降雨條件下膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析

龔 子 橋

(桂林市象山建筑安裝公司，廣西 桂林 541002)

降雨條件下膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析

龔 子 橋

(桂林市象山建筑安裝公司，廣西 桂林 541002)

應(yīng)用濕度應(yīng)力場理論，采用ANSYS軟件的熱—力耦合計算方式，模擬了降雨入滲下邊坡土體產(chǎn)生的膨脹效應(yīng)，并建立了邊坡穩(wěn)定性分析方法，分析了降雨條件下膨脹土邊坡的變形破壞規(guī)律，為膨脹土邊坡處治提供了理論依據(jù)。

膨脹土，膨脹效應(yīng)，濕度應(yīng)力場，有限元強度折減法

0 引言

膨脹土主要是由強親水性粘土礦物成分——蒙脫石和伊利石組成的，具有膨脹結(jié)構(gòu)，以及多裂隙性、強脹縮性和強度衰減性的高塑性粘土[1]，其不良的工程性質(zhì)往往導(dǎo)致多種工程病害，其中以邊坡失穩(wěn)最為嚴重。降雨入滲是膨脹土邊坡失穩(wěn)的重要誘因之一，雨水入滲不僅降低了土體的強度，同時使土體膨脹，產(chǎn)生膨脹效應(yīng)，建立合理的邊坡穩(wěn)定分析方法是處治降雨條件下膨脹土邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵。而傳統(tǒng)的計算方法難以考慮邊坡土體的膨脹效應(yīng)。本文基于濕度應(yīng)力場理論，根據(jù)熱膨脹與濕度膨脹的相似性原理，采用ANSYS軟件的熱—力耦合計算方式，模擬了降雨入滲下邊坡土體的膨脹效應(yīng)，分析了膨脹土邊坡失穩(wěn)破壞規(guī)律。

1 基本理論

1.1 濕度應(yīng)力場基本原理

目前，基于非飽和土理論的滲流以及水力耦合分析針對膨脹土膨脹變形研究雖已取得了一定進展[2-7]，但由于吸力的量測、非飽和土本構(gòu)參數(shù)的獲取困難等使得數(shù)值計算還不易實現(xiàn)，需尋求合理且方便的數(shù)值分析方法。中國礦業(yè)大學(xué)的繆協(xié)興[8]提出了濕度應(yīng)力場理論：

1)水分在膨脹巖土中的滲透與擴散作用導(dǎo)致一定范圍的濕度場變化與物體在熱源作用下的溫度傳導(dǎo)與擴散導(dǎo)致的溫度場變化類似。

2)膨脹巖吸水后體積膨脹和巖性軟化，類似于材料的溫度效應(yīng)，因此可以利用溫度應(yīng)力場的計算方法模擬計算膨脹巖土由于濕度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力場。

這也就提供了一條模擬降雨入滲和膨脹效應(yīng)更為方便的途徑。

1.2 基本公式

1)滲流與熱傳導(dǎo)微分方程的相似性。

滲流微分方程為：

(1)

熱傳導(dǎo)微分方程為：

(2)

分析以上公式可知，兩式具有高度的相似性，形式完全一樣，其中滲透系數(shù)k與熱傳導(dǎo)系數(shù)λ相對應(yīng)。

2)濕度應(yīng)力與溫度應(yīng)力的相似性。

熱膨脹方程為：

ε=αΔT

(3)

濕度膨脹方程為：

ε=βW

(4)

以上兩膨脹方程形式也一樣。

這樣就可以應(yīng)用現(xiàn)有通用有限元分析軟件，利用其熱—力耦合計算模式來分析降雨條件下膨脹土邊坡的變形破壞。本文采用ANSYS10.0的熱—力耦合計算模式，土體含水率W用溫度T表示，滲透系數(shù)kw用熱傳導(dǎo)系數(shù)λ表示，濕度膨脹系數(shù)β用溫度膨脹系數(shù)α表示，這樣也就可以利用ANSYS的熱傳導(dǎo)來模擬滲流，熱膨脹效應(yīng)來模擬濕度膨脹效應(yīng)，并采用熱—力耦合計算方式以熱荷載的形式將膨脹效應(yīng)的模擬引入邊坡穩(wěn)定分析之中。

2 算例

本文算例根據(jù)文獻[10]推薦建立分析模型(見圖1)。邊坡高10 m，坡比1∶1.5，右端坡頂寬30 m，左端底部寬15 m；模型材料組成分別為寧明灰白膨脹土和灰黑膨脹土。坡頂以下4 m為灰白膨脹土，再下為灰黑膨脹土；并在路基面以下4 m設(shè)一道水平飽和含水面，滲透計算時設(shè)為不透水面，同時模型兩端水平固支，亦為不透水界面。假定降雨后坡表面為飽和狀態(tài)；考慮降水48 h。模型計算參數(shù)見表1。

表1 模型計算參數(shù)

采用ANSYS軟件中的熱—力耦合法進行計算，土體單元選用Pine84，采用理想彈塑性本構(gòu)模型和DP準則，有限元計算參數(shù)見表2。

表2 有限元計算參數(shù)

3 降雨條件下邊坡變形計算與分析

3.1 濕度場計算

以ANSYS熱傳導(dǎo)的方式模擬邊坡降雨入滲過程，考慮當?shù)貙嶋H氣候條件，坡表、坡頂及路基頂面初始含水量定為23%，飽和含水面的含水量為32%，以穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果為邊坡初始濕度場見圖2，48 h后的瞬態(tài)計算結(jié)果見圖3。

3.2 邊坡變形計算及分析

以熱—力耦合的計算模式分析邊坡的變形破壞，具體作法是將濕度場(ANSYS計算得到的溫度場)的計算結(jié)果以荷載的形式引入，然后進行力學(xué)計算。將初始濕度場和48 h后的濕度場分別代入，然后用48 h濕度場的計算結(jié)果減去初始濕度場的計算結(jié)果就得到了由于雨水入滲48 h后的邊坡變形結(jié)果，見圖4～圖7。

1)有限元計算結(jié)果。由圖4～圖7可知降雨后的膨脹土淺層坡體將產(chǎn)生膨脹變形，出現(xiàn)拉應(yīng)力且塑性區(qū)也集中在這一區(qū)域。說明降雨后膨脹土邊坡將發(fā)生淺層滑塌破壞，這與寧明當?shù)氐倪吰缕茐膶嶋H情況較為吻合。計算結(jié)果也反映出膨脹土邊坡有別于一般黏土邊坡圓弧形滑面的特有的淺層變形破壞的特征。

2)安全系數(shù)。采用有限元強度折減法計算不同條件下的膨脹土邊坡安全系數(shù)，見表3～表5。

表3 邊坡坡度與安全系數(shù)的關(guān)系

表4 邊坡高度與安全系數(shù)的關(guān)系

表5 膨脹力與安全系數(shù)的關(guān)系

通過計算分析可知：

1)分析表3，表4可知，膨脹土邊坡的安全系數(shù)普遍較低，僅當坡高為6 m，坡比為1∶1.5時安全系數(shù)比較大；同時邊坡坡度的改變對安全系數(shù)的影響不大。

2)由表5可知，降雨入滲后產(chǎn)生的膨脹力對邊坡穩(wěn)定的影響顯著。當坡體的膨脹力減小為原來的50%時，1∶1.5的邊坡就可以穩(wěn)定(K=1.33>1.25)。

4 結(jié)語

1)本文應(yīng)用濕度應(yīng)力場理論，根據(jù)濕度應(yīng)力與溫度應(yīng)力的相似性，采用ANSYS的熱—力耦合計算模式，將膨脹力引入了邊坡穩(wěn)定計算當中，分析了邊坡的膨脹效應(yīng)以及變形破壞規(guī)律，計算了邊坡安全系數(shù)與坡高、坡度和膨脹力的關(guān)系，結(jié)果與工程實際較吻合。

2)降雨入滲導(dǎo)致土體膨脹是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的重要因素之一，采取“封閉防滲”的處治方法，阻止雨水的進入能有效的提高膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。

[1] 廖世文.膨脹土與鐵路工程[M].北京：中國鐵道出版社，1984：40-44.

[2] Fredlund D G, Xing A, Hang S. Predicting the permeability function for unsaturated soils using the soil-water characteristic curve[J].Can Geotechnique Journal，1994(31):533-546.

[3] Sillers W S, Fredlund D G. Mathematical attributes of some soil water characteristic curve models[J].Geotechnical and Geological Engineering,2001(19):243-283.

[4] Van Genuchten M Th. A closed form equation predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J].Soil Science Society of America Journal,1980(44):892-898.

[5] 包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩(wěn)定性問題[J].巖土工程學(xué)報，2004，26(1):1-15.

[6] 盧再華,陳正漢,方祥位,等.非飽和膨脹土的結(jié)構(gòu)損傷模型及其在土坡多場耦合分析中的應(yīng)用[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué),2006(7):781-788.

[7] 吳珺華,袁俊平,盧廷浩.非飽和膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué),2008(S1):363-367.

[8] 繆協(xié)興,楊成永,陳至達.膨脹巖體中的濕度應(yīng)力場理論[J].巖土力學(xué),1993(4):49-55.

[9] 鄭穎人,張玉芳,趙尚毅,等.有限元強度折減法在元磨高速公路高邊坡工程中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005(21):14-19.

[10] 鄭穎人,趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004(19):3381-3388.

Stability analysis for expansive soil slope under the condition of rainfall

Gong Ziqiao

(GuilinXiangshanConstructionandInstallationCompany,Guilin541002,China)

Based on humidity stress field theory, the paper uses of the coupled thermal-stress function of ANSYS finite element to imitate the rainfall seepage and expansive force of slope, establishes the slope stability analysis method, analyze the deformation and failure law of expansive soil slope under the condition of rainfall, and have provided a theoretical basis for treatment for the expansive soil slope.

expansive soil, expansive force, humidity stress, shear strength reduction method with FEM

2015-01-05

龔子橋(1969- )，男，工程師

1009-6825(2015)08-0103-03

TU443

A