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(rùn)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?cè)诨聶C(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(chǎng)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(yáng)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(yǔ)言和Fortran 語(yǔ)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(chǎng)變量(FIELD),應(yīng)用命令流或內(nèi)置語(yǔ)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(yáng)—廣州)高鐵貴州段尖山營(yíng)地區(qū)的膨脹土為研究對(duì)象,推導(dǎo)出適用于尖山營(yíng)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。
國(guó)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(yíng)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(yíng)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(yíng)地區(qū)發(fā)育有膨脹巖土層,尖山營(yíng)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(zhǎng)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(cè)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(yíng)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(yíng)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(yíng)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(shì),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(yíng)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(yíng)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。
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(shì)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。
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(chǎng)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)。
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(yǔ)言在子程序中將含水率定義為場(chǎng)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(chǎng)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(yíng)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(yǔ)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(chǎng)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(yǔ)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(chǎng)變量,根據(jù)尖山營(yíng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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
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(zhǎng)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。
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(cè)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(yíng)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
在降雨入滲非飽和土邊坡過程中,土體受水浸潤(rùn),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(chǎng)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。
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(chǎng)變量,將尖山營(yíng)膨脹土抗剪強(qiáng)度公式編寫成Fortran 語(yǔ)言代碼,導(dǎo)入到USDFLD 子程序中,實(shí)現(xiàn)c*、φ*指標(biāo)與場(chǎng)變量的擬合。
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?jī)煞N情況下膨脹土邊坡變形規(guī)律及穩(wěn)定性特征。
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(shì)。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(rùn)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(rùn)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
取坡腳(圖5B點(diǎn))土體為位移監(jiān)測(cè)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。
圖9為膨脹土邊坡的塑性貫通面示意圖??紤]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(shì),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
(1)尖山營(yíng)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(shì),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。