雨水入渗导致天然土坡滑动和工程边坡失稳而引发的灾害事故频发,工程边坡与人类生命财产关系密切,而工程边坡中的路基边坡在铁路、公路等交通领域占有较大比重,强降雨诱发的路基突发性病害时常影响列车正常运行,甚至危及行车安全。诸多病害中,以路基土质边坡浅层溜坍最为典型。因此,建立基于雨水入渗特性的路基土质边坡浅层失稳模式及稳定分析方法,对准确评估边坡的安全性尤为重要。然而,国内外关于降雨导致的边坡浅层稳定分析方面研究多是基于假定的顺坡平面、圆弧、折线等滑动失稳模式,鲜有文献从斜坡点应力状态入手构建降雨入渗下路基土质边坡浅层失稳的合理模式,及其与表层、深层失稳模式的转化关系。同时,工程上为防止边坡发生浅层溜坍病害,设计了多种以边坡骨架防护型式为主的工程措施,但大都是基于经验的构造设计。通过分析水平地表积水和雨水入渗下非饱和土水分运移基本规律,探讨了倾斜地表情况雨水入渗及坡面径流下坡体内水分时空分布特征;从无限长斜坡土中一点应力状态出发,分析了雨水均匀浸润软化和顺坡渗流两种工况下的路基土质边坡浅层失稳破坏模式及其影响因素,讨论了边坡失稳破坏模式与表层、浅层、深层的映射关系及相互转化阈值,并与圆弧滑面法、单一圆心的圆弧-平面组合滑面法等传统方法进行了对比验证;建立了路基土质边坡浅层稳定与降雨要素之间的内在联系;最后,为有效防止路基边坡发生浅层失稳破坏,开展了基于力学原理的矩形骨架防护下路基土质边坡浅层稳定性及骨架结构优化设计等方面研究。主要工作和成果如下:1)基于Green-Ampt模型的雨水入渗特性分析①归纳总结了基于Green-Ampt模型的雨水入渗地表形成积水的三类典型时间判据。判据Ⅰ以积水入渗工况的入渗率q等于雨强R时,所对应的积水入渗时间tp1为判别阈值,是降雨入渗导致地表积水的必要非充分条件;判据Ⅱ以tp1时积水工况下累积入渗量与雨强R下的降雨量相等时所需的降雨时间tp2为判别阈值,符合逻辑关系;判据Ⅲ以积水入渗工况的累积入渗量与雨强R下的降雨量相等所需的时间tp3为判别阈值,但前者的饱和入渗快于后者的非饱和入渗,相同时间下入渗深度不同,积水入渗量与降雨量理应不等,故判据Ⅲ存在物理上的固有缺陷。②斜坡表面含水率恒定(径流)边界下,由于入渗初期以仅取决于土体含水率的吸力水头梯度控制为主,坡度α对入渗率q和入渗量Q影响较小,但入渗后期以对斜坡坡度α有直接影响的重力水头梯度为主控因素时,坡度的影响则越来越显著;降雨边界下,雨强R相同时,水平地表承雨强R较斜坡坡面承雨强Rcosα大,故地表积水时间较坡面产流的时间短,但水平地表和斜坡坡面在承雨强(通量)相等时,由于斜坡法向最大入渗能力低于水平地表入渗情况,故呈现相反的规律。2)雨水入渗下边坡土体水分运移时空分布特征分析①基于van Genuchten 土-水特征曲线及非饱和土渗透系数K(θ)方程,推导了反映单位基质吸力变化引起含水率改变量的比水容量C(θ)和具有脉冲性质的水力扩散率DD(θ)函数关系式,完善了水平地表一维垂直入渗的Parlange模型数学表达。分析表明:通常情况下,砂和粉土的C(θ)曲线较黏土呈现更为显著的峰值特征;D(θ)与标准化体积含水率Se相关,且0<Se<1时,砂和粉土的D(θ)随Se增加无明显变化,但前者高于后者,Se接近于1时二者均迅速增加直至无穷大;相同地表通量边界下,具有较低K(θ)和D(θ)的粉土比砂的积水时间更短。②在水平地表一维垂直入渗Parlange模型基础上,针对倾斜地表情况,导出了坡面含水率和坡面通量恒定边界条件下土体水分运移偏微分方程,给出了表征斜坡雨水入渗时空分布规律的半解析表达式。通过与Philip精确解对比可知,对于常见坡度缓于1:1的路基土质边坡,相对误差低于7%,具有较好的工程精度。3)雨水浸润软化下路基土质边坡浅层失稳模式判别及稳定性①提出了雨水软化下边坡浅层溜坍由上缘张拉区、中段主滑区和下缘挤压区三段滑动区域组成的“顺坡曲面”破坏模式,考虑了上缘张拉区和下缘挤压区的抗力作用,构建了滑体上下缘剪切破坏曲面采用对数螺旋线方程表达的力学模型,提出了满足滑体上缘张拉区、下缘挤压区力矩平衡,中段主滑区静力平衡的土质边坡浅层稳定分析方法,导出了相应安全系数表达式。②提出了边坡失稳随雨水浸润软化深度zw增加依次呈现三种破坏模式,即“表层单位土条式顺坡平面”破坏模式Ⅰ、“浅层组合式顺坡曲面”破坏模式Ⅱ及“深层整体式对数螺旋曲面”破坏模式Ⅲ,采用滑体长度L与软化深度zw的比值λλ作为表征参数,确立了界定三种失稳模式的两个阈值λar和λf,即λ≥λer时为模式Ⅰ;λcr＞λ>λf时为模式Ⅱ;λ≤λf时为模式Ⅲ。③基于刚体极限平衡条件,构建了以“浅层组合式顺坡曲面”失稳模式为基础且涵盖三种失稳模式的边坡稳定安全系数统一表达式。分析表明:λ<λcr时采用模式Ⅰ忽略了上下缘滑体力学作用会得到偏于保守的结果,λ>λf时采用以圆弧滑面为代表的整体式曲面失稳模式则偏于危险,而λ≤λf时采用对数螺旋形和圆弧形的整体式曲面滑动模式差异不大。4)雨水顺坡渗流下路基土质边坡浅层稳定性及临界雨强-历时评判①基于顺坡渗流条件下滑体上下缘对数螺旋线型剪切破坏模式,提出了考虑渗透力作用,能较好反映入渗深度zw和主滑区长度L2等因素影响的“顺坡曲面”组合滑面浅层稳定分析方法;对比单一圆心的圆弧-平面组合滑面搜索法,“顺坡曲面”组合滑面法是以滑体中段为平面,上下缘为双极心对数螺旋线的组合式滑面稳定分析法,具有无需搜索而直接确定浅层危险滑动面的优势,且克服了搜索滑面法在平-曲相交处滑面突变的缺点。②基于Green-Ampt入渗模型,以满足雨水入渗深度zw范围内土体饱和为条件,构建了土质边坡浅层“顺坡曲面”失稳模式下的稳定安全系数与雨强历时函数方程,获得了边坡失稳临界雨强-历时关系。对比“顺坡平面”失稳评判方法,雨强恒定时,由于前者考虑了上下缘滑体的抗滑作用,边坡浅层达到极限状态时对应的雨水入渗深度较后者更深,故所需的降雨历时应更长。5)路基边坡浅层稳定的骨架防护效应及结构优化①基于无限斜坡浅层稳定“顺坡平面”计算模型,以矩形骨架防护单元为研究对象,提出了雨水浸润软化和顺坡渗流两种工况下,矩形骨架框内土体沿骨架底部直接剪切滑动、挡土被动土压力破坏两种模式,及以竖向净距为表征参数的模式间转换阈值lsp,即横骨架净距lv<lsp为剪切滑动模式,lv>lsp时进入横骨架挡土被动破坏模式。②针对雨水浸润软化和顺坡渗流两种工况,分别建立了矩形骨架防护路基土质边坡浅层稳定安全系数Fs表达式,构建了以矩形骨架单位防护面积圬工量为目标函数,以边坡浅层稳定性和骨架强度为约束条件的结构优化设计模型。分析表明,骨架嵌土深度和竖向净距主要影响浅层稳定性,而骨架宽度和横向净距受骨架结构材料强度控制。在满足边坡浅层安全系数和骨架材料强度下,截面深嵌的横窗型较截面平展的竖窗型骨架结构能更节省圬工用量。