基于有限元地下水對邊坡穩(wěn)定性影響分析

張占輝

(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)大隊(duì)(河北省海洋地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中心),河北 唐山 063000 )

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼,其中邊坡工程占有不可忽視的比例。邊坡的穩(wěn)定性與諸多因素相關(guān),其中降雨和地下水位波動是導(dǎo)致邊坡破壞最常見的自然因素,因此研究降雨條件下,邊坡穩(wěn)定性具有重要意義[1-4]。

賀鵬等人[5]以某水庫邊坡為研究背景,通過大型模型箱試驗(yàn)來分析降雨強(qiáng)度、庫區(qū)水位波動及其組合作用等因素對庫岸滑坡的誘發(fā)機(jī)制;陳茜等人[6]基于簡布法構(gòu)建了考慮土體重度、土體強(qiáng)度水敏性和坡頂拉張裂縫耦合影響的邊坡穩(wěn)定性分析模型;劉偉[7]采用有限元分析程序PLAXIS 2D2012確定選定位置處邊坡的位移和安全系數(shù),研究了拓林水庫在不同水位降深條件下的邊坡穩(wěn)定性;趙飛[8]為了研究平頂水庫庫岸邊坡的穩(wěn)定性,建立了三維數(shù)值分析模型,分析邊坡坡度、滲透系數(shù)、水位下降速率對坡體孔隙水壓力的影響以及庫岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響;李浩等人[9]基于飽和-非飽和滲流及流固耦合計(jì)算理論,采用數(shù)值模擬方法建立了邊坡有限元分析模型;萬利軍等人[10]研究了荷載條件下,土體邊坡隨滲透性、沉降速率和沉降比變化的穩(wěn)定性;朱啟雄[11]采用了Geo-studio有限元仿真軟件模擬進(jìn)行數(shù)值模擬分析;尹祖迎[12]分析和研究了影響邊坡穩(wěn)定性的因素,采取合理的邊坡防護(hù)措施。

本文以位于河北省的某邊坡工程為例,基于現(xiàn)場勘察資料,采用ABAQUS有限元軟件,分析了降雨條件下不同性質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉砂邊坡孔隙水壓力以及安全系數(shù)變化規(guī)律,研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

本次研究的邊坡工程位于河北省,由殘積土組成,山坡坡度偏陡,雨季降雨量較大。由于受巖石風(fēng)化作用,該地區(qū)在空間分布上由三種土壤組成,前兩種為不同性質(zhì)的粉質(zhì)粘土,后一種為粉砂,其中粉砂是該地區(qū)發(fā)生滑坡的主要土層。第一種粉質(zhì)粘土呈紅色,比重2.61,級配粒徑組成為D10=0.12 mm,D30=0.18 mm,D60=0.29 mm,均勻系數(shù)Cu為2.42,曲率系數(shù)Cc為0.93,最大干密度和最佳含水量分別為1.58 g/cm3和22.4%,滲透率為8.38×10-6m/s。第二種粉土的性質(zhì)與第一種相似,測得其比重2.7,液限和塑限分別為41.5%和23.2%,滲透系數(shù)為6.65×10-5m/s。第三種土粉砂為不良級配粉砂,呈黃色,其比重為2.44,級配粒徑組成為D10=0.095 mm,D30=0.16 mm,D60=0.25 mm,均勻系數(shù)Cu為2.63,曲率系數(shù)Cc為1.08。此外,室內(nèi)試驗(yàn)測得土壤滲透率為8.38×10-7m/s,土壤密度1.52 g/cm3,含水率14.8%。

2 數(shù)值模型建立

在本次研究中,采用有限元方法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。邊坡坡角35°,坡高20 m,坡底長90 m,坡臺長30 m,坡體前水位線距離平臺面5 m高,坡體后水位線距離坡頂10 m。為探討不同土體性質(zhì)對邊坡穩(wěn)定性的影響,本次根據(jù)第2節(jié)中的勘察結(jié)果,共建立了3個不同性質(zhì)的土坡。模型設(shè)定降雨區(qū)域坡頂?shù)慕涤陱?qiáng)度為3.6cos35°,降雨時長48 h。數(shù)值模型采用Abaqus中結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分技術(shù),包含了四邊形和三角形單元網(wǎng)格,邊界條件為約束模型底部的水平和豎直位移,約束兩側(cè)的水平位移。邊坡安全系數(shù)計(jì)算采用強(qiáng)度折減法兩種方法進(jìn)行計(jì)算。圖1為邊坡模型,表2為本次數(shù)值計(jì)算參數(shù)。

表1 試驗(yàn)材料性質(zhì)

圖1 邊坡模型

3 數(shù)值結(jié)果分析

圖2給出了降雨24 h后三種不同土壤的邊坡孔隙水壓力等值線。由圖可知,由于粉砂的滲透性低,粉砂邊坡的最大負(fù)孔隙壓力在-63～-40 kPa之間,而第一種粉質(zhì)粘土和第二種粉質(zhì)粘土的最大吸力值保持在-40～-17 kPa的范圍內(nèi)。此外,邊坡中的水位隨降雨時間變化而變化,說明三種土體的不同力學(xué)特性會導(dǎo)致地下水位出現(xiàn)不同形式的波動。其中,第一種粉質(zhì)粘土中的地下水位線與平臺以及坡體表面中間區(qū)域重合,然后平行于坡頂波動。對于第二種粉質(zhì)粘土,地下水位與坡趾部分相切,然后以拋物線模式逐漸下降。對于砂土邊坡,地下水位從前端平臺上升并在坡趾附近與坡面重合,而后逐漸下降。從圖中的邊坡的安全系數(shù)可以看出,粉砂邊坡相比于粉質(zhì)粘土邊坡更穩(wěn)定,安全系數(shù)達(dá)到1.852,而第一種粉質(zhì)粘土邊坡安全系數(shù)最小,僅為1.656。

圖2 邊坡孔隙水壓力等值線

邊坡安全系數(shù)隨時間的變化如圖3所示?？梢杂^察到,在降雨滲透過程中,邊坡的安全系數(shù)因基質(zhì)吸力的減少而降低,因此降低了土壤中的有效凝聚力。第二種粉質(zhì)粘土邊坡的最大初始安全系數(shù)接近2.6,在24 h時降至1.683,在48 h時恢復(fù)至1.923。在三種土壤中,粉砂邊坡的初始安全系數(shù)最低,安全系數(shù)從最初的1.996,在24 h降至1.928,在48小時降至1.904。粉砂邊坡安全系數(shù)的變化很小,這是因?yàn)榻涤戤a(chǎn)生的水由于土壤滲透性低(小于降雨強(qiáng)度)發(fā)生飽和而無法滲透,并且水以徑流形式流動。此外,第一種粉質(zhì)粘土邊坡表現(xiàn)出與第二種粉質(zhì)粘土邊坡非常相似的特性,安全系數(shù)從初始值2.376降低至24 h時的1.656。在降雨不足的情況下,第一種粉質(zhì)粘土的安全系數(shù)降低主要是由于地下水位的升高。對于第二種粉質(zhì)粘土,邊坡穩(wěn)定性的降低主要是由于基質(zhì)吸力的降低,而降雨結(jié)束后,兩種邊坡的安全系數(shù)恢復(fù)率很高。粉砂邊坡幾乎不受降雨強(qiáng)度的影響。

圖3 邊坡安全系數(shù)隨時間的變化

4 結(jié)語

本文以位于河北省的某邊坡工程為例,基于現(xiàn)場勘察資料,采用ABAQUS有限元軟件,分析了降雨條件下不同性質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉砂邊坡孔隙水壓力以及安全系數(shù)變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,粉砂邊坡的最大負(fù)孔隙壓力在-63～-40 kPa之間,而第一種粉質(zhì)粘土和第二種粉質(zhì)粘土的最大吸力值保持在-40～-17 kPa的范圍內(nèi)。在降雨24h后,粉砂邊坡相比于粉質(zhì)粘土邊坡更穩(wěn)定,安全系數(shù)達(dá)到1.852,而第一種粉質(zhì)粘土邊坡安全系數(shù)最小,僅為1.656。