基于ABAQUS土坡降雨入滲應(yīng)力應(yīng)變及穩(wěn)定性研究

(新疆瑪納斯河流域管理局水利管理中心第三水利管理站，新疆 石河子 832000)

基于ABAQUS土坡降雨入滲應(yīng)力應(yīng)變及穩(wěn)定性研究

獨(dú)敏

(新疆瑪納斯河流域管理局水利管理中心第三水利管理站，新疆 石河子 832000)

降雨會(huì)影響土體的力學(xué)參數(shù)，通過(guò)ABAQUS對(duì)雨水入滲的瞬態(tài)滲流對(duì)土坡應(yīng)力、應(yīng)變的影響進(jìn)行研究，以一理想邊坡作為案例進(jìn)行建模與計(jì)算，不考慮降雨積水的影響，認(rèn)為靜水壓力隨深度線性增加，建立CPE4P網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。后處理中，對(duì)其滲透率、孔壓、橫縱向位移、偏應(yīng)力、塑性應(yīng)變以及應(yīng)力路徑等作了分析，得出一系列降雨入滲作用下應(yīng)力、應(yīng)變及穩(wěn)定性的相關(guān)結(jié)論。

降雨；滲流；ABAQUS；失穩(wěn)；邊坡；塑性區(qū)

土體的抗剪強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)會(huì)隨著降雨的作用而降低[1]，空隙水的壓力會(huì)隨著地下水位的抬高而升高[2- 3]，造成穩(wěn)定性的下降[4]。除此之外，高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間的降雨會(huì)導(dǎo)致暫態(tài)飽和區(qū)的出現(xiàn)，以此，會(huì)導(dǎo)致空隙水壓力的升高?；诖?，很有必要對(duì)雨水入滲情況下瞬態(tài)滲流影響下的土坡應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)特性進(jìn)行研究。

降雨入滲作為—種典型的非飽和流固耦合現(xiàn)象，目前已有較多學(xué)者對(duì)降雨入滲進(jìn)行了研究，取得了較多成果[5- 10]。但研究領(lǐng)域多在降雨入滲的影響因素、滑坡、初始含水率、穩(wěn)定性等層面上的分析，而基于多參數(shù)的、多指標(biāo)的綜合分析研究較少。本文從數(shù)值模擬角度出發(fā)，全面對(duì)滲透率、孔壓、橫縱向位移、偏應(yīng)力、塑性應(yīng)變以及應(yīng)力路徑等作了分析，以此更好地為降雨入滲對(duì)土坡的穩(wěn)定性研究做參考與支持。

1 基于ABAQUS的降雨入滲計(jì)算力學(xué)原理及邊界條件

1.1 計(jì)算原理

土體材料的滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系為

kw=awkws/{[aw+bw(ua-uw)]cw}

(1)

式中kw—— 土體飽和時(shí)的滲透系數(shù)，取5.0×10-6m/s(0.018m/h)；

uw、ua—— 土體中的水壓力、氣壓，因坡面與大氣接觸的原因，在式中取為0；

aw、bw、cw—— 材料系數(shù)，本例中分別取為1000、0.01、1.7。

飽和度隨基質(zhì)吸力的關(guān)系式為

Sr=Si+(Sn-Si)as/{[bw(ua-uw)]cw}

(2)

式中Sr—— 飽和度；

Si—— 殘余飽和度，可取0.08；

Sn—— 最大飽和度，取1；

as、bs、cs—— 材料系數(shù)，分別取為1、5.0×10-5和3.5。

值得注意的是，ABAQUS中，有效應(yīng)力的定義為σ′=σ-(χuw+(1-χ)ua)，χ簡(jiǎn)單的取為飽和度Sr，將ua賦值為0，采用基于有效應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系，該本構(gòu)重點(diǎn)體現(xiàn)了基質(zhì)吸力對(duì)模型的影響，這與反映黏聚力的強(qiáng)度本構(gòu)具有較大差異。

1.2 邊界條件

降雨入滲的物理過(guò)程十分復(fù)雜，Larson與Mein研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)土壤允許的入滲容量fp，降雨強(qiáng)度q以及水力傳導(dǎo)系數(shù)kws參數(shù)的分析，可以揭示出降雨入滲行為如下：

a.q

b.fp>q>kws，雨水在該情況下全部入滲，隨著入滲度的不斷增加，fp不斷減小，但該強(qiáng)度下，降雨強(qiáng)度還未超過(guò)允許容量，因此，入滲率并不會(huì)出現(xiàn)降低的情況，其仍具有較高的數(shù)值。該情況時(shí)，坡面為流量邊界。

c.q>fp，此時(shí)，降雨強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)了土壤的入滲容量，因此會(huì)出現(xiàn)部分降雨不入滲而形成地表徑流的情況。該情況中坡面上的土體為飽和狀態(tài)的土體，當(dāng)達(dá)到入滲容量后，降雨將不斷下降。

本文考慮所述第二種情況，即fp>q>kws情況，文中的降雨邊界函數(shù)用降雨強(qiáng)度(單位流通量)來(lái)表示。同時(shí)，不考慮地表積水的情況，使分析區(qū)域頂面均受到降雨作用，設(shè)置入滲強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間分別為20mm/h、66h。

2 降雨入滲模型的建立與求解

降雨入滲的模型來(lái)自于新疆瑪納斯河邊坡。新疆瑪納斯河位于新疆維吾爾自治區(qū)準(zhǔn)噶爾盆地南部，源出天山北麓北流注入瑪納斯湖，長(zhǎng)約450km，上游水急多峽谷，下游平原坦蕩，河曲發(fā)育。本文所建立的數(shù)學(xué)模型即來(lái)自于新疆瑪納斯河邊坡，為了便于研究，將其簡(jiǎn)化成理想邊坡，該邊坡坡角為40°，坡高為30m，其初始地下水位位于壩腳處。土體的彈性模量為10MPa，泊松比為0.3，黏聚力c′為15kPa，摩擦角φ′為30°，以此進(jìn)行降雨入滲模型的建立。

基于上文降雨入滲計(jì)算力學(xué)原理及邊界條件的選擇，進(jìn)行有限元模型的建立。所建立的有限元模型如圖1所示，其element type選擇為CPE4P，滲透系數(shù)隨飽和度以及基質(zhì)吸力隨飽和度的變化可根據(jù)公式(1)和公式(2)得到。

圖1 有限元網(wǎng)格模型

利用distribution定義孔壓邊界條件，在左、右兩側(cè)水位以下的邊界上設(shè)置隨深度線性增加的靜水壓力孔，按照式(3)進(jìn)行設(shè)置：

p=1010-Y

(3)

分析步的時(shí)間步長(zhǎng)為72h，以0.1作為初始的時(shí)間增量步，將孔壓設(shè)定為沿深度線性關(guān)系增加，降雨強(qiáng)度的時(shí)程賦值曲線Amp- 1見(jiàn)下表。

時(shí)間和幅值的大小關(guān)系表

對(duì)所研究的坡頂區(qū)域的降雨入滲邊界條件進(jìn)行設(shè)置，嵌入有效應(yīng)力有限元文件，即可進(jìn)行該模型的降雨入滲有限元分析。

3 降雨入滲后的結(jié)果分析

降雨發(fā)生后46h、72h的孔壓等值線云圖見(jiàn)圖2、圖3。由圖2、圖3可知：在降雨入滲發(fā)生后，孔壓的分布云圖與初始狀態(tài)發(fā)生顯著差異，在坡頂部范圍以下的吸力區(qū)發(fā)生范圍減小的現(xiàn)象，基質(zhì)吸力參數(shù)較初始狀態(tài)減?。浑S著降雨時(shí)間的增加，法向狀態(tài)延長(zhǎng)，飽和度也隨之增大，孔隙水壓力參數(shù)也隨之增大。隨著降雨時(shí)間的增加，淺層土體的基質(zhì)吸力不斷減小甚至消失。

而隨著降雨的減少直至停止，在時(shí)間不斷延長(zhǎng)的情況下，飽和度出現(xiàn)逐漸減小的情況，孔隙水壓力也隨之逐漸減小，土體淺層的基質(zhì)吸力出現(xiàn)逐漸增加的情況。

圖2 降雨發(fā)生后46h的孔壓云圖

圖3 降雨發(fā)生后72h的孔壓云圖

圖4與圖5是降雨發(fā)生72h后的水平位移及沉降的等值線云圖。由圖4和圖5可知：發(fā)生在坡腳的最大水平位移是9.55mm；土坡的中部發(fā)生最大沉降現(xiàn)象，沉降位移是4.06mm。由于初始設(shè)置的分布條件，導(dǎo)致坡頂沒(méi)有出現(xiàn)最大沉降。

圖4 降雨72h后的水平位移云圖

圖5 降雨72h后的沉降云圖

對(duì)坡頂進(jìn)行單獨(dú)分析，當(dāng)降雨入滲發(fā)生后，吸力出現(xiàn)降低情況，孔壓出現(xiàn)增加情況，有效應(yīng)力出現(xiàn)減小情況，發(fā)生了卸載回彈現(xiàn)象。除此之外，降雨入滲的不斷持續(xù)，使得土體容重和含水率增加，進(jìn)而使得沉降和應(yīng)力均出現(xiàn)增加現(xiàn)象。

位移矢量圖如圖6所示。從圖6可以看出，降雨入滲發(fā)生后，邊坡出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)變形趨勢(shì)，由此可知，邊坡穩(wěn)定性逐漸變低。

圖6 降雨72h后的位移矢量圖

圖7和圖8是降雨入滲23h及72h后的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。由圖7和圖8可知，坡腳淺層由于降雨入滲作用首先出現(xiàn)塑性區(qū)，且塑性區(qū)沿坡面會(huì)不斷地向上擴(kuò)展。

圖7 降雨入滲23h的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

選取塑性區(qū)中心點(diǎn)，給出等效塑性應(yīng)變時(shí)程曲線，如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，當(dāng)t=20h時(shí)，塑性區(qū)出現(xiàn)在坡腳，隨后降雨入滲時(shí)間快速增加，當(dāng)時(shí)間增加到50h后，降雨情況開(kāi)始減小，此后，塑性區(qū)便不再向后擴(kuò)展，等效塑性應(yīng)變隨之也不再增加，保持穩(wěn)定不變。

圖8 降雨入滲72h的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖9 塑性中心單元等效塑性應(yīng)變時(shí)程曲線

利用ABAQUS提供的combine函數(shù)，繪出塑性區(qū)中心點(diǎn)和非塑性區(qū)中心點(diǎn)的有效應(yīng)力路徑，如圖10和11所示。

圖10 塑性中心單元有效應(yīng)力路徑曲線

圖11 非塑性區(qū)單元有效應(yīng)力路徑曲線

由圖10和圖11可知，塑性中心單元和非塑性區(qū)中心單元的有效應(yīng)力路徑明顯出現(xiàn)了不同的力學(xué)特征。對(duì)于出現(xiàn)在坡腳的塑性中心單元(見(jiàn)圖10)，由于降雨入滲，孔壓開(kāi)始增加，有效平均應(yīng)力出現(xiàn)減小的情況，而減小到一定閾值后，有效應(yīng)力路徑表現(xiàn)出屈服現(xiàn)象，其處于屈服面位置，此時(shí)，應(yīng)力路徑向左下方逐漸下移，其沿著摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度包線形成的屈服面朝左下方移動(dòng)，當(dāng)降雨量減小后，移動(dòng)停止，此時(shí)，吸力開(kāi)始增加，孔壓開(kāi)始減小，在有效應(yīng)力開(kāi)始增大后，其逐漸遠(yuǎn)離屈服面。

而對(duì)于非塑性單元(見(jiàn)圖11)，其處于土方內(nèi)部，上方的單元吸水后容重增加，導(dǎo)致塑性區(qū)單元的平均有效應(yīng)力和偏應(yīng)力都是增加的，直至降雨的后期，接近降雨結(jié)束時(shí)平均有效應(yīng)力和偏應(yīng)力都有所下降，即降雨入滲作用下主要是邊坡淺層可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，該區(qū)域具有較高的失穩(wěn)傾向性。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于ABAQUS軟件及其計(jì)算力學(xué)原理，以理想邊坡為研究對(duì)象，對(duì)土坡降雨入滲現(xiàn)象進(jìn)行了非飽和流固耦合分析，主要結(jié)論為：

a. 在降雨入滲的作用下，位移矢量圖表明，邊坡有明顯的滑動(dòng)變形的趨勢(shì)，邊坡穩(wěn)定性由此逐漸降低。

b. 坡腳淺層會(huì)首先出現(xiàn)塑性區(qū)，并沿著坡面不斷向上擴(kuò)展。

c. 塑性點(diǎn)和非塑性點(diǎn)的有效應(yīng)力路徑表現(xiàn)出了不同的特征。

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StudyonstressstrainandstabilitybasedonABAQUSsoilsloperainfallinfiltration

DU Min

(No.3WaterConservancyManagementStation,XinjiangManasRiverBasinAuthorityWaterConservancyManagementCenter,Shihezi832000,China)

Rainfall affects the mechanical parameters of soil, the influence of rainwater infiltration transient seepage flow on soil slope stress and strain is studied through ABAQUS. On the basis, an ideal slope is regarded as a case for modeling and calculation. The influence of rainfall and water accumulation is not considered. It is believed that hydrostatic pressure increases linearly with depth, and a CPE4P grid is established for calculation. In the post- processing, the permeability, pore pressure, horizontal longitudinal displacement, deviatoric stress, plastic strain and stress path, etc. are analyzed, and a series of related conclusions of stress, strain and stability under rainfall infiltration action are obtained.

rainfall; seepage; ABAQUS; instability; slope; plastic zone

10.16616/j.cnki.10- 1326/TV.2017.010.012

TV211.2

A

2096-0131(2017)010-0039-05