地下水滲流作用下邊坡穩(wěn)定性及變形規(guī)律

鄧燕東

摘要： 在進(jìn)行施工建設(shè)中，往往需要開掘，對(duì)于這種情況要考慮到地下水滲流對(duì)邊坡造成的影響，從而對(duì)邊坡進(jìn)行加固。本文便是通過目前世界范圍內(nèi)廣泛使用的限元法來對(duì)邊坡坡形的變化問題做出解決，同時(shí)對(duì)以往中此類問題的解決方法給出分析以及結(jié)論，并將數(shù)學(xué)分析的方法與ABAQUS軟件模擬進(jìn)行結(jié)合使用，這是對(duì)以往處理方法的改進(jìn)，能夠幫助我們更清晰、更精確的分析出邊坡因?yàn)榈叵滤疂B流而造成的邊坡形變情況。以便我們?cè)诰_的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況下對(duì)形變問題做出合理解決。

Abstract： In the construction， it is often necessary to dig， for this situation the impact of groundwater seepage on the slope should be taken into account， so as to strengthen the slope. This paper deals with the problem of slope change through the finite element method which is widely used in the world， at the same time gives the analysis and conclusion of the solution to the problem in the past， and combines the method of mathematical analysis and ABAQUS software simulation， which is the improvement of the previous treatment methods， can help us more clearly and accurately analyze the slope deformation caused by groundwater seepage， so that we make a reasonable solution on the deformation in the case of accurate data statistics.

關(guān)鍵詞： 地下水位；邊坡；安全系數(shù)；位移

Key words： groundwater level；slope；safety factor；displacement

中圖分類號(hào)：U416.1+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）24-0146-02

0 引言

通過實(shí)際考察發(fā)現(xiàn)，基坑邊坡不穩(wěn)的情況往往是由多種因素共同影響所造成的，在這些影響因素中，地下水的影響是最為嚴(yán)重的。這就涉及到對(duì)基坑的排水處理問題，否則會(huì)造成基坑不穩(wěn)，更嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)工程事故。所以說對(duì)于施工建設(shè)中的基坑排水問題處理是關(guān)乎整個(gè)工程建設(shè)的大問題。分析出地下水是以何種形式進(jìn)行滲透，加強(qiáng)對(duì)基坑邊坡的加固以及分析地下水滲流對(duì)基坑邊坡穩(wěn)定性的影響，對(duì)于工程建設(shè)意義重大。

1 國內(nèi)外對(duì)于滲流理論的研究

1.1 結(jié)合工程—實(shí)驗(yàn)方法的初期階段

一九五六年Henry Darcy通過觀察分析出水對(duì)于均質(zhì)砂的滲透規(guī)律，并以此總結(jié)出Darcy定律，宣告著人們對(duì)于滲透理論的研究開始，并為滲透理論奠定了基礎(chǔ)，隨著科研的進(jìn)步，這種理論漸漸展現(xiàn)出它的不足，穩(wěn)定滲流理論僅是描述了靜態(tài)下水的滲透，并未以時(shí)間作為參考線，這使得該理論存在一定的局限性。這屬于古典滲流理論范疇。

1.2 以解析數(shù)學(xué)方法研究的發(fā)展階段

一九零四年起，人們開始使用微積分方程來計(jì)算地下水流對(duì)于邊坡的影響，直到一九二八年，O.E.Meinzer發(fā)現(xiàn)地下水是不穩(wěn)定的，并且在承壓的部分會(huì)含有更多的水分，一九三五年C，V，Theis創(chuàng)造了對(duì)于不穩(wěn)定滲水的計(jì)算公式，這些計(jì)算方法的更新都意味著人們對(duì)滲水有了更深的研究，對(duì)滲水而造成的邊坡不穩(wěn)定奠定了計(jì)算基礎(chǔ)。直到今天，人們對(duì)于地下水滲流有了更多的數(shù)學(xué)計(jì)算方法，并在工程建設(shè)中被廣泛使用。

1.3 通過數(shù)學(xué)模擬深化研究

隨著數(shù)字模擬技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸將這種方法應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在研究地下水滲流中也有應(yīng)用，通過這種方法，人們能了解到滲流對(duì)于邊坡影響的各種細(xì)節(jié)，并以此來尋找其與邊坡穩(wěn)定之間的規(guī)律，這使得人們?cè)谘芯康叵滤疂B流作用中取得了巨大成果。

2 對(duì)于地下水滲流引起的基坑穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

在世界范圍內(nèi)，人們?cè)谶@方面的研究，已經(jīng)取得了很好的成績，但國內(nèi)并未有太多研究結(jié)果，沈珠江和張誠厚使用耦合變形分析對(duì)邊坡的水滲流進(jìn)行了相關(guān)研究，在一九九六年羅曉輝對(duì)定常及非定常情況下水滲流對(duì)邊坡影響展開相關(guān)研究，而相對(duì)于國內(nèi)，國外的相關(guān)研究已經(jīng)趨于成熟。

3 強(qiáng)度折減有限元法

隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們可以應(yīng)用有限元計(jì)算技術(shù)來研究邊坡的穩(wěn)定性。

3.1 強(qiáng)度折減的概念

在當(dāng)今社會(huì)人們常使用的方法是使材料支撐度不變，提高負(fù)載，求出支撐度的臨界系數(shù)，或者負(fù)載不變減少材料的支撐度，這兩種方法的實(shí)質(zhì)是相同的。強(qiáng)度折減方法是在一九七五年被提出，其內(nèi)容為：在支撐度恒定狀態(tài)下，邊坡的抗剪度和實(shí)際剪應(yīng)力的比值。

3.2 強(qiáng)度折減法的原理

其方法原理是把邊坡土質(zhì)的支撐度C和Φ比上折減系數(shù)F，算出比值C′和Φ′，然后將比值使用有限元的方法再進(jìn)行計(jì)算，假如邊坡土質(zhì)合格，則F就是邊坡的穩(wěn)定系數(shù)極小值，這是土質(zhì)支撐力的臨界點(diǎn)；C′和Φ′可通過以下公式求得：C′=C/F；Φ=arctan（tanΦ/F）。

4 ABAQUS軟件分析基坑邊坡穩(wěn)定性

ABAQUS軟件一種常用的工程建設(shè)分析軟件，他可以對(duì)不同建設(shè)工程中復(fù)雜的幾何邊緣進(jìn)行建模，無論是線性或非線性問題，ABAQUS軟件都能進(jìn)行建模分析。

ABAQUS軟件的使用范圍甚廣，能解決不同條件下的結(jié)構(gòu)問題，其處理結(jié)果簡單易懂，當(dāng)加大邊坡的承壓力時(shí)，觀察土質(zhì)邊坡是否發(fā)生破壞，若未發(fā)生破壞則繼續(xù)加壓，直至土質(zhì)邊坡產(chǎn)生形變，此時(shí)土質(zhì)邊坡所承受的壓力即為其承壓的臨界點(diǎn)。將ABAQUS軟件應(yīng)用于土質(zhì)邊坡承重的研究中，能夠更快捷更方便地發(fā)現(xiàn)問題所在點(diǎn)，從而找出解決辦法。在處理土質(zhì)變形的問題中使用該軟件能夠得到更清晰的分析結(jié)果。

5 滲流場(chǎng)和應(yīng)用力場(chǎng)耦合的有限元分析

土質(zhì)結(jié)構(gòu)中若存在水分，則會(huì)形成水壓，從而造成土質(zhì)顆粒的不平衡，影響土質(zhì)結(jié)構(gòu)，這對(duì)于工程建設(shè)是非常不利的。所以減少建設(shè)地周圍的地下水位，改變土質(zhì)應(yīng)力，加強(qiáng)土質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)，這對(duì)于基坑的穩(wěn)定性以及工程建設(shè)是非常重要的。

要研究水位變化對(duì)于應(yīng)力場(chǎng)的影響，高度重視水位對(duì)應(yīng)力場(chǎng)造成的變化，記錄數(shù)據(jù)，通過有限元的方法進(jìn)行分析。

自一九六零年起，各領(lǐng)域的學(xué)者已經(jīng)開始應(yīng)用耦合分析的方法來進(jìn)行土質(zhì)工程的研究，尤其是在進(jìn)行水壩建設(shè)的過程中，耦合分析法被廣泛使用，這對(duì)于保證水壩的堅(jiān)固度、使用壽命以及工作效率有很大的影響。

在不能完全觀察清楚水流動(dòng)態(tài)的情況下，要采取假想水流的方法來進(jìn)行研究，通過假想來模擬真正水流的動(dòng)態(tài)，假想水流法兼?zhèn)湎铝行再|(zhì)：

第一，通過切面的水流量應(yīng)該與實(shí)際流量相符，而實(shí)際流量是可以通過測(cè)算得出的。第二，假想水流的切面壓力應(yīng)該與實(shí)際相符，通過檢測(cè)可得到真實(shí)切面水壓。假想水流在流動(dòng)過程中所受阻力應(yīng)與真實(shí)情況相符。

符合以上要求的假想水流，才能做到模擬真實(shí)，我們將假想水流簡稱為滲流，把假想水流所通過的區(qū)域命名為滲流場(chǎng)。

①滲流種類：

1）穩(wěn)定滲流：這種是針對(duì)于水頭以及水流速度，不因時(shí)間而變化的情況。2）非穩(wěn)定滲流：這是區(qū)別與穩(wěn)定滲流的一種情況，其水頭和水流速度均以時(shí)間的變化而變化。

②水力梯度。

在出現(xiàn)水流的區(qū)域往往不同點(diǎn)的水壓存在差別，水流根據(jù)水壓的不同從壓力較高區(qū)域流向低壓區(qū)域，我們將這種區(qū)域間的壓力差稱之為水力梯度。

③滲流量。

滲流量即單位時(shí)間內(nèi)通過水流滲透切面的水流量，我們將之稱為滲流量。

④滲透力。

滲透力簡單來說就是通過滲透面的水壓，在水流通過土質(zhì)結(jié)構(gòu)顆?？障兜臅r(shí)候，會(huì)對(duì)土質(zhì)結(jié)構(gòu)形成相應(yīng)壓力，它的大小與土質(zhì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的阻力相同，我們將這種有由于土質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)滲透水流所產(chǎn)生的壓力稱之為滲透力。

⑤滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析。

在進(jìn)行工程建設(shè)中，往往需要降低施工區(qū)域水位，在這個(gè)過程中滲透力、水力梯度以及其它因素也會(huì)隨之而改變，這種變化會(huì)導(dǎo)致土質(zhì)結(jié)構(gòu)的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)隨之改變，面對(duì)這種變化，使用滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析方法往往會(huì)得到更有效的結(jié)果。

6 基坑降水滲流場(chǎng)的耦合性狀分析

在水壩建設(shè)，工程深挖的問題都能夠使用滲流場(chǎng)的耦合分析來進(jìn)行解決只有在問題相對(duì)容易處理的情況下，我們才會(huì)采取其他措施來進(jìn)行問題的解決，例如穩(wěn)流狀況。對(duì)于許多的工程建設(shè)，存在兩種解決方法，一種是使用假設(shè)水流的方法，將復(fù)雜的實(shí)際問題簡化，從而更簡單地對(duì)問題進(jìn)行處理；另一種是通過計(jì)算機(jī)手段對(duì)各種影響因素進(jìn)行模擬。模擬常使用固定單元模擬或邊界單元模擬的方法，目前使用最為廣泛的是固定單元模擬的方法。

基坑降水所形成的滲流場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)是一種不均勻、不平滑的土質(zhì)切面，對(duì)于這種難以解決的問題，通常要進(jìn)行ABAQUS軟件模擬。

7 地下水滲流作用下的邊坡穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行工程挖掘時(shí)往往會(huì)遇到某些地方地下水位較高的情況，并且高水位會(huì)形成較大的滲透力，這會(huì)對(duì)挖掘區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)造成影響，所以在進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候要考慮水壓、土壓以及邊坡的側(cè)壓力，如果情況嚴(yán)重甚至?xí)斐傻乇硐鲁?。通過分析以往的施工建設(shè)事故案例發(fā)現(xiàn)，大部分事故都是由于滲流所引起的，因此做好滲流情況的處理對(duì)于施工建設(shè)的意義重大，盡可能在進(jìn)行施工之前，對(duì)區(qū)域內(nèi)的各種因素進(jìn)行勘察，以求施工的安全性，減少事故的發(fā)生幾率。

現(xiàn)今社會(huì)對(duì)于滲流分析使用最為廣泛的是數(shù)學(xué)建模的方法，其方法主要有有限差分法和限元法，在處理坡面條件相對(duì)簡單的情況可以使用有限差分法，但在面對(duì)坡面條件相對(duì)復(fù)雜的情況時(shí)就要使用限元法來進(jìn)行解決。本文是結(jié)合使用ABAQUS軟件和數(shù)學(xué)分析的方法對(duì)于邊坡穩(wěn)定情況進(jìn)行問題的解決，使用這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于方法簡潔、結(jié)果明了。

8 結(jié)束語

通過本文總結(jié)，可以使讀者清晰地了解對(duì)于水滲流情況下的邊坡穩(wěn)定情況，以及這種情況的以往解決辦法和現(xiàn)今的解決辦法，以往的處理辦法主要是針對(duì)穩(wěn)定水流的情況，隨著數(shù)學(xué)分析的發(fā)展以及電子技術(shù)的進(jìn)步，我們有了更理想、更先進(jìn)的解決辦法，即強(qiáng)度折減有限元法以及應(yīng)用ABAQUS軟件模擬的方法。對(duì)于邊坡的變形規(guī)律，我們可以通過軟件模擬來清楚的再現(xiàn)邊坡的變化，從而做到提前防護(hù)，施工保護(hù)以及時(shí)候維護(hù)。通過各種先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在未來的施工環(huán)境將會(huì)更加安全。

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