0.   引言

土工合成材料加筋土（GRS）桥台技术因施工便捷、成本低廉、绿色环保和有效缓解桥头跳车问题等优点，自问世以来在中小型桥梁建设中得到了快速推广^[1]。尤其是GRS一体化桥台（GRS-IBS）技术的引入，进一步推动了该技术的发展与应用^[2]。因其采用了较小的加筋间距（通常小于0.3 m）和高压实度填料，GRS桥台表现出卓越的抗变形能力和承载性能，能够很好地满足中小型桥梁的建设需求^[3]。然而，近年来频发的极端降雨事件（如郑州“7•20”特大暴雨）表明，降雨可能对GRS桥台的稳定性构成严重威胁，值得进一步研究^[4]。

现有关于GRS桥台的研究主要集中于静态和动态加载条件下的性能分析，研究方法包括现场监测、数值模拟和模型试验等。在静力研究方面，研究者们探讨了加筋间距、筋材刚度以及填料特性等因素对GRS桥台承载能力和变形性能的影响^{[5 − 7]}；在动力研究方面，则聚焦于地震和交通荷载下桥台的抗震性能及累积变形^{[8 − 10]}。对于环境因素的影响，现有研究多聚焦于温度波动和水位变化^[11]，而在降雨影响方面，研究对象也大多集中于加筋土挡墙^{[12, 13]}。相比之下，针对降雨入渗对GRS桥台稳定性的研究仍较为有限。尽管相关设计规范明确要求GRS桥台在建造过程中应选用排水性能优良的填料，以减少降雨对结构稳定性的影响^[14]，但工程实践表明，即使采用粗粒填料并设置滤排系统，在长期服役过程中，受降雨或坡面径流等作用影响，细粒土仍可能侵入并填充粗粒土孔隙，从而削弱排水性能并形成恶性循环，进一步威胁结构的稳定性^[15]。

本研究旨在系统分析极端降雨入渗条件下GRS桥台的力学行为和稳定性，重点探讨填料排水性能和降雨强度对桥台稳定性的影响，为优化设计和施工提供一定的参考和借鉴。

1.   模型试验及数值模拟

1.1   模型试验

本次模型试验在同济大学地下建筑与工程系地质灾害模型试验平台上进行。该平台配备一个大型模型箱和一套全自动液压伺服控制加载系统。模型箱的尺寸为4 m（长）×1.5 m（宽）×2 m（高）, 加载系统可施加最大200 kN的静/动荷载，动荷载的最高加载频率为20 Hz。本次模型试验选取高度为3 m的GRS桥台作为研究原型，该高度符合实际工程中的常见应用。^[16]。基于模型箱尺寸和原型桥台高度，确定本次模型试验相似比N=2, 对应模型桥台的高度为1.5 m。桥台模型加筋层数设置为10层，每层间距为0.15 m，对应至实际为0.3 m，满足GRS复合体的设计要求。为模拟桥台上部结构与桥台的接触，在桥台顶部距面板0.2 m处放置了一块宽0.5 m的加载板。试验过程中，通过线性可变差动位移传感器（LVDT）、拉线位移计、土压力传感器和应变片对桥台的变形、土压力分布以及筋材应变进行监测。桥台模型的具体结构及传感器布置如图1所示。

图  1  GRS桥台模型及传感器分布图

Figure  1.  GRS abutment model and sensors distribution diagram

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根据美国联邦公路管理局（FHWA）的相关设计规范^[14]，GRS桥台填料应选用级配良好或开级配的材料，以保证良好的排水性能。尽管级配良好的填料具有更优越的力学性能，开级配填料因其在高水分条件下表现出的优异排水能力而在实践中更为常用^[17]。鉴于本次试验需要考虑极端降雨的情况，故选择开级配的纯净石英砂作为桥台模型填料，其级配曲线如图2所示，中值粒径D₅₀=2 mm。通过渗透试验测得其渗透系数为k=1.0×10⁻² cm/s。该填料的其他力学参数通过室内试验获取，具体列于表1。加筋材料采用聚丙烯（PP）单向土工格栅。根据单条拉伸试验结果，该材料在2%应变条件下的抗拉强度为 500 kN/m。GRS桥台的面板系统选用柔性结构，由两种尺寸的预制混凝土板拼接而成，板厚均为20 mm，高度为150 mm，长度分别为100 mm和200 mm。通过错峰拼接的方式，有效提升了面板系统的整体稳定性。

图  2  填料级配曲线

Figure  2.  Baill Particle size gradation curve

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表  1  填料物理力学试验参数

Table  1.  Physical mechanical test parameters of backfill

最大干密度 /（g·cm−3）	最小干密度 /（g·cm−3）	比重	粘聚力 /（kPa）	内摩擦角 /（°）	渗透系数 /（cm·s−1）
1.768	1.373	2.64	0	45	1.0×10−2

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安装在GRS桥台模型顶部的降雨系统由直径20 mm的水管和多个可调节雾化喷头组成，水管连接至压力水源，可实现不同强度的人工降雨。鉴于本次填料具有良好的透水性能，为深入探究极端降雨条件对GRS桥台稳定性的影响，本试验选取郑州“7•20”特大暴雨的峰值降雨强度（约200 mm/h）^[18]，并在正式施加荷载前进行1小时的持续降雨模拟。试验的荷载分为静荷载和动荷载两部分。静荷载用于模拟GRS桥台的上部结构自重，依据工程经验确定其值为300kPa^[19]，对应模型试验为150kPa。动荷载主要源于车辆荷载，依据《城市桥梁设计规范》^[20]，考虑最不利情况下双车道同时承载145 kN的车辆荷载，换算至模型试验，加载板需承载荷载约为17.5 kPa。动荷载采用正弦波形式加载，加载频率为2 Hz，循环次数为5000次。两种荷载的组合方式为先施加静荷载，再在其基础上叠加动荷载。

1.2   数值模拟

本研究采用了土-水-气三相耦合有限元分析程序 DBLEAVES-X 来模拟非饱和土的动力学行为。DBLEAVES-X 是基于原有 DBLEAVES 程序开发的扩展版本，专为解决非饱和土问题设计。该程序通过引入Xiong 等人^[21]提出的非饱和土弹塑性本构模型，结合土水特征曲线（SWCC）对土体有效应力和饱和度的变化进行描述，从而实现了非饱和土在复杂动力条件下的力学行为模拟，有关数值程序的具体说明，可参考文献^[22]。

数值模拟中，GRS桥台模型的尺寸与实际工况保持一致，建立了高度为3 m的有限元计算模型。由于桥台可视为平面应变问题，因此采用二维有限元模型进行分析。模型包括填料单元、边坡单元、面板单元、加载板单元和筋材单元，各单元网格以不同颜色区分，如图3所示。在计算模型中，筋材单元采用梁单元模拟，其余单元均采用实体单元。其中，土体单元共1680个，采用 Cyclic Mobility 本构模型；面板单元52个、边坡单元210个及加载板单元10个，均采用弹性本构模型；筋材单元共450个，采用线弹性本构模型。各单元所对应的参数详见表2。由于GRS复合体中筋材间距较小，筋材与土体协同作用形成整体，因此模型中未设置筋材与土体的界面。

图  3  GRS桥台有限元网格

Figure  3.  FEM model mesh of GRS abutment

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表  2  数值计算中各材料力学参数

Table  2.  Mechanical parameters of materials used in numerical analysis

材料	参数	取值
填料	压缩指数 λ	0.01
	回弹指数 κ	0.001
	泊松比 v	0.3
	临界应力比 M	5.2
	正常固结线上的参考孔隙比 N	0.628
	超固结性参数 m	0.1
	结构性参数 m*	1.5
	各向异性参数 br	1
面板	弹性模量Ef /（kN/m）	2.0×102
	泊松比vf	0.3
边坡	弹性模量Es /（kN/m）	1.6×105
	泊松比vs	0.3
加载板	弹性模量Ep /（kN/m）	9.9×109
	泊松比vp	0.3
筋材	弹性模量Eg/ （kN/m）	500

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位移边界和渗流边界的设置与模型试验保持一致。在位移边界条件中，模型底部完全约束水平和竖直方向的位移，后侧仅约束水平位移。渗流边界条件方面，桥台模型顶部设为雨水入渗边界，用以模拟不同降雨工况。由于桥台采用柔性面板系统，实际工程中面板缝隙具备透水性，因此数值模型左边界（面板）设置为渗流边界（如蓝色线条所示），表示雨水可从该边界自由渗流。底部及右侧边界则设置为不透水边界（如棕色线条所示），表示雨水无法流出。此外，在加载板单元顶部施加与模型试验一致的交通荷载，竖向荷载为35 kPa，采用正弦加载形式（1.4 Hz，5000次循环）。

2.   结果对比验证

图4详细展示了降雨入渗条件下，GRS桥台在交通荷载作用下沿高度方向的水平位移分布情况，其中黑色实线和红色虚线分别表示模型试验与数值模拟的结果。尽管两组结果均显示变形主要集中在桥台的上半部分，但其变形模式仍存在一定差异。模型试验中GRS桥台呈现出鼓胀变形的特征，最大变形出现在距其顶部约三分之一处；而数值模拟结果则表现为倾覆变形，水平位移沿高度方向逐渐增大。这种差异的主要原因是模型试验中顶部面板发生了局部倾覆和分离（见图5），而数值模拟中面板与土体单元保持紧密接触，因此难以还原模型试验结果。尽管如此，两组结果的最大水平位移值接近，均为约3 mm，远低于规范允许的桥台高度2%的限值（本试验中为60 mm）^[14]。

图  4  模型试验与数值模拟水平位移结果对比

Figure  4.  Comparison of horizontal displacement results between model test and numerical simulation

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图  5  桥台顶部面板的局部倾覆（a）和局部分离（b）

Figure  5.  Local overturning (a) and partial separation (b) of the top panel of the abutment

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沿桥台顶部分布的竖向沉降结果如图6所示，数值模拟与模型试验的结果吻合良好，几乎一致。仅在靠近面板的位置处，数值模拟结果略大于模型试验结果，这与水平变形的差异有关，如图4所示。竖向沉降主要集中在加载板正下方，而加载板后方的变形则不显著。两组试验的最大竖向沉降均约为10 mm，远低于规范允许的桥台高度1%的限值（本试验中约为30 mm）^[14]。由此可见，即使在降雨入渗条件下，GRS桥台仍表现出良好的稳定性。

图  6  模型试验与数值模拟顶部沉降结果对比

Figure  6.  Comparison of top settlement results between model tests and numerical simulations

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竖向土压力沿深度方向的分布情况如图7所示，数值模拟与模型试验在分布规律上几乎一致。随着深度增加，由交通荷载引起的竖向土压力增量逐渐减小。尽管数值模拟结果略小于模型试验结果，但误差在可接受的限度之内。

图  7  模型试验与数值模拟土压力分布结果对比

Figure  7.  Comparison of soil pressure distribution results between model test and numerical simulation

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综上所述，数值模拟计算程序DBLEAVES-X能够较为准确地模拟GRS桥台在降雨入渗条件下受交通荷载作用时的变形、沉降及土压力分布。这不仅验证了模拟方法的有效性，也为进一步深入研究提供了可靠依据。

3.   参数分析

3.1   变形分析

为了进一步研究不同降雨强度和填料渗透系数对GRS桥台稳定性的影响，本研究设计并实施了10组数值模拟试验，其具体工况如表3所示。在工况1至工况4中，填料渗透系数设为 1.0×10⁻² cm/s，与模型试验一致。其中，工况1作为基本对照组未考虑降雨情况，其余三组则分别设置了不同的降雨强度，包括 2 mm/h、20 mm/h 和 200 mm/h，对应的降雨时长为100小时、10小时和1小时，以确保总降雨量均为200 mm。三种降雨强度对应于实际情况中的长时间小雨、中等强度降雨和短时间内的极端暴雨。考虑到GRS桥台在长期服役期间，填料可能因颗粒破碎或地表细颗粒随雨水渗入土体内部等因素导致渗透系数逐渐降低，本研究进一步探讨了填料渗透系数分别降低至 1.0×10⁻³ cm/s 和 1.0×10⁻⁴ cm/s 的影响。这些情况对应工况5至工况10，降雨条件与工况2至工况4保持一致，仅调整填料的渗透系数。所有工况均在降雨结束后立即施加交通荷载。

表  3  不同渗透系数与降雨强度组合的数值模拟工况设置

Table  3.  Numerical simulation settings for different combinations of permeability coefficients and rainfall intensities

工况	渗透系数 /（cm/s）	降雨强度 /（mm/h）	降雨时间 /（h）	降雨总量 /（mm）
工况-1	1.0×10−2	0	-	-
工况-2		2	100	200
工况-3		20	10	200
工况-4		200	1	200
工况-5	1.0×10−3	2	100	200
工况-6		20	10	200
工况-7		200	1	200
工况-8	1.0×10−4	2	100	200
工况-9		20	10	200
工况-10		200	1	200

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各工况条件下GRS桥台的水平位移和顶部沉降如图8所示。研究发现，渗透系数和降雨强度的变化对桥台在交通荷载作用下的稳定性影响显著。当填料渗透系数较大（与模型试验中的渗透系数k=1.0×10⁻² cm/s保持一致）时，尽管降雨强度从 2 mm/h 增加至 200 mm/h，对桥台的变形影响几乎可以忽略不计。在此条件下，桥台的水平位移和顶部沉降与未降雨对照组（工况1）的结果基本一致（如图7（a）和（b）所示）。这表明，在高渗透性土体中，降雨对桥台稳定性的影响较小。原因在于高渗透性土体具有良好的排水性能，能够迅速将雨水排出土体，防止孔隙水压力的显著累积。即使在极端降雨强度（200 mm/h）的情况下，内部未形成显著的孔隙水压力，因此桥台变形保持在较低水平。

图  8  不同降雨条件下GRS桥台的水平位移和竖向沉降

Figure  8.  Horizontal displacement and vertical settlement of the GRS abutment under different rainfall conditions

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当填料渗透系数降低至1.0×10⁻³ cm/s时，降雨对GRS桥台变形的影响开始显现。如图7（c）和（d）所示，在2 mm/h和20 mm/h的降雨强度下，桥台的变形差异不大。然而，在 200 mm/h 的极端降雨条件下，桥台的水平位移和顶部沉降显著增加。这表明，在渗透系数较低的情况下，尽管桥台在长时间小雨和中等强度降雨下仍表现出一定稳定性，但在短时间的极端暴雨条件下，其稳定性显著下降。

当填料渗透系数进一步降低至1.0×10⁻⁴ cm/s时，降雨的影响变得更加显著。在 200 mm/h 极端降雨强度下，仅 13分钟后桥台即发生网格破坏，导致计算程序无法收敛，未能输出变形结果。在长时间小雨和中等强度降雨条件下，桥台变形结果也有显著差异，其中GRS桥台在 20 mm/h 的降雨强度下产生的变形显著大于 2 mm/h。这表明在低渗透系数条件下，即使是中等强度的降雨也会对GRS桥台稳定性产生较大影响。

综上所述，渗透系数和降雨强度是影响GRS桥台稳定性的关键因素。在使用高渗透性填料的情况下，GRS桥台排水性能良好，降雨对其稳定性影响较小；随着填料渗透系数的降低，雨水对GRS桥台稳定性的削弱越来越明显，尤其是在较低渗透系数和极端降雨的组合条件下甚至可能导致桥台失稳。因此实际工程中应根据桥台填料的渗透特性和当地降雨条件优化排水设计，以提高GRS桥台的抗雨水冲击能力并确保其长期稳定性。

3.2   孔隙水压力分析

造成上述GRS桥台变形差异的主要原因是降雨引起桥台内部孔隙水压力的变化^[23]。图9展示了在降雨强度为20 mm/h且持续10小时的中等强度降雨条件下，不同渗透系数下的孔隙水压力分布情况。结果表明，随着渗透系数的减小，由降雨引起的孔隙水压力增量显著增加。当渗透系数为1.0×10⁻⁴ cm/s时，最大孔隙水压力达到0.88 kPa。而当渗透系数为1.0×10⁻² cm/s和1.0×10⁻³ cm/s时，孔隙水压力的变化较小，均不超过0.1 kPa，几乎可以忽略。这一结果合理解释了工况9（降雨强度为20 mm/h，渗透系数为1.0×10⁻⁴ cm/s）中GRS桥台变形显著增大的原因。相比之下，在渗透系数为1.0×10⁻² cm/s和1.0×10⁻³ cm/s的情况下，由于孔隙水压力增量较小，桥台变形几乎无显著差异。这进一步表明，在填料渗透性较低的条件下，雨水更容易滞留于桥台内部，导致孔隙水压力迅速升高，从而对桥台稳定性产生更加不利的影响。

图  9  不同渗透系数桥台在20 mm/h降雨条件下的孔隙水压力变化

Figure  9.  Changes in pore water pressure in abutments with different permeability coefficients under 20 mm/h rainfall intensity

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为进一步探讨降雨对GRS桥台稳定性的影响，尤其是极端降雨对低渗透性桥台的潜在危害，图10展示了在200 mm/h极端降雨条件下渗透系数为1.0×10⁻⁴ cm/s的低渗透性桥台内部孔隙水压力随时间的变化规律。结果表明，在降雨强度较大的情况下，孔隙水压力增长速度极快，仅13分钟即达到4.78 kPa，随后即发生破坏。从图10（b）可以看出，由于降雨强度过大，雨水无法及时下渗，主要集中于坡顶区域，这是导致孔隙水压力快速升高的主要原因。GRS桥台在极限状态下的变形结果如图11所示，孔隙水压力的迅速升高引发土体的膨胀变形，尤其是靠近面板顶部区域，水平向外的变形可达44 mm。这种较大的膨胀变形表明土体内部出现拉应力，在拉应力作用下土体极易发生破坏，导致数值计算模型在交通荷载尚未施加前便因网格破坏而破坏。上述结果直接反映了实际工况中桥台因极端降雨导致局部破坏的现象。

图  10  低渗透性GRS桥台在极端降雨条件下孔隙水压力随时间的变化

Figure  10.  Changes in pore water pressure over time in low-permeability GRS abutments under extreme rainfall conditions

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图  11  GRS桥台在极端降雨条件下的变形

Figure  11.  Deformation of the GRS abutment under extreme rainfall conditions

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综合分析表明，降雨强度和填料渗透性能是影响GRS桥台稳定性的关键因素。在工程实践中，应严格按照规范要求选用排水性能良好的填料，同时还要优化桥台排水设计，必要时需采取防护措施以应对极端降雨情况。

4.   结论

（1） DBLEAVES-X所建立的数值计算模型能够较为准确的模拟降雨入渗条件下GRS桥台在交通荷载作用下的力学行为。数值模拟结果与模型试验数据吻合较好，不仅验证了程序在非饱和土力学行为分析中的有效性，也为后续进一步研究提供了可靠的工具与依据。

（2）采用高渗透性填料可显著提升GRS桥台的抗降雨失稳能力。研究表明，当采用渗透系数为1.0×10⁻² cm/s的填料时，即使在200 mm/h极端降雨条件下，GRS桥台仍表现出与未降雨工况相当的稳定性。良好的排水性能使得雨水能够迅速排出，避免孔隙水压力积累，从而有效抑制桥台变形。

（3）孔隙水压力的快速升高是导致低渗透性GRS桥台失稳破坏的关键因素。在渗透性能较低的填料条件下，例如渗透系数为1.0×10⁻³ cm/s或1.0×10⁻⁴ cm/s，200 mm/h的极端降雨会显著增加孔隙水压力，导致桥台水平位移和沉降显著增大，甚至诱发土体膨胀变形，最终导致结构失稳破坏。因此，工程设计中应充分考虑填料的渗透性，优化桥台排水系统，并强化极端降雨条件下的防护措施，以确保GRS桥台的长期稳定性和安全性。