應(yīng)用ABAQUS模擬邊坡降雨入滲的評價(jià)性分析

章正 張本卓

中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，武漢 430080

應(yīng)用ABAQUS模擬邊坡降雨入滲的評價(jià)性分析

章正 張本卓

中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，武漢 430080

運(yùn)用非飽和土降雨入滲基本理論，介紹說明了邊坡降雨入滲過程，降雨入滲的邊界條件在降雨入滲過程、行為中起本質(zhì)作用，其也是邊坡降雨入滲的關(guān)鍵控制條件，而ABAQUS對土質(zhì)邊坡降雨入滲的模擬，在現(xiàn)行ABAQUS教學(xué)資料及科研運(yùn)用中，普遍應(yīng)用第一類邊界條件，即q

ABAQUS；降雨入滲；邊界條件；邊坡

引言

ABAQUS是國際上功能最強(qiáng)的大型通用的有限元模擬軟件之一，擁有能夠真實(shí)反映土體性狀的本構(gòu)模型，能夠進(jìn)行有效應(yīng)力和孔壓的計(jì)算，具有強(qiáng)大的接觸面處理功能來模擬土與結(jié)構(gòu)之間的脫開、滑移等現(xiàn)象，具備處理填土或開挖等巖土工程中的特定問題的能力，可以靈活、準(zhǔn)確地建立初始應(yīng)力狀態(tài)，對巖土工程有很強(qiáng)的適用性。本文對其在邊坡降雨入滲問題的應(yīng)用進(jìn)行分析評述。

邊坡降雨入滲是非飽和土力學(xué)重要研究內(nèi)容之一，許多非飽和土問題都與流量邊界條件下非飽和土體中的暫態(tài)流有關(guān)，滲流場的變化引起孔隙水壓力變化和強(qiáng)度變化，因此，對非飽和滲流進(jìn)行系統(tǒng)的研究無論在理論上還是在工程應(yīng)用中，都具有十分重要的意義。

1 非飽和土降雨入滲基本理論

由非飽和土力學(xué)理論可知，在降雨條件下的邊坡非飽和滲流場變化情況[1]：隨著雨水入滲邊坡，非飽和區(qū)上部的含水率逐漸增大，基質(zhì)吸力逐漸降低?；|(zhì)吸力產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度包括在非飽和土體的凝聚力里。依據(jù)非飽和土延伸的Mohr—Coulomb抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則，構(gòu)成邊坡的土體抗剪強(qiáng)度也隨之降低，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性可能顯著降低。同時(shí)，邊坡非飽和區(qū)首先從飽和區(qū)逸出點(diǎn)以上附近即坡頂開始飽和，邊坡表面開始出現(xiàn)飽和區(qū)，再向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展，影響范圍逐漸變大，出現(xiàn)的這類飽和區(qū)稱為暫態(tài)飽和區(qū)；隨著降雨不斷地入滲，邊坡坡面上出現(xiàn)正的水壓力，即為通常所說的暫態(tài)水壓力，對邊坡穩(wěn)定性也有一定程度的影響。

降雨影響邊坡的穩(wěn)定性，誘發(fā)滑坡的主要作用機(jī)理是[2]：降雨時(shí)，雨水滲透到土體表層中，使得邊坡非飽和帶土體的基質(zhì)吸力不斷地降低，產(chǎn)生了暫態(tài)飽和區(qū)，而基質(zhì)吸力的降低，使得邊坡非飽和帶土體的抗剪強(qiáng)度下降，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性降低。所以當(dāng)降雨歷時(shí)和強(qiáng)度超過一定的極限限度時(shí)，邊坡則會(huì)失穩(wěn)，產(chǎn)生滑坡。

2 邊坡降雨入滲過程

降雨滲入邊坡巖土體，到達(dá)潛水面經(jīng)歷了一個(gè)非飽和—飽和滲流過程。滲在水文學(xué)中，霍頓表明當(dāng)降雨達(dá)到地表后，向地表土壤中的入滲率隨時(shí)間而減小[3,4]。對于任何給定的土壤，都有一個(gè)極限曲線，它決定相對于時(shí)間的滲入的最大可能流量。對于大雨來說，其真實(shí)的滲入作用將按這個(gè)極限曲線進(jìn)行。這個(gè)曲線稱為土壤的“滲入能力”，這個(gè)能力在降雨開始之后隨時(shí)間而降低，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定入滲率。在降雨事件期間的任何時(shí)間，降雨強(qiáng)度超過了滲入能力，超過的水將儲(chǔ)留在地表面上，形成地表積水產(chǎn)生地表徑流。

3 降雨入滲的邊界條件

由于降雨入滲的過程十分的復(fù)雜，Mein和Larson[5]（1973年）采用降雨強(qiáng)度q、土壤允許入滲的容量fp、土壤飽和時(shí)的水力傳導(dǎo)系數(shù)Kws這3個(gè)因子描述降雨入滲的過程與行為：

(1) q

(2) fp>q>Kws：所有的雨水全部入滲，fp隨著入滲深度的增加而變小，但此時(shí)降雨強(qiáng)度還未達(dá)到土壤允許入滲的容量，故入滲率并不會(huì)降低，且入滲率很高。此時(shí)坡面為流量邊界；

(3) q>fp：由于降雨強(qiáng)度大于土壤的入滲容量，故部分降雨并不入滲，形成地表徑流，此時(shí)坡面的土體基本上處于飽和狀態(tài)。而入滲率在降雨達(dá)到入滲容量后，將逐步下降。

4 ABAQUS對邊坡降雨入滲模擬的計(jì)算原理

在飽和土壤中，引起水分轉(zhuǎn)移的力是重力和水的壓力。在非飽和土中，支配著土壤水在液態(tài)下整體轉(zhuǎn)移的是重力和水的表面張力。Richards等曾在1931年就證明非飽和土中的滲流與飽和土一樣符合達(dá)西定律和連續(xù)方程[6]。若將達(dá)西定律代入連續(xù)方程（忽略滲透過程中總應(yīng)力的改變和土顆粒骨架的變形）并以總水頭h作為未知量，當(dāng)滲透的主方向與坐標(biāo)軸一致時(shí)，非飽和土滲流的二維微分方程就可表示為：

若mw為土水特征曲線斜率， 則：

式（1）就可以寫為：

因?yàn)閥為常數(shù)，式（2）可簡化為：

從式（3）也可以看出，非飽和土中的滲透系數(shù)不再是常數(shù)，而是含水量的一個(gè)函數(shù)，此函數(shù)被稱為非飽和土的滲透系數(shù)函數(shù)。因此，要進(jìn)行非穩(wěn)定滲流分析，需具備以下基本條件：（1）材料的滲透系數(shù)函數(shù)，包括負(fù)孔壓區(qū)的滲透系數(shù)函數(shù)；（2）庫水位下降速度；（3）確定邊界條件。當(dāng)上述條件已知時(shí)，就可以對式（3）進(jìn)行求解，從而得到飽和－非飽和土的非穩(wěn)定滲流場。

由以上分析得知，在運(yùn)用ABAQUS對邊坡降雨入滲模擬分析時(shí)，邊界條件的確定及輸入成為關(guān)鍵問題，在現(xiàn)行ABAQUS教學(xué)資料[7]及科研運(yùn)用[8]中，普遍應(yīng)用第一類邊界條件，即q

5 結(jié)論

綜上所述，ABAQUS在模擬邊坡降雨入滲問題時(shí)，對于從本質(zhì)上反應(yīng)降雨入滲過程與行為的降雨入滲邊界條件還未有就為科學(xué)、全面的處理方法，所模擬的情況還很單一，即q

[1]Terzaghi. K. Theoretical Soil Mechanics. John Wiley. NewYork. 1943,55～78

[2]Bishop A W and Blight G E. Factor Controlling the Shear Strength of Partly Saturated Cohesive Soils.In ASCE Research Conference on the Shear Strength of Cohensive Soils. Univ. of Colorado.Geotechnique. 1960, 503～532

[3]Bishop A W and Blight G E. Some Aspects of Effective Stress in Saturated and Partly Saturated Soils. Geotechnique. 1963, 13(3): 177～197

[4]盧應(yīng)發(fā), 陳高峰, 羅先啟, 崔玉軍. 土—水特征曲線及其相關(guān)性研究. 巖土力學(xué)，2008,29(9): 248l～2486

[5]Mein R G, Larson C L. Modelling infiltration during a steady rain[J]. Water Resource Research,1973, 9(2): 384～393

[6]莊茁, 張帆. ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例.科學(xué)出版社

[7]費(fèi)康, 張建偉. ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用. 中國水利水電出版社

[8]林嵩, 李俊杰.降雨入滲過程中土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析. 中國科技在線

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.038