強降雨作用下軟弱夾下臥層邊坡穩(wěn)定分析

王 立 剛

(中鐵二十四局集團軌道交通分公司，上海 200070)

強降雨作用下軟弱夾下臥層邊坡穩(wěn)定分析

王 立 剛

(中鐵二十四局集團軌道交通分公司，上海 200070)

采用大型非線性有限元軟件ABAQUS，基于飽和—非飽和滲流理論，建立了強降雨條件下非飽和夾軟弱土層土坡穩(wěn)定性分析有限元模型，并結(jié)合實例，研究了雨水入滲的瞬態(tài)滲流對應力與位移的影響，并分析了邊坡的穩(wěn)定性，可以為強降雨條件下夾軟弱土層邊坡穩(wěn)定性評價及工程預防提供參考。

軟弱土層，邊坡，強降雨，穩(wěn)定性

0 引言

軟土在我國分布很廣，具有抗剪強度低、孔隙比大、滲透系數(shù)很小以及壓縮性高等特點，特別是在我國東南沿海一帶，加之特大暴雨、強臺風等極端天氣頻繁，各種滑坡災害屢見不鮮，從而促使國內(nèi)外很多專家學者對強降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析和安全性評價進行了研究[1-10]。降雨入滲是引發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞的主要因素，沈水進等[11-13]對雨水沖刷—滲透過程對非飽和邊坡作用機制做了進一步探究，并建立了降雨入滲物理模型試驗；對于非飽和軟土滲流問題中的材料模型，王立忠等[14]在室內(nèi)試驗基礎(chǔ)上得到了結(jié)構(gòu)性軟土切線泊松比的計算式，初步解決了在應用非線彈性模型時的泊松比取值問題，呂衛(wèi)清等[15]從固結(jié)系數(shù)定義出發(fā)，利用試驗數(shù)據(jù)提出了滲透系數(shù)與固結(jié)應力關(guān)系式；在數(shù)值模擬分析方面，毛暢熙等[16]基于飽和—非飽和滲流理論，采用極限平衡和強度折減有限元方法探討了降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響。然而，實際工程中的邊坡不同于自然邊坡，不僅常年暴露于自然環(huán)境中，承受自然條件和人類活動的影響，而且其經(jīng)過多層壓實，邊坡失穩(wěn)原因極其復雜，對于下夾軟弱土層邊坡更是如此。目前針對夾軟弱土層邊坡穩(wěn)定性分析的文獻還較少，如何綜合考慮含有兩種材料參數(shù)建立模型，以及土體含水量增加和抗剪強度減弱對邊坡穩(wěn)定性的影響是本文的研究重點。

降雨入滲是一種典型的非飽和流固耦合現(xiàn)象，因此本文基于飽和—非飽和滲流理論，采用彈塑性有限元模型，并考慮降雨入滲過程中含水量增加、強度軟化和滲透力增大等因素的影響，建立強降雨作用下夾軟弱土層邊坡有限元模型。結(jié)合經(jīng)典實例，考慮滲流場和應力場之間的耦合作用對土坡進行穩(wěn)定性分析，驗證所建模型的可靠性，以期為強降雨條件下夾軟弱層土邊坡穩(wěn)定分析和采取工程預警措施提供設(shè)計理論基礎(chǔ)。

1 降雨入滲非飽和土坡模型建立

1.1 滲流基本方程

非飽和非穩(wěn)定滲流土坡穩(wěn)定性分析關(guān)鍵是土坡內(nèi)非穩(wěn)定滲流場的計算，考慮一個非飽和土體單元，基于非飽和土Darcy定律和質(zhì)量守恒原理，得到飽和—非飽和滲流基本方程[3]為：

(1)

其中，n為孔隙率；Sr為飽和度；ευ為土骨架體應變；kwij為滲透系數(shù)；ρw為水密度；uw,j為孔壓；bj為單位體積力。

(2)

(3)

對式(3)采用伽遼金加權(quán)余量法求解可得到有限元方程。

1.2 入滲邊界條件

降雨入滲過程十分復雜，入滲量與降雨強度q、土壤允許入滲的容量fp、土壤飽和時水力傳導系數(shù)kws以及降雨持續(xù)時間等因素有關(guān)。可采用Mein-Larson模型考慮降雨入滲邊界條件：

1)q

2)fp>q>kws：降雨全部入滲，但降雨量還未達到fp，且fp逐漸降低；

3)q>fp：部分降雨不入滲，形成地表徑流，坡面土體基本處于飽和。

本文采用第2)種情況。

1.3 非飽和滲流水力特性

非飽和非穩(wěn)定滲流水力特性很難通過理論方法求出，目前主要通過試驗手段來確定。常用模型很多，本文采用1977年弗雷德隆提出的Van Genuchten[17]模型：

1.4 飽和—非飽和滲流有限元解法

假設(shè)單元體基函數(shù)Ni由M個結(jié)點坐標構(gòu)成，則單元體內(nèi)任意一點水頭函數(shù)為：

(4)

根據(jù)有限元和變分原理，滲流有限元計算式可表示成：

[H]{h}={F}

(5)

其中，[H]為滲流矩陣；{h}為結(jié)點水頭矩陣；{F}為結(jié)點流量矩陣。

根據(jù)邊界條件，結(jié)合式(4)和式(5)可求得各結(jié)點水頭值，從而完成整個滲流場的求解。

2 算例及分析

2.1 計算模型與參數(shù)

為了研究非飽和非穩(wěn)定滲流對夾軟弱土層邊坡穩(wěn)定性的影響，引用費康等[18]給出的如圖1所示的夾軟弱土層土坡作為算例。該土坡坡高10 m，基地厚3 m，坡角β=45°，軟弱土層如圖1中所示，初始水位位于坡腳水平面。采用四節(jié)點平面應變雙線性孔壓四邊形單元劃分計算網(wǎng)格見圖2，底部水平邊界約束水平、豎向位移，左右兩側(cè)豎向邊界約束水平位移，共883個節(jié)點，791個單元。采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，平均降雨強度設(shè)為18 mm/h，計算連續(xù)降雨96 h后邊坡在任意時刻任意結(jié)點應力、位移以及瞬態(tài)滲流場，計算參數(shù)見表1，降雨強度隨時間變化幅值見表2。

材料名稱彈性模量MPa泊松比干密度kg/m3粘聚力kPa摩擦角(°)飽和滲透系數(shù)mm/h坡體100．31300203018軟土5．70．457507．219．10．019

表2 時間和幅值大小關(guān)系

2.2 邊坡降雨入滲分析

初始水頭邊界設(shè)為坡腳水平面處，孔壓等值線分布云圖見圖3。降雨24 h，48 h，72 h和96 h后的降雨入滲后的孔壓分布圖與初始狀態(tài)差別很大，隨著降雨時間增加，邊坡上部土層含水量上升，基質(zhì)吸力有所減小。若將孔壓等于零處在云圖中顯示出來，還可清晰地看到任意時刻浸潤面的位置，從而判斷水流入滲情況。在到72 h降雨減小或停止后，孔隙水壓力也將有所減小，飽和度減小，土體淺層基質(zhì)吸力逐漸增加。

2.3 邊坡降雨穩(wěn)定性分析

在降雨入滲分析之前，需要知道初始應力、初始飽和度等初始條件。本文首先采用線彈性模型進行了一個靜水位分析，得到了一系列初始狀態(tài)，其中，初始豎向有效應力分布如圖4所示。由圖4可見，在土坡頂部豎向有效應力不為零，這是因為在ABAQUS中，有效應力：

σ′=σ-(χuw+(1-χ)ua)。

該式反映了基質(zhì)吸力的影響，將χ取為飽和度Sr,ua取為0，則σ′=σ-Sruw。

降雨24 h，48 h，72 h和96 h后的有效應力：土坡體中豎向有效應力成層分布，且隨深度逐漸增加。在到72 h降雨強度未減弱之前，有效應力隨時間增加逐漸減小，72 h之后，伴隨著降雨強度減弱甚至停止時，豎向有效應力隨時間呈增長趨勢。

本例中初始時刻應變量為零，降雨24 h，48 h，72 h和96 h后的有效應變：隨時間增加有效應變逐漸減小。降雨一開始，軟土層區(qū)應變比較劇烈，直到降雨72 h后和其他層區(qū)具有相同有效應變。在降雨72 h強度減弱或停止后可以看到，有效應變有增加趨勢，這是因為降雨強度減小，孔隙水壓力逐漸減小，基質(zhì)吸力又逐漸增加，土體內(nèi)有效應力增加。

從數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出，降雨入滲作用下塑性區(qū)首先出現(xiàn)在坡腳淺層，沿著坡面向上發(fā)展，與實際工程中滑塌現(xiàn)象一致。該實例較好的驗證了強降雨條件下夾軟弱土層邊坡穩(wěn)定性分析有限元模型的可靠性，可以為該工況下土坡穩(wěn)定性評價及工程預防提供技術(shù)思路與參考。

3 結(jié)語

本文重點研究了強降雨條件下非飽和非穩(wěn)定滲流對夾軟弱土層邊坡的入滲及穩(wěn)定性分析，基于飽和—非飽和理論，考慮軟土材料特性，建立了有限元分析模型。通過算例分析，得出了一些結(jié)論：1)降雨入滲之前，坡體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；2)持續(xù)降雨一段時間，降雨強度未減弱之前，土坡上部土層含水量增加，飽和度增大，基質(zhì)吸力減小或消失，坡腳處開始出現(xiàn)塑性應變；3)降雨強度減小或停止后，坡體內(nèi)孔隙水壓力又逐漸減小，飽和度減小，基質(zhì)吸力逐漸回升，有效應力和有效應變有增加趨勢。

軟土具有滲透系數(shù)小、抗剪強度低和壓縮性高等特點，其材料參數(shù)隨土層不同變化很大，所以軟土邊坡穩(wěn)定性分析應該是進一步研究的方向，本文僅為強降雨條件下夾軟弱土層邊坡穩(wěn)定分析提供一般思路和參考。

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文章編號：1009-6825(2017)05-0095-02

Stability analysis of slope with soft underlying layer under heavy rainfall action

Wang Ligang

(RailTransportationBranch,ChinaRailway24thBureauGroupCo.,Ltd,Shanghai200070,China)

Using large-scale non-linear finite element software ABAQUS, based on the theore of saturated-unsaturated seepage, the finite element model of stability of unsaturated slope with soft soil layer under the condition of heavy rainfall is established. Combined with example, the transient seepage of the rain infiltration influence on stress and displacement are simulated, and the stability of this slope is analyzed, and can be placed for reference under the condition of heavy rainfall of the soft soil slope stability evaluation and engineering prevention are provided.

soft soil layer, slope, heavy rainfall, stability

1009-6825(2017)05-0092-03

2016-12-04

王立剛(1983- )，男，工程師

TU413.62

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