基于Ansys不同飽和度順層土質邊坡穩(wěn)定分析

劉建紅，張 群

（江西水利水電開發(fā)有限公司，南昌330001）

土質邊坡是常見的自然地質環(huán)境之一，其中絕大部分處于非飽和狀態(tài)，特別在我國西部地區(qū)，地質條件復雜，尤其是膨脹土、黃土、殘積土、若紅土等被稱為“特殊土”的土類，對其不同飽和度下邊坡的穩(wěn)定性問題有必要進一步分析討論。

世界上有超過60%的國家都曾經(jīng)或正在遭受這些非飽和土和特殊土所帶來的工程危害，滑坡災害給人類造成的損失不可估量，觸發(fā)滑坡的因素各種各樣，可分為自然因素和人為因素，如表1［1-5］。

表1 觸發(fā)滑坡的主要因素

研究表明，大多數(shù)滑坡災害的發(fā)生均與水有關。由于降雨產(chǎn)生的滲流，增加了土體的滑動力；降雨使土體飽和度提高，基質吸力減少，甚至喪失；降雨強度和降雨歷時對土坡安全穩(wěn)定性有著明顯影響［6］，在長弱降雨狀態(tài)下土體表層不會出現(xiàn)飽和，僅僅表現(xiàn)為表層基質吸力基本喪失；而在短期強降雨狀態(tài)下土體表層飽和，基質吸力全部喪失。因此，對于非飽和土質邊坡的研究具有現(xiàn)實意義［7-10］。

以某順層邊坡為例，采用有限元軟件Ansys模擬計算不同飽和度下邊坡的應力應變分布，擬在掌握不同飽和度下邊坡發(fā)生的位移、應力應變和邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，為類似順層土質邊坡的穩(wěn)定性分析有積極意義。

1 工程概況

某邊坡位于構造剝蝕低山丘陵區(qū)，屬背斜一翼，坡體相對高差54.0m，自然坡度45°，山頂呈渾圓狀，滑體兩側沖溝發(fā)育，溝谷寬緩，長年有水流出，土體受雨水滲流影響大。邊坡土體位于基巖上，基巖上分別有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3種不同的土體，走向基本與坡面平行，對邊坡穩(wěn)定性有不利影響。根據(jù)其幾何特征，選擇典型邊坡斷面進行計算，如圖1。

圖1 邊坡模型及其材料分區(qū)

2 有限元模型建立

采用ANSYS軟件建立順層邊坡模型，針對二維邊坡的應力應變問題，本次建模選擇plane183二維八節(jié)點高階單元，每個節(jié)點具有UX和UY兩個自由度，相比plane42和plane82單元，具有更高的精度。由于坡面附近為邊坡關鍵部位，對坡面土體進行局部網(wǎng)格加密處理，模型共劃分成4908個單元，12270個節(jié)點。邊界條件包括模型底部施加水平和豎直方向約束，左邊界施加水平位移約束，有限元網(wǎng)格模型如圖2。

圖2 邊坡有限元網(wǎng)格模型

3 參數(shù)選取

隨著土體飽和度的增加，空隙水壓力相應增大，有效應力隨之降低，最終導致邊坡土體各項力學參數(shù)均有所降低，參數(shù)變化主要包括土體彈性模量、粘聚力、內摩擦角減小，密度和泊松比增大。根據(jù)相關文獻［11-12］可得到飽和度變化時土體各項力學參數(shù)的變化值，以此來模擬土體飽和度的增加。原始邊坡模型土體材料參數(shù)如表2。

表2 相關土體材料參數(shù)取值

4 計算結果及其分析

4.1 邊坡位移分析

不同飽和度邊坡的位移云圖如圖3。

由圖3可以看出，順層土質邊坡發(fā)生水平方向位移主要集中在邊坡中下部位，且從內到外逐漸增大。隨著邊坡土體飽和度的增加，最大位移也在逐漸增大，如圖3（a）為飽和度30%的水平位移云圖，最大水平位移1.617mm，而當飽和度增加到70%時，水平最大位移1.923mm，當土體飽和時，最大水平位移達到2.135mm。但是隨著邊坡土體飽和度的增加，邊坡發(fā)生最大位移的范圍也不斷減小，圖3（a）中發(fā)生最大位移區(qū)域擴展到中部土層，而飽和時最大位移區(qū)域僅位于最外層土體區(qū)域，如圖3（c）所示。

土體飽和度變化時，邊坡豎直方向位移變化情況如圖4。

由圖4分析可知，飽和度變化對邊坡豎直方向位移影響較小，豎直方向位移受土體自重影響較大，表現(xiàn)為自然沉降。

4.2 邊坡應力分析

為進一步分析土體飽和度對邊坡應力的影響，圖5給出了不同飽和度下邊坡的剪應力分布情況。

圖3 邊坡水平方向位移

圖4 邊坡豎直方向位移

圖5 邊坡剪應力分布

由圖5分析可知，當土體飽和度為30%的時候，中部土層底部出現(xiàn)較大的應力集中現(xiàn)象，最大值為0.85MPa，如圖5（a）；當土體飽和度增加到70%時，如圖5（b），中部土層底部的剪應力區(qū)域與基巖內部貫通，最大值剪應力為0.91MPa，此時邊坡的穩(wěn)定性較低；當土體飽和時，最大值剪應力為0.93MPa。由此可知，隨著土體飽和度的增加，土體內部剪應力逐漸增大，邊坡的穩(wěn)定性逐漸降低。

4.3 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析

表3給出了不同飽和度下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，分析可知，隨著飽和度的增加，穩(wěn)定安全系數(shù)有減小的趨勢。當飽和度小于70%，隨著飽和度增加，安全系數(shù)減小不大；當飽和度大于70%，隨著飽和度增加，邊坡安全系數(shù)大大減小，當土體完全飽和時，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最低，僅為1.16。結果說明，當土體飽和度低于70%時，飽和度大小對邊坡的穩(wěn)定性影響很小，當飽和度大于70%，飽和度大小對邊坡的穩(wěn)定性影響很大。

表3 不同飽和度下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

究其原因，可能是土體隨著飽和度增加，導致土體內部的有效應力逐漸減小，導致土體抗剪強度降（粘聚力和內摩擦角），特別是對于順層邊坡，效果更為顯著。

5 結論與建議

采用大型有限元軟件Ansys對不同飽和度下某順層土質邊坡的位移和應力應變進行數(shù)值計算，得到了邊坡位移、應力應變受飽和度變化的影響情況，結果表明：

（1）隨著土體飽和度的增加，順層土質邊坡水平方向位移逐漸增大，豎直方向位移變化不明顯。

（2）不同飽和度下，土體的剪應力分布不同。隨著土體飽和度的增加，中間土層底部的剪應力較大區(qū)域與基巖內部逐漸形成貫通，土體內部剪應力逐漸增大。

（3）當土體飽和度低于70%時，飽和度大小對邊坡的穩(wěn)定性影響很小，當飽和度大于70%，飽和度大小對邊坡的穩(wěn)定性影響很大。

（4）邊坡失穩(wěn)一般與土體飽和度密切相關，因此，在邊坡施工設計中，建議注重地表水及內滲影響，除了布置必要的邊坡體內排水通道外，還應在其周圍設置必要的截水溝，以有效減少地表水對邊坡的內滲影響。另外，在雨季邊坡施工時應注意雨水的臨時排水處理，從而提高雨季邊坡施工的安全性。

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