基于有限元軟件自定義本構(gòu)模型的膨脹土邊坡降雨入滲分析

饒 鴻，王金淑，趙志明，吳 光，馮 濤

（1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610081；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610081）

降雨引起土體強(qiáng)度變化是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素之一，研究降雨入滲動(dòng)態(tài)過程中邊坡穩(wěn)定性的變化有重要現(xiàn)實(shí)意義[1]。降雨入滲過程中雨水浸潤土體增加其重度，土體的含水量增加降低其基質(zhì)吸力和抗剪強(qiáng)度[2]。降雨入滲過程中非飽和土的重度、強(qiáng)度、吸力等參數(shù)都與非飽和土的含水率或飽和度密切相關(guān)，探究降雨入滲對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，需要考慮非飽和土重度、強(qiáng)度參數(shù)等因素的變化。

近年來，學(xué)者們在滑坡機(jī)理分析中越來越多地考慮降雨條件下的巖土體參數(shù)變化，并取得了重要成果。Cai 等[3]分析了降雨條件下地下水位變化對(duì)非飽和土邊坡的穩(wěn)定性影響；韋立德等[4]提出了考慮滲流場與含水率變化的強(qiáng)度折減有限元算法，研發(fā)出三維強(qiáng)度折減有限元程序；陳善雄等[5]結(jié)合降雨入滲土體重分布飽和度對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，提出考慮水分入滲的非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析方法；麻官亮等[6]以改進(jìn)的三維極限平衡法模型為基礎(chǔ)，建立了邊坡三維滑裂面的搜索模型；李寧等[7]應(yīng)用ABAQUS 有限元軟件的二次開發(fā)技術(shù)，結(jié)合Geostudio 軟件建立了降雨條件下邊坡有限元強(qiáng)度折減計(jì)算平臺(tái)；王協(xié)群等[8]提出了基于變模量的彈塑性強(qiáng)度折減方法；李紹紅等[9]編制計(jì)算程序，探究不同降雨類型下淺層邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律；張晨陽等[10]應(yīng)用Geostudio 軟件分析了兩種降雨工況下殘積土邊坡的穩(wěn)定性特征。上述方法都是通過自編程序或軟件的二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)非飽和土邊坡的穩(wěn)定性分析，取得了重要進(jìn)展，但難度較大。

ABAQUS 有限元軟件是巖土分析中應(yīng)用較廣的專業(yè)性軟件。軟件內(nèi)置的python 語言和Fortran 語言可用于軟件的二次開發(fā)及子程序編寫；在ABAQUS 有限元軟件中，為了實(shí)現(xiàn)巖土體參數(shù)與某變量的函數(shù)關(guān)系，可以將該變量定義為場變量（FIELD），應(yīng)用命令流或內(nèi)置語言代碼實(shí)現(xiàn)函數(shù)關(guān)系，為本文的數(shù)值模擬提供可行性技術(shù)支持。

對(duì)于大多數(shù)數(shù)值分析軟件而言，無法直接將非飽和土的含水率或飽和度同土體重度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等參數(shù)建立聯(lián)系，無法準(zhǔn)確地模擬降雨過程邊坡參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化對(duì)穩(wěn)定性的影響。為了突破這一局限性，本文以貴廣（貴陽—廣州）高鐵貴州段尖山營地區(qū)的膨脹土為研究對(duì)象，推導(dǎo)出適用于尖山營地區(qū)膨脹土的抗剪強(qiáng)度公式；基于ABAQUS 有限元軟件的二次開發(fā)技術(shù)，編寫USDFLD 子程序?qū)崿F(xiàn)了土體含水率變化引起的膨脹土重度、抗剪強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化，探索飽和-非飽和滲流條件下考慮多種影響因素的邊坡變形規(guī)律及穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)降雨入滲對(duì)非飽和土邊坡影響因素的模擬，為降雨 引發(fā)滑坡的機(jī)理研究提供參考。

1 尖山營膨脹土的抗剪強(qiáng)度分析

國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)非飽和土的抗剪強(qiáng)度理論做出大量研究，在經(jīng)典飽和土力學(xué)的基礎(chǔ)上提出了不同的非飽和土抗剪強(qiáng)度理論模型，常見的有Bishop 理論[11]、Fredlund 理論[12-13]、盧肇鈞吸附理論[14]等。這些理論都肯定非飽和土的基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的貢獻(xiàn)，證實(shí)了由于基質(zhì)吸力產(chǎn)生的強(qiáng)度是非線性變化的。而基質(zhì)吸力與非飽和土的含水率是密切相關(guān)的，土水特征曲線是基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系曲線，表征兩者的關(guān)聯(lián)?？娏植萚15]、郭倩怡等[16]通過直剪試驗(yàn)探究了膨脹土強(qiáng)度與含水量或基質(zhì)吸力的關(guān)系，提出了以含水率為參數(shù)的膨脹土抗剪強(qiáng)度公式。本文也是基于文獻(xiàn)[15]的思想，將尖山營地區(qū)的膨脹土作為研究對(duì)象，通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)獲得了不同含水率條件下膨脹土的抗剪強(qiáng)度，建立膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率的關(guān)系，將Fredlund 提出的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式修正為以含水率為變量，推導(dǎo)出適用于尖山營膨脹土的抗剪強(qiáng)度公式。

根據(jù)鉆探調(diào)查，貴廣高速鐵路位于貴州段貴定縣尖山營地區(qū)發(fā)育有膨脹巖土層，尖山營膨脹土呈灰色、灰白色、灰黃色，塊狀，硬塑-堅(jiān)硬狀態(tài)，礦物成分主要為伊利石、石英，黏粒含量較少。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，區(qū)域膨脹土歷經(jīng)雨季吸水膨脹、旱季脫水收縮的反復(fù)過程，相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)處于非飽和狀態(tài)。

首先配置相同干密度（ρd=1.6 g/cm3），初始含水率為0%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、30%的膨脹土樣，同一含水率配置3組試樣（1組測量試驗(yàn)和2組平行試驗(yàn)），將膨脹土樣分別倒入制土設(shè)備應(yīng)用靜力法壓實(shí)制備成標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試樣（圖1）。采用應(yīng)變式直剪儀以0.8 mm/min 剪切速率進(jìn)行快剪試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出不同含水率的膨脹土樣對(duì)應(yīng)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（圖2試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)）。

圖1 尖山營膨脹土標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試樣Fig.1 Standard ring cutter sample of the Jianshanying expansive soil

對(duì)膨脹土不同含水率的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，建立非線性曲線擬合曲線模型（圖2擬合曲線），推導(dǎo)出尖山營膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率的擬合公式為：

式中：c*-總黏聚力/kPa；

φ*-總內(nèi)摩擦角/（°）；

w-含水率。

由圖2可知，尖山營膨脹土的抗剪強(qiáng)度與含水率密切相關(guān)：伴隨土體含水率增加，黏聚力呈先增后減的趨勢，最優(yōu)含水率對(duì)應(yīng)的黏聚力值最大；內(nèi)摩擦角逐漸減小，總抗剪強(qiáng)度降低。

圖2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)擬合曲線Fig.2 Fitting curve of the total shear strength index

Fredlund 等在1978年建立了非飽和土的抗剪強(qiáng)度理論模型，提出雙變量抗剪強(qiáng)度公式[12]：

式中：τf-抗剪強(qiáng)度/kPa；

ua-孔隙氣壓力/kPa；

uw-孔隙水壓力/kPa；

c'-有效黏聚力/kPa：

φ'-有效內(nèi)摩擦角/（°）

(σ-ua)-凈法向應(yīng)力/kPa；

(ua-uw)-基質(zhì)吸力/kPa；

φb-受基質(zhì)吸力影響的內(nèi)摩擦角/（°）。

根據(jù)Fredlund 抗剪強(qiáng)度理論，非飽和土抗剪強(qiáng)度中有效黏聚力為常量，土體的抗剪強(qiáng)度受凈法向應(yīng)力和基質(zhì)吸力兩個(gè)變量共同影響，基質(zhì)吸力產(chǎn)生的吸附強(qiáng)度是非線性變量[13]。研究表明：非飽和土的基質(zhì)吸力隨含水率變化而變化，受基質(zhì)吸力影響的抗剪強(qiáng)度可以考慮為含水率變化引起基質(zhì)吸力變化，進(jìn)而影響了土體的抗剪強(qiáng)度。根據(jù)尖山營膨脹土的直剪試驗(yàn)結(jié)果可知土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是隨含水率變化的，故而將有效黏聚力和吸附強(qiáng)度疊加起來，引進(jìn)廣義黏聚力概念（式3），用總黏聚力表征受基質(zhì)吸力影響下黏聚力對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)[17]。

式中：c*-總黏聚力/kPa。

將Fredlund 非飽和土抗剪強(qiáng)度公式修正為：

再結(jié)合土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率的擬合公式（式1），將式（4）中的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c*、φ*用含水率表示，推導(dǎo)出以含水率為變量的尖山營膨脹土抗剪強(qiáng)度公式：

由式（5）可知，膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)不再是常數(shù)，而是與含水率有關(guān)的變量。雨水滲入膨脹土邊坡中，膨脹土的抗剪強(qiáng)度會(huì)伴隨含水率變化而改變，實(shí)現(xiàn)了考慮抗剪強(qiáng)度影響因素的模擬，可供實(shí)際工程參考。

2 ABAQUS 有限元二次開發(fā)原理

2.1 飽和-非飽和滲流方程

降雨在非飽和土中的滲流滿足質(zhì)量守恒定律，達(dá)西定律也同樣適用于非飽和土滲流分析[18]。以達(dá)西定律為基礎(chǔ)結(jié)合滲流過程中流體質(zhì)量守恒推導(dǎo)出以基質(zhì)勢為因變量的滲流控制方程[19]。

飽和-非飽和滲流問題的基本方程[7]：

式中：xi、xj-i、j方向坐標(biāo)；

ki j-飽和滲透張量；

ki3-飽和滲透系數(shù)；

P-孔隙水壓力/kPa；

kr(P)-相對(duì)滲透系數(shù)；

C（P）-容水度；

γw-水體重度；

t-時(shí)間變量；

Ss-單位貯存量；

α-飽和狀態(tài)參數(shù)，α=0時(shí)計(jì)算非飽和滲流，α=1時(shí)計(jì)算飽和滲流。

在ABAQUS 中非飽和土是多孔三相介質(zhì)材料，需考慮土體中存在氣體壓力ua和液體壓力uw。其有效應(yīng)力原理同常規(guī)土力學(xué)的表達(dá)略有不同[20]：

式中：σij-總應(yīng)力張量分量；

σ'ij-有效應(yīng)力張量分量；

χ-有效應(yīng)力系數(shù)，一般取飽和度。

2.2 強(qiáng)度折減理論

在邊坡穩(wěn)定性分析中，假定用不同的折減系數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行折減，人工削弱土體的抗剪強(qiáng)度，使單元應(yīng)力達(dá)到屈服或超出屈服面，邊坡產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)其內(nèi)部形成連續(xù)塑性貫通面或特征部位產(chǎn)生突變位移，表征邊坡失穩(wěn)破壞。本文應(yīng)用ABAQUS 軟件定義折減系數(shù)為場變量，實(shí)現(xiàn)邊坡的強(qiáng)度折減，計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

式中：Fs-強(qiáng)度折減系數(shù)；

c、φ-實(shí)際抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；

cm、φm-人為折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2.3 有限元二次開發(fā)思路

在降雨過程中，膨脹土的重度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是伴隨含水率或飽和度的變化而變化的，而ABAQUS 有限元軟件中只有飽和度和孔隙比參數(shù)。本文應(yīng)用含水率公式求解出膨脹土的含水率，通過Fortran 語言在子程序中將含水率定義為場變量：首先利用內(nèi)置“CALL GETVRM”命令導(dǎo)出材料的飽和度與孔隙比參數(shù)數(shù)據(jù)，再應(yīng)用含水率公式計(jì)算出含水率w，將計(jì)算結(jié)果定義為場變量，即“FIELD（1）=w”；通過降雨過程中每一時(shí)間增量步的迭代計(jì)算，可求解出降雨過程中土體含水率、飽和度及孔隙比的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；結(jié)合尖山營膨脹土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律（式5），應(yīng)用ABAQUS 有限元軟件內(nèi)置Fortran語言將膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的擬合公式編寫成代碼導(dǎo)入到USDFLD 子程序中；再導(dǎo)入折減系數(shù)定義其為場變量，做降雨過程邊坡穩(wěn)定性分析，分析降雨過程邊坡的穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律。

二次開發(fā)思路如下：

（1）應(yīng)用ABAQUS 有限元軟件內(nèi)置Fortran 語言，編寫含水率公式代碼，求解出每一時(shí)間增量步對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)含水率，即膨脹土的過程含水率。

（2）將過程含水率定義為場變量，根據(jù)尖山營膨脹土的抗剪強(qiáng)度公式編寫成USDFLD 子程序，實(shí)現(xiàn)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與場變量的擬合關(guān)系，驗(yàn)證通過子程序。

（3）建立膨脹土的邊坡模型，在ABAQUS 軟件中的Property 模塊設(shè)定土體重度參數(shù)隨場變量的增量值，進(jìn)行降雨入滲分析。

（4）提取降雨過程每一時(shí)間步的含水率及其分布云圖，迭代計(jì)算出每一時(shí)刻土體的綜合抗剪強(qiáng)度值，導(dǎo)入折減系數(shù)場變量進(jìn)行邊坡強(qiáng)度折減分析，獲得降雨全過程的邊坡穩(wěn)定系數(shù)曲線。

計(jì)算流程見圖3。

圖3 計(jì)算流程圖Fig.3 Calculation flow chart

3 有限元計(jì)算實(shí)例

3.1 邊坡計(jì)算模型

邊坡計(jì)算模型為膨脹土勻質(zhì)邊坡，邊坡有限元模型及幾何尺寸如圖4所示。底面為水平向豎向約束邊界，側(cè)面為水平向約束邊界，其余為自由邊界。左側(cè)邊界地下水水頭為10 m，右側(cè)邊界地下水水頭為8 m，頂面邊界為降雨入滲邊界，降雨全部入滲。為了充分考慮降雨影響，延長降雨歷時(shí)使膨脹土能達(dá)到飽和狀態(tài)，土體抗剪強(qiáng)度衰減至極限狀態(tài)。取降雨強(qiáng)度為0.01 m/h，降雨歷時(shí)24 h。材料為理想彈塑性模型，遵循Mohr-Column 強(qiáng)度準(zhǔn)則。具體材料參數(shù)見表1。

3.2 土水特征曲線

首先配置不同初始含水率的膨脹土樣，將其制備成標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試樣，采用濾紙法測量出不同含水率土樣對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力值（圖5試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)），結(jié)合Van-Genuchten[21]數(shù)學(xué)模型分析體積含水率與基質(zhì)吸力的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算出Van-Genuchten模型的參數(shù)（表2），得到體積含水率與基質(zhì)吸力的擬合公式，擬合出尖山營膨脹土的土水特征曲線（圖5擬合曲線）。

圖4 膨脹土邊坡計(jì)算模型Fig.4 Calculation model of an expansive soil slope

表1 土體材料參數(shù)Table1 Soil material parameters

圖5 土水特征曲線Fig.5 Soil water characteristic curve

表2 Van-Genuchten模型參數(shù)Table2 Van-Genuchten model parameters

3.3 膨脹土重度

在降雨入滲非飽和土邊坡過程中，土體受水浸潤，地下水位以上非飽和土重度發(fā)生變化，非飽和土濕重度隨含水率增加而增加。

式中：w-含水率；

γd-干重度/（kN·m-3）；

γw-濕重度/（kN·m-3）。

實(shí)現(xiàn)方法：將含水率w定義為場變量，計(jì)算出不同含水率對(duì)應(yīng)的濕重度，通過表格形式設(shè)定土體濕重度參數(shù)與含水率的對(duì)應(yīng)值。

3.4 尖山營膨脹土抗剪強(qiáng)度

降雨滲入非飽和土邊坡，土體吸水抗剪強(qiáng)度會(huì)降低（式5）。

實(shí)現(xiàn)方法：將含水率w定義為場變量，將尖山營膨脹土抗剪強(qiáng)度公式編寫成Fortran 語言代碼，導(dǎo)入到USDFLD 子程序中，實(shí)現(xiàn)c*、φ*指標(biāo)與場變量的擬合。

4 計(jì)算結(jié)果分析

同一降雨工況下，分別計(jì)算考慮土體重度、抗剪強(qiáng)度變化（導(dǎo)入子程序）和不考慮土體參數(shù)變化（不導(dǎo)入子程序，將膨脹土參數(shù)取為定值）的邊坡穩(wěn)定性，對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果，探究兩種情況下膨脹土邊坡變形規(guī)律及穩(wěn)定性特征。

4.1 降雨入滲分析

在ABAQUS 軟件中導(dǎo)入U(xiǎn)SDFLD 子程序，進(jìn)行膨脹土邊坡降雨入滲分析，取邊坡臨空面頂部（A點(diǎn)）和底部（B點(diǎn)）探究邊坡不同位置的雨水入滲規(guī)律。圖6為降雨全過程坡頂、坡腳土體含水率曲線：土體含水率隨降雨歷時(shí)逐漸增大，坡頂處初始含水率低，含水率緩慢遞增且增幅較大，降雨15 h 左右土體達(dá)到飽和含水率（圖6飽和點(diǎn)）；坡腳處初始含水率高，含水率率先增加至接近飽和，降雨20 h 左右土體達(dá)到飽和含水率（圖6飽和點(diǎn)）；降雨后期土體含水率仍保持遞增趨勢。表明雨水向邊坡內(nèi)部滲流中，首先會(huì)在坡腳處匯集，坡腳土體含水率先接近飽和，土體吸水浸潤后孔隙比增大，強(qiáng)度降低而變形增大，故降雨后期含水率又持續(xù)增加，雨水逐漸向內(nèi)部滲流。

圖6 降雨過程含水率曲線Fig.6 Moisture content curve during rainfall

對(duì)比降雨前后含水率分布圖（圖7）：降雨前初始水位以下為飽和區(qū)，孔壓為正，土體飽和，初始水位以上為非飽和區(qū)，孔壓為負(fù)，含水率由水位向坡頂遞減，土體非飽和；降雨后雨水入滲浸潤土體，導(dǎo)致地下水位抬升，邊坡內(nèi)部非飽和區(qū)逐漸減小，飽和區(qū)逐漸擴(kuò)大并發(fā)展至整個(gè)邊坡，雨水逐漸向內(nèi)部滲流，在邊坡內(nèi)部某深度發(fā)育出圓弧形的水分匯集區(qū)（圖7紅色區(qū)域顯示為最大含水率，水分最集中），從坡腳貫通至頂面。結(jié)合膨脹土抗剪強(qiáng)度與含水率的擬合關(guān)系分析，該區(qū)域土體吸水后強(qiáng)度軟化最嚴(yán)重，抗剪強(qiáng)度較周圍土體處于較低值，土體易產(chǎn)生相對(duì)大的變形，可能發(fā)育成滑動(dòng)面。

圖7 降雨前后含水率云圖Fig.7 Moisture content nephogram before and after rainfall

4.2 位移場分析

取坡腳（圖5B點(diǎn)）土體為位移監(jiān)測對(duì)象。由降雨過程土體位移曲線及總位移矢量圖（圖8）可知，考慮土體參數(shù)變化的影響時(shí)（圖8a），膨脹土在雨水入滲后會(huì)產(chǎn)生變形，土體位移伴隨降雨時(shí)間持續(xù)增大。根據(jù)位移曲線斜率變化，可將土體位移曲線分為穩(wěn)定變形階段和非穩(wěn)定變形階段：（1）穩(wěn)定變形階段，曲線較平緩、斜率較小，土體位移很小，伴隨降雨持續(xù)變形緩慢增大，以小變形為主；（2）非穩(wěn)定變形階段，曲線較陡峭斜率較大，位移曲線出現(xiàn)顯著拐點(diǎn)后，水平、豎向位移同步猛增，位移變化率較大，降雨結(jié)束后水平、豎向位移數(shù)量級(jí)較大且水平位移大于豎向位移。表明土體受降雨影響產(chǎn)生了不可逆的大變形，可由位移曲線拐點(diǎn)大致判斷邊坡失穩(wěn)時(shí)間點(diǎn)；邊坡內(nèi)部發(fā)育圓弧形滑動(dòng)面，土體順滑動(dòng)面向坡外滑移，中下部土體以水平變形為主，上部土體以豎向變形為主，總體位移數(shù)值較大，表明持續(xù)降雨引發(fā)邊坡整體失穩(wěn)，中下部先產(chǎn)生大變形，誘使上部土體下滑，具備典型牽引式滑坡特征。邊坡內(nèi)部滑動(dòng)面位置與水分匯集區(qū)基本一致，說明雨水入滲過程會(huì)由坡腳向某區(qū)域匯集，致使土體軟化嚴(yán)重、強(qiáng)度降低，向坡頂發(fā)展至貫通，形成圓弧形滑面。

圖8 土體位移曲線及總位移矢量圖Fig.8 Soil displacement curve and total displacement vector diagram

不考慮土體參數(shù)變化因素時(shí)（圖8b）：降雨過程土體位移伴隨降雨歷時(shí)遞增，土體位移變化率由小到大緩慢增加，但土體位移曲線未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。降雨結(jié)束后總位移較大，水平位移遠(yuǎn)大于豎向位移，表明降雨引發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞；邊坡內(nèi)部發(fā)育圓弧形滑動(dòng)面，土體順滑動(dòng)面向外滑移，以水平位移為主，表明上部土體率先產(chǎn)生大變形，推移中下部土體向坡外移動(dòng)，具備典型推移式滑坡特征。

綜上所述，在降雨工況下，考慮土體重度、抗剪強(qiáng)度等因素變化時(shí)，邊坡失穩(wěn)的主因是雨水入滲后在坡內(nèi)某區(qū)域匯集，使土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)伴隨含水率增加而減小，基質(zhì)吸力減小且抗剪強(qiáng)度降低，引發(fā)牽引式滑坡；不考慮土體參數(shù)變化時(shí)，邊坡失穩(wěn)的主因是雨水入滲使地下水位抬升，邊坡后緣水位高于坡腳水位，內(nèi)部雨水向坡腳流動(dòng)產(chǎn)生以水平向?yàn)橹鞯臐B流力且不斷增大，土體基質(zhì)吸力減小導(dǎo)致有效應(yīng)力也減小，引發(fā)推移式滑坡。

4.3 膨脹土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

圖9為膨脹土邊坡的塑性貫通面示意圖。考慮土體重度、抗剪強(qiáng)度等因素變化：雨水先在坡腳處匯集，故坡腳土體強(qiáng)度首先減小產(chǎn)生塑性變形，伴隨雨水持續(xù)入滲，土體抗剪強(qiáng)度逐漸降低，塑性變形逐漸向內(nèi)部發(fā)展；降雨21 h 左右，塑性變形延伸至坡頂形成貫通面，邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)，穩(wěn)定系數(shù)為0.997，滑面形式為坡腳圓；降雨結(jié)束后，穩(wěn)定系數(shù)為0.927。不考慮土體參數(shù)變化時(shí)：土體吸水后吸力減小，有效應(yīng)力也減小，邊坡土體受雨水入滲產(chǎn)生的滲流力作用有向坡外變形的趨勢，伴隨滲流力不斷增大，有效應(yīng)力不斷減小，土體產(chǎn)生塑性變形并不斷發(fā)展，降雨12 h 左右，塑性變形形成貫通面，邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)，穩(wěn)定系數(shù)為0.994，滑面形式為中心圓，降雨結(jié)束穩(wěn)定系數(shù)為0.845。

圖9 邊坡塑性貫通面示意圖Fig.9 Schematic diagram of the plastic through surface in slope

降雨工況，導(dǎo)入子程序計(jì)算考慮了土體重度隨含水率增加而增加，故而邊坡穩(wěn)定系數(shù)有所提高，計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)較大；不導(dǎo)入子程序計(jì)算將土體參數(shù)取為有效強(qiáng)度指標(biāo)，其定值較小故邊坡更易發(fā)生失穩(wěn)破壞（表3）。這可能是兩種情況下邊坡失穩(wěn)時(shí)間不同、穩(wěn)定系數(shù)有偏差的原因。

表3 邊坡穩(wěn)定系數(shù)Table3 Slope stability coefficient

5 結(jié)論

（1）尖山營膨脹土的抗剪強(qiáng)度與含水率密切相關(guān)：伴隨土體含水率增加，黏聚力呈現(xiàn)先增后減的趨勢，內(nèi)摩擦角逐漸減小，總抗剪強(qiáng)度降低。

（2）持續(xù)降雨過程中，雨水首先在坡腳匯集再逐漸向邊坡內(nèi)部入滲，并在一定區(qū)域集中，降雨滲透區(qū)域土體軟化，強(qiáng)度降低，塑性變形增大，逐漸發(fā)展貫通形成圓弧形滑動(dòng)面，最終導(dǎo)致土質(zhì)邊坡發(fā)生牽引式滑動(dòng)。

（3）基于二次開發(fā)技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了考慮膨脹土重度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)伴隨土體含水率動(dòng)態(tài)變化的數(shù)值模擬，且經(jīng)過與傳統(tǒng)數(shù)值模擬對(duì)比，本文所提出的分析方法計(jì)算結(jié)果更合理，可應(yīng)用于非飽和土邊坡的穩(wěn)定性研究分析。