基于ABAQUS對(duì)降雨條件下非飽和土坡穩(wěn)定性的研究

崔 亮， 崔可銳

（合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

基于ABAQUS對(duì)降雨條件下非飽和土坡穩(wěn)定性的研究

崔 亮， 崔可銳

（合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

文章以非飽和土力學(xué)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合降雨入滲過(guò)程，采用ABAQUS軟件中流固耦合模型對(duì)降雨條件下土坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：降雨前后邊坡中孔隙水壓力有較大變化，孔隙水壓力的變化會(huì)直接影響土的基質(zhì)吸力，基質(zhì)吸力的下降致使邊坡極易失穩(wěn)；土坡的水平位移、豎直位移、總位移在降雨過(guò)程中也有較大變化；另外，在降雨過(guò)程中出現(xiàn)了逐漸擴(kuò)大并趨于穩(wěn)定的塑性應(yīng)變區(qū)。

ABAQUS軟件；非飽和土坡；邊坡穩(wěn)定性；降雨入滲；孔隙水壓力；基質(zhì)吸力

斜坡失穩(wěn)是常見(jiàn)的自然災(zāi)害。斜坡的失穩(wěn)與降雨有密不可分的聯(lián)系，這是早為人知的事實(shí)，但人們對(duì)其關(guān)系認(rèn)識(shí)和理解還不夠充分。所以，深入研究降雨與土坡的失穩(wěn)規(guī)律對(duì)現(xiàn)實(shí)具有重要的指導(dǎo)意義。

降雨與邊坡的關(guān)系復(fù)雜，受諸多因素的影響，如降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、雨型、前期雨量、邊坡的地形地貌和邊坡的初始條件等等［1－2］。我國(guó)大多數(shù)淺層滑坡都是由于降雨入滲而誘發(fā)的。降雨后雨水入滲使土體飽和度增大，形成暫態(tài)飽和區(qū)，暫態(tài)飽和區(qū)存在暫態(tài)水壓力，由于暫態(tài)飽和區(qū)逐步向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展，影響范圍隨著持續(xù)降雨而逐漸增大，根據(jù)文獻(xiàn)［3］可知，飽和度的增大使得基質(zhì)吸力逐漸降低，與此同時(shí)，孔隙水壓力的升高，導(dǎo)致滑移面土的抗剪強(qiáng)度降低，致使邊坡的穩(wěn)定性降低，而引起土坡的失穩(wěn)［4］。此外，由于降雨而形成的地表徑流，對(duì)坡面造成沖刷，也進(jìn)一步降低了土體的穩(wěn)定性。本文的研究思路是：將土質(zhì)邊坡的降雨入滲簡(jiǎn)化為一維入滲，運(yùn)用土壤水動(dòng)力學(xué)的基本理論，求解定降雨條件下的邊坡穩(wěn)定數(shù)值解，按非飽和土力學(xué)中的公式來(lái)定義基質(zhì)吸力和飽和度的關(guān)系，對(duì)降雨入滲引發(fā)滑坡的物理過(guò)程進(jìn)行研究，并用ABAQUS軟件［5］建立定量的分析模型進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 降雨入滲影響土坡失穩(wěn)的機(jī)理

降雨入滲是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括坡頂入滲、坡面入滲、順裂隙入滲、裂隙向土體滲流和重力條件下土體內(nèi)滲流等多種形態(tài)，但大致可以分為2種類型：①降雨從地表面垂直向下進(jìn)入土壤的垂直入滲；②地表水向周圍土體的側(cè)向入滲。在雨水入滲過(guò)程中，含水率分布剖面可以分為以下4個(gè)區(qū)：表層有一個(gè)淺層的飽和帶，接著是一個(gè)含水率變化較大的過(guò)渡帶，再下面是含水率分布較均勻的傳導(dǎo)層，最后是濕潤(rùn)度隨深度減小的濕潤(rùn)層［6－7］。

對(duì)于非飽和土，降雨入滲實(shí)際上受到供水強(qiáng)度和土壤入滲能力（入滲率）的共同控制。一般情況下，將降雨或者噴灑的強(qiáng)度稱為供水強(qiáng)度，定義為R（t）。在分析中一般認(rèn)為供水強(qiáng)度為一常數(shù)，即R（t）＝R0。在入滲初期（t＜tp′），土壤含水量較低，供水強(qiáng)度小于土壤入滲強(qiáng)度R0，如圖1中ab′所示。

圖1 入滲率曲線與穩(wěn)定供水強(qiáng)度下的入滲過(guò)程

當(dāng)t＝tp′，以后供水強(qiáng)度大于土壤的入滲率，即R0＞i（t），此時(shí)干土積水條件下的入滲率即為i（t），如圖1中b′c′所示，超過(guò)入滲率的供水則形成積水或者地表徑流。一般降雨入滲分為如下2個(gè)階段：① 供水控制階段，主要表現(xiàn)為無(wú)壓入滲或者自由入滲；② 入滲能力控制階段，主要表現(xiàn)為積水或者有壓入滲。2個(gè)階段曲線的交點(diǎn)被稱為積水點(diǎn)，如圖1所示。但是，在降雨條件或者噴灑條件下，tp′以前時(shí)段未達(dá)到積水入滲條件，因此tp′以后時(shí)段的入滲率不是i（t），入滲曲線不是b′c′，而是bc，即積水點(diǎn)后移至b，所以，降雨過(guò)程中實(shí)際入滲的過(guò)程線為曲線abc。

某土坡坡面如圖2所示，坡面的外法線方向?yàn)閚（nx，ny，nz），發(fā)生強(qiáng)度為R（t）的豎直降雨，降雨在坡面法線方向的分量為：

圖2 邊坡降雨示意圖

根據(jù)Darcy定律得到坡面的各個(gè)方向的最大入滲能力為

其中，hw為壓力水頭（對(duì)于非飽和土石為基質(zhì)勢(shì)）；z為坐標(biāo)取向向上為正。

將其轉(zhuǎn)化為法線方向的入滲率為：

對(duì)于邊坡而言，實(shí)際入滲流量qs（t），且垂直于坡面方向，根據(jù)前面分析，可以得到降雨強(qiáng)度與實(shí)際入滲量的關(guān)系為：

當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土坡土體入滲率時(shí)，降雨很容易滲流到土體飽和區(qū)，直接補(bǔ)給地下水，而淺部土體難以達(dá)到較高的飽和度，土坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土坡土體的入滲率時(shí)，隨著降雨，雨水滲入邊坡表層土體，使得邊坡非飽和區(qū)上部土體的含水量逐漸增大，基質(zhì)吸力逐漸降低，邊坡內(nèi)出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，暫態(tài)飽和區(qū)逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，邊坡坡面上出現(xiàn)正的水壓力，影響邊坡的穩(wěn)定［8－10］。

2 ABAQUS有限元模擬

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬有限元軟件，解決從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到復(fù)雜的非線性問(wèn)題。

ABAQUS包括一個(gè)豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫(kù)。擁有各種類型的材料模型庫(kù)，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料，這使得ABAQUS軟件處理巖土力學(xué)中復(fù)雜的非線性問(wèn)題有了明顯的優(yōu)勢(shì)。本文采用軟件內(nèi)的流固耦合模型進(jìn)行研究。

2.1 數(shù)值模擬的假設(shè)

在進(jìn)行數(shù)值模擬過(guò)程中做了如下假設(shè)：

（1）主要研究在降雨條件下的土坡穩(wěn)定性問(wèn)題，為了方便計(jì)算，將邊坡幾何模型簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題。

（2）進(jìn)行建模時(shí)考慮的是一個(gè)較為理想的土坡，初始水位位于坡腳處。降雨入滲的邊界條件為：所有雨水全部入滲，土壤允許入滲容量隨著入滲深度的增加而減小，但此時(shí)降雨強(qiáng)度還未達(dá)到土壤允許入滲的容量，即坡面為流量邊界。

2.2 算例分析

（1）邊坡模型。本算例中土坡為均質(zhì)硬塑粉質(zhì)黏土，為保證算例的真實(shí)性，算例中土質(zhì)參數(shù)和坡形參數(shù)均來(lái)自文獻(xiàn)［11－12］，坡形如圖3所示，土質(zhì)參數(shù)如表1所列。

圖3 土坡示意圖

表1 邊坡土質(zhì)物理參數(shù)

算例中粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系為：

其中，Kws是土體飽和時(shí)的滲透系數(shù)，取5.0×10－6m／s；ua為大氣壓力，由于坡面與大氣接觸，故簡(jiǎn)單地取為0；aw、bw和cw為粉質(zhì)黏土的材料系數(shù)，分別取為1 000、0.01、1.7。通過(guò)此式得出如下的曲線和數(shù)據(jù)表，如圖4所示，見(jiàn)表2所列。

圖4 計(jì)算中采用的滲透系數(shù)隨飽和度的變化曲線

表2 孔隙壓力、滲透系數(shù)的折減系數(shù)與飽和度的關(guān)系

算例中粉質(zhì)黏土飽和度與基質(zhì)吸力關(guān)系為：Sr＝Si＋ （Sn－Si）as／［as＋ （bs（ua－uw））cv］，其中，Sr為飽和度；Si為殘余飽和度，本算例中取0.08；Sa為最大飽和度，取為1；as、bs和cs為粉質(zhì)黏土的材料系數(shù)，分別取為1，5.0×10－5，3.5。通過(guò)此式得出吸濕曲線和數(shù)據(jù)表，如圖5所示，見(jiàn)表2所列。

圖5 計(jì)算中采用的吸濕曲線

（2）降雨模型。坡面為流量邊界，在整個(gè)分析區(qū)域頂面受到降雨作用，入滲強(qiáng)度為20mm／h，持續(xù)時(shí)間為66h。降雨過(guò)程如圖6所示。

圖6 計(jì)算中采用的降雨過(guò)程示意圖

（3）計(jì)算結(jié)果及分析。模型的邊界條件為：底部約束水平和垂直位移；兩側(cè)約束水平位移；左右兩側(cè)設(shè)置隨深度線性增加的靜水孔壓邊界條件（10×（10－Y）），其余邊界設(shè)置為不排水邊界。采用Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則，用具有孔壓自由度得平面應(yīng)變4節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共劃分得268個(gè)單元，304個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 邊坡網(wǎng)格劃分圖

為使結(jié)果清晰，本算例結(jié)果均放大500倍。

土坡中的孔隙水壓力如圖8所示。

圖8 降雨過(guò)程中土坡的孔壓分布

降雨30.75、72h后土坡的位移如圖9所示。

圖9 降雨過(guò)程中土坡的位移

土坡的塑性應(yīng)變?nèi)鐖D10所示。

圖10 降雨過(guò)程中邊坡的等效塑性應(yīng)變

通過(guò)上述計(jì)算，可以得出如下結(jié)論：

（1）從圖8可以看出，考慮降雨入滲后的孔隙水壓力分布云圖與初始狀態(tài)有明顯的區(qū)別，邊坡頂部和邊坡坡面以下一定范圍內(nèi)孔隙水壓力升高，基質(zhì)吸力降低，在降雨過(guò)程中邊坡內(nèi)部未達(dá)到飽和，仍有負(fù)壓力區(qū)。在降雨減小至停止后，邊坡從坡頂開(kāi)始飽和度逐漸減小，孔隙水壓力減小，淺層基質(zhì)吸力開(kāi)始增大，并向內(nèi)部擴(kuò)散。

（2）從圖9可以看出，在降雨初始階段，坡肩位移較大，而坡腳處位移比較?。贿吰马敳糠炊霈F(xiàn)一定的膨脹，這主要是因?yàn)榻涤陮?dǎo)致邊坡飽和度增大，吸力降低，有效應(yīng)力減小，出現(xiàn)卸荷回彈現(xiàn)象。隨著降雨的減小至停止，坡肩位移變小，坡頂?shù)呐蛎浵В畲笪灰瞥霈F(xiàn)在坡腳處。這可以解釋邊坡滑坡一般首先是在坡肩出現(xiàn)裂隙，然后在坡腳處發(fā)生滑移的現(xiàn)象。

（3）從圖10可以看出，在降雨開(kāi)始后30.75h，邊坡坡腳處出現(xiàn)塑性區(qū)域，隨著降雨的進(jìn)行，塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，在降雨結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)塑性區(qū)域達(dá)到穩(wěn)定，不再繼續(xù)擴(kuò)展，說(shuō)明邊坡未發(fā)生滑移，逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)ABAQUS有限元軟件對(duì)一維降雨條件下的非飽和土坡孔隙水壓力、邊坡位移、塑性應(yīng)變區(qū)的發(fā)生及發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了探討，由算例的計(jì)算結(jié)果可知，用ABAQUS有限元軟件對(duì)一維降雨條件下的非飽和土坡進(jìn)行模擬是可行的，對(duì)研究非飽和邊坡的穩(wěn)定性有一定的借鑒意義。

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Stability studies of unsaturated soil slope under rainfall conditions based on ABAQUS

CUI Liang， CUI Ke－rui
（School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Based on the unsaturated soil mechanics theory，considering the rainfall infiltration process，using the ABAQUS software mid－stream solid coupling model，the soil slope stability under rainfall conditions is simulated.The simulation results show that the pore water pressure in the slope before and after rainfall has marked changes and directly affects the soil matric suction，resulting in the easy instability of the slope caused by the decline of the matric suction.The horizontal displacement，vertical displacement and total displacement of soil slope also have great changes during the rainfall.And the plastic strain zone appears in the slope during the rainfall and the zone expands gradually until it is stable.

ABAQUS software；unsaturated soil slope；slope stability；rainfall infiltration；pore water pressure；matric suction

U416.14

A

1003－5060（2012）11－1560－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.028

2012－03－22；

2012－05－07

崔 亮（1986－），男，河北衡水人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

崔可銳（1956－），男，安徽蕪湖人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 張 镅）