隙水压力由初始的-47.8kPa变为-20kPa，当降雨停止后，边坡的安全系数下降到了1.141，说明持续降雨对铁路路基边坡稳定性影响显著。

参考文献：

[1] 韩庆楼, 王勇. 降雨渗流作用下滑坡稳定性研究——以平塘县龙门滑坡为例[J]. 工程技术研究,2023, 8(01): 193-195.

[2] 王正龙, 孙小波. 持续降雨条件下路基边坡稳定性影响分析[J]. 价值工程, 2024, 43(03): 110-112.

[3] 倪晓辉. 基于Geo-studio软件分析浅层滑坡不同工况下失稳概率[J]. 江西建材, 2022, (02): 77-78.