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    降雨入滲下淺層邊坡失穩(wěn)數(shù)值模擬研究進(jìn)展

    2024-02-08 00:00:00尹進(jìn)張洋趙國興
    四川建筑 2024年6期
    關(guān)鍵詞:有限元分析

    【摘要】

    在邊坡失穩(wěn)破壞中,降雨入滲下的淺層失穩(wěn)占比極大,其多發(fā)性和易發(fā)性,已給交通建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)等工程帶來了較大的損失,引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。針對降雨入滲引起淺層邊坡失穩(wěn)的數(shù)值模擬分析研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展開展了調(diào)研,并對已有的研究工作進(jìn)行了梳理和分類,總結(jié)了各個數(shù)值方法解決降雨入滲下不同類型巖土體邊坡失穩(wěn)各自優(yōu)勢。最后,指出了目前數(shù)值模擬工作研究仍需要繼續(xù)探索之處,如需要關(guān)注邊坡降雨沖刷面、凍土的凍融循環(huán)等的實(shí)現(xiàn)問題,以期對后續(xù)的研究工作提供指引。

    【關(guān)鍵詞】

    降雨入滲; 淺層邊坡; 數(shù)值模擬; 有限元; 有限差分; 離散元

    【中圖分類號】U416.1+4【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

    [定稿日期]2023-05-06

    [基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號:42007247)、四川省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號:2022NSFSC1151);工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(項(xiàng)目編號:20kfgk08)

    [作者簡介]尹進(jìn)(1998—),男,在讀碩士,研究方向?yàn)閹r土工程。

    0 引言

    我國每年滑坡、坍塌等邊坡失穩(wěn)災(zāi)害帶來極大經(jīng)濟(jì)損失,治理邊坡需要更高費(fèi)用。在邊坡失穩(wěn)災(zāi)害中,多數(shù)為降雨引起的邊坡失穩(wěn)變形破壞[1]。其中淺層局部破壞的占比極大,淺層局部破壞雖然沒有深層整體破壞的規(guī)模大,但發(fā)生的次數(shù)多,誘因也多。如膨脹土、黃土等特殊土體,由于其特殊土體結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其容易因降雨引起淺層失穩(wěn)破壞;全風(fēng)化花崗巖、紅層等特殊巖體,長期風(fēng)化作用下導(dǎo)致其易受降雨影響發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞;堆積土、排土場等后期人為形成的邊坡也容易受降雨影響發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞等。由于淺層邊坡失穩(wěn)破壞的多發(fā)性和易發(fā)性,已經(jīng)給人們帶來了交通、經(jīng)濟(jì)等各方面的損失,應(yīng)引起重視。

    目前,研究邊坡淺層失穩(wěn)機(jī)理有多種方法,如:理論、試驗(yàn)及數(shù)值模擬等。其中,針對淺層失穩(wěn),理論分析法往往只是一種粗略的綜合性近似解答,并將邊坡穩(wěn)定性問題作為剛體極限平衡問題來研究,較少研究滑動體內(nèi)部各點(diǎn)的受力狀態(tài)[2]。同時,由于巖土體的不連續(xù)性和不均勻性,理論分析方法又做了諸多假定,不能有效地反映工程實(shí)際狀況[3]?,F(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)軌蛑苯臃磻?yīng)實(shí)際問題,但需考慮季節(jié)、時間、場地和經(jīng)濟(jì)等多方面的因素,成本過高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值分析作為一種有效的研究方法,目前已成為研究邊坡淺層失穩(wěn)的主要研究方法之一。數(shù)值分析方法又稱為應(yīng)力應(yīng)變法,通過編程設(shè)定相關(guān)物理力學(xué)參數(shù),借助計(jì)算機(jī)技術(shù)高效的計(jì)算能力,得到相應(yīng)工程的數(shù)值解,從而為項(xiàng)目建設(shè)提供可靠的分析[4]。本文在閱讀大量文獻(xiàn)后,對降雨入滲下淺層邊坡失穩(wěn)的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行了簡述。

    1 有限元法

    有限元法是將求解域剖分為有限個網(wǎng)格單元,先對局部單元進(jìn)行求解,然后再將單元組合起來進(jìn)行整體分析。是目前應(yīng)用較廣的數(shù)值分析方法[4]。

    ABAQUS有限元分析軟件有著眾多的本構(gòu)模型如Mohr-Coulomb模型等,滲流模塊功能也十分強(qiáng)大,可進(jìn)行滲流和變形的耦合作用等,此外還可進(jìn)行二次編程。全風(fēng)化花崗巖邊坡在長時間強(qiáng)降雨沖刷后極易出現(xiàn)淺層失穩(wěn)破壞,劉澤等[5]運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立失穩(wěn)模型,分別對考慮沖刷和不考慮沖刷的全風(fēng)化花崗巖邊坡進(jìn)行模擬,得到位移等參數(shù)云圖。最后得出降雨沖刷是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)造成水土流失的主要原因。

    非飽和土體邊坡在降雨入滲影響下,造成土體內(nèi)部應(yīng)力和滲流互相影響,導(dǎo)致土體淺層迅速飽和出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,王述紅等[6]運(yùn)用ABAQUS有限元軟件,模擬降雨條件下此邊坡滲流和應(yīng)力兩場耦合,得出降雨入滲下淺層塑形破壞面。

    四川成都地區(qū)黏性土分布較廣,長時高強(qiáng)度降雨影響下,易使黏性土邊坡淺層形成飽和區(qū)使邊坡出現(xiàn)淺層失穩(wěn)破壞,任東興等[7]運(yùn)用ABAQUS有限元軟件計(jì)算,結(jié)合強(qiáng)度折減法,得到降雨入滲條件下此類型邊坡變形分布情況,進(jìn)而得到淺層土體的失穩(wěn)破壞機(jī)理與現(xiàn)場情況基本相同,并給出邊坡修復(fù)方案。

    GeoStudio有限元軟件在國內(nèi)推廣較早,是一款功能全面的巖土工程仿真軟件,自帶Seep/w滲流等八大模塊,在計(jì)算降雨滲流影響邊坡失穩(wěn)問題中應(yīng)用廣泛[8]。均質(zhì)土邊坡在降雨影響下,坡腳處易發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞,王一兆等[9]運(yùn)用GeoStudio有限元軟件自帶的Seep/w模塊,結(jié)合非飽和滲流理論,得到降雨條件下邊坡滲流結(jié)果,進(jìn)而得出淺層邊坡坡腳處的孔壓會在降雨時增大至飽和造成坡腳失穩(wěn)。

    降雨入滲下,非飽和土邊坡的滲透性是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素,王江平等[10]運(yùn)用Geo-Studio有限元軟件對非飽和土邊坡在不同的降雨類型、滲透系數(shù)條件下的降雨入滲過程進(jìn)行數(shù)值模擬,采用 Van-Genuchten估算方法得出降雨入滲過程的孔隙水壓力分布。分析結(jié)果得出降雨強(qiáng)度對滲透性大的非飽和土邊坡影響大。

    呂雨樺等[11]運(yùn)用Geo-Studio有限元軟件自帶的Seep/w、Sigma/w、Slope/w模塊對降雨入滲下的非飽和土邊坡進(jìn)行滲流、應(yīng)力變形三場的直接耦合數(shù)值模擬,結(jié)果得出淺層邊坡受降雨影響劇烈易造成淺層失穩(wěn)。

    在我國東南地區(qū)分布著開挖后易被風(fēng)化,受降雨沖刷影響淺層極不穩(wěn)定的煤系土邊坡,郭友軍等[12]運(yùn)用Geo-Studio有限元軟件的Seep/w模塊和Slope/w模塊,對煤系土邊坡在降雨沖刷下淺層失穩(wěn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,得到降雨作用下土壓力和孔隙水壓力隨時間變化規(guī)律,分析得出了降雨是煤系邊坡失穩(wěn)的主要因素。

    降雨強(qiáng)度和時長對邊坡淺層和深層穩(wěn)定性有著不同程度的影響,郁舒陽等[13] 運(yùn)用Geo-slope有限元軟件內(nèi)嵌的Seep/w和Slope/w模塊,對不同降雨類型條件下邊坡入滲過程進(jìn)行數(shù)值模擬。經(jīng)數(shù)值計(jì)算后得出:不同的降雨類型使土體淺層達(dá)到飽和的時間不同,降水影響深度和孔壓也不同,并且對淺層邊坡的安全系數(shù)的影響也不相同。

    Plaxis有限元軟件不僅可以進(jìn)行彈塑性、滲流等的計(jì)算,還增加了非飽和土的計(jì)算功能。高速公路、國道等線路受各方面因素的影響,不能輕易改變,因此沿線常出現(xiàn)高陡邊坡,在長期風(fēng)化、降雨沖刷等的影響下邊坡淺層易發(fā)生剝落、滑坡等失穩(wěn)現(xiàn)象,王國欣等[14]以浙江某高速線路隧道洞口邊坡為例,運(yùn)用 Plaxis 有限元軟件模擬了滑坡發(fā)生的過程,采用彈塑性材料模擬。通過有效的監(jiān)控動態(tài)反饋,能對出現(xiàn)的隧道洞口邊坡病害進(jìn)行預(yù)測和加以控制。肖超等[15]基于G209 國道某段滑坡為基礎(chǔ),采用Plaxis有限元軟件對降雨條件下邊坡的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。理論計(jì)算值和實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)比較吻合,得出邊坡的開挖切方和降雨是導(dǎo)致此坡體產(chǎn)生滑動的主要原因。

    Midas有限元軟件憑借其豐富的功能和簡易的操作,被大量用于巖土工程領(lǐng)域的研究中。黃土由于其土體的特殊性,容易受天氣的影響發(fā)生淺層失穩(wěn)造成水土流失。葉萬軍等[16]以洛川林業(yè)局溝北邊坡為例,采用Midas有限元軟件,對多次降雨循環(huán)過程進(jìn)行模擬計(jì)算。經(jīng)試驗(yàn)值與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對比得出:邊坡穩(wěn)定性受降雨影響較大,長期降雨會降低邊坡穩(wěn)定性。

    錨桿支護(hù)是邊坡支護(hù)的重要方法,在長時降雨地區(qū)邊坡防護(hù)上尤為重要,李帥等[17]運(yùn)用Midas/GTS有限元軟件對不同降雨量條件下有無系統(tǒng)錨桿支護(hù)的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬。

    鎮(zhèn)江地區(qū)分布著不同程度的非飽和膨脹土邊坡,降雨是影響邊坡失穩(wěn)最主要的因素,梅嶺等[18]運(yùn)用Midas/GTS有限元軟件對此類型邊坡不同類型降雨下的入滲過程進(jìn)行數(shù)值模擬,得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)在此過程中的變化規(guī)律。

    除了上述主流有限元軟件外,COMSOL有限元仿真軟件可提供多物理場仿真平臺,以及耦合多個物理場的功能和工具。秦曉同等[19]提出水熱耦合模型,運(yùn)用COMSOL有限元仿真軟件對不同強(qiáng)度降雨入滲下凍土邊坡的失穩(wěn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,并與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果對比分析得出:降雨越強(qiáng),淺層凍土達(dá)到飽和越快,凍土內(nèi)部逐漸融化,入滲率逐漸變高。

    此外為使結(jié)果更接近現(xiàn)場真實(shí)情況,巖土工作者們將理論分析方法與數(shù)值模擬方法結(jié)合研究邊坡失穩(wěn)。連鎮(zhèn)營等[20]采用有限元強(qiáng)度折減法法對開挖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了較為全面的研究。曾亞武等[21]采用有限元極限平衡法,計(jì)算邊坡巖土體內(nèi)滑動面上的的應(yīng)力應(yīng)變和位移分布,以求出邊坡滑動面的安全系數(shù)。

    GeoStudio有限元軟件自帶Seep/w等八大模塊,在研究考慮降雨滲流作用下邊坡失穩(wěn)過程時應(yīng)用更多。然而有限元法局限于連續(xù)介質(zhì)的坡體,不適合在處理非連續(xù)介質(zhì)的坡體。有限元法在解決存在大變形邊坡問題時效果也不盡人意[22]。

    2 有限差分法

    巖土工作者們根據(jù)顯示有限差分原理快速分析的優(yōu)勢,開發(fā)出了另一種新的數(shù)值模擬方法——有限差分法。程序?qū)⒂?jì)算區(qū)域內(nèi)的介質(zhì)劃分為若干個二維單元單元之間用節(jié)點(diǎn)相互連接[23]?;谟邢薏罘址ㄑ芯繙\層邊坡失穩(wěn)的最常用的計(jì)算機(jī)軟件是FLAC系列軟件。FLAC3D是基于快速拉格朗日分析方法的巖土有限差分軟件,能夠準(zhǔn)確描述巖土體材料的非線性破壞 ,廣泛應(yīng)用于各種大型三維巖土工程研究與設(shè)計(jì)[24] 。

    黃土邊坡由于其土體的特殊性,風(fēng)化和降雨容易引發(fā)黃土邊坡發(fā)生淺層破壞[25]。青藏高原東北部地區(qū)分布著廣泛黃土,其邊坡極易因氣候變化產(chǎn)生滑坡等失穩(wěn)破壞,李國榮等[26]運(yùn)用FLAC2D有限差分軟件對降雨入滲下該邊坡失穩(wěn)進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果對比得出:短時降雨使邊坡淺層含水量迅速提高直至飽和,致土體抗剪強(qiáng)度降低直至發(fā)生失穩(wěn)。

    氣候變化引起凍土地區(qū)降雨量增大,導(dǎo)致活動層沿多年凍土層滑脫,誘發(fā)凍土邊坡發(fā)生淺層失穩(wěn)[27]。霍曉龍等[28]運(yùn)用FLAC3D軟件及內(nèi)嵌的FISH語言,編寫了路基計(jì)算參數(shù)隨溫度變化的程序,對蘭新二線典型凍土路基的凍融變形問題進(jìn)行了模擬分析。并驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性與可靠性。

    蔣中明等[29]運(yùn)用FLAC3D軟件內(nèi)嵌FISH語言,結(jié)合非飽和滲流理論,編寫降雨入滲邊界函數(shù)和非飽和區(qū)滲透系數(shù)變化函數(shù),實(shí)現(xiàn)了降雨條件下邊坡飽和、非飽和滲透過程的模擬。陳亮勝等[30]運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件和內(nèi)嵌的FISH語言,結(jié)合應(yīng)變軟化理論,對降雨入滲下非飽和膨脹土邊坡進(jìn)行滲流、膨脹變形和應(yīng)變軟化三場耦合的數(shù)值模擬分析,得到邊坡破壞特征。

    降雨引發(fā)膨脹土邊坡發(fā)生反復(fù)脹縮變形,產(chǎn)生大量裂隙,形成一個淺層風(fēng)化帶,最終引發(fā)邊坡淺層土體崩塌破壞[31]。安徽省北沿江馬巢高速公路段,由于線路走線導(dǎo)致其路段沿線分布著大量膨脹土邊坡,極易受降雨開挖的影響給日常使用帶來安全隱患。周峙等[32]運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D對此路段邊坡降雨前后和雨水侵入深度不同的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算,得出此路段邊坡隨著浸水深度增加,邊坡穩(wěn)定系數(shù)大幅降低,說明雨水是導(dǎo)致此類膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要原因。肖杰等[33]運(yùn)用FLAC2D有限差分軟件內(nèi)嵌FISH語言,結(jié)合熱-固耦合、非飽和二項(xiàng)流模型,實(shí)現(xiàn)了滲流場、位移場和應(yīng)力場淺層邊坡的三場耦合,研究是否考慮土體的吸濕膨脹效應(yīng)與不同降雨類型下對膨脹土邊坡失穩(wěn)的影響。

    裂縫在邊坡中的作用是兩面性的,好的一面有助于排出坡體內(nèi)部地下水,壞的一面是容易受降雨影響造成邊坡失穩(wěn),馬蓓青等[34]運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件對長時間降雨下裂縫發(fā)展致邊坡失穩(wěn)進(jìn)行數(shù)值模擬,數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果對比分析得出:長期降雨使黃土邊坡強(qiáng)度降低,形成裂縫又加劇了雨水入滲,最終使邊坡失穩(wěn)。

    植被根系對維持邊坡淺層穩(wěn)定性有著積極作用,利用植被進(jìn)行邊坡防護(hù),有降低成本、改善環(huán)境等益處。毛正君等[35]運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件,模擬降雨入滲下含不同生長時期紫花首蓿根系的黃土淺層失穩(wěn)模型,將黃土體和根系視作整體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得出植被根系的發(fā)育增強(qiáng)了坡體整體的強(qiáng)度,起到了加固的作用。

    FLAC3D軟件也可進(jìn)行二次編程,徐文剛等[36]利用 Python編程語言對 FLAC3D進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了“二分法”強(qiáng)度折減法的全面優(yōu)化,既可以提高精度也能節(jié)約時間。

    有限差分法能夠處理非線性變形邊坡,被廣泛應(yīng)用于大變形邊坡的模擬分析上,但仍需把坡體視作連續(xù)介質(zhì)的坡體,處理非連續(xù)性坡體時不如離散元法。

    3 離散元法

    有限元和有限差分法,都適合采用連續(xù)介質(zhì)作為研究對象。對于研究存在大量不連續(xù)介質(zhì)的邊坡具有一定的局限性[37]。 P. A. Cundall 等[38]首先提出了離散元法(DEM)。離散元法能模擬巖土結(jié)構(gòu)的不連續(xù)、非均質(zhì)的特點(diǎn),在涉及到軟弱夾層、節(jié)理與裂隙的巖體介質(zhì)邊坡問題中,具有很強(qiáng)的適用性。離散元法將研究對象劃分為若干剛性塊體,塊體之間可以產(chǎn)生平動或轉(zhuǎn)動,通過賦予不同的塊體接觸關(guān)系研究宏觀介質(zhì)的力學(xué)性態(tài)[39]。

    顆粒流程序(PFC)模型的組成單元是許多微小的圓形顆粒,相鄰的顆粒間以特定方式彼此粘結(jié),形成若干團(tuán)聚體。在運(yùn)行過程中這些團(tuán)聚體可能會破壞、受力運(yùn)動、相互作用等,由此分析穩(wěn)定性、變形特征、模型的本構(gòu)關(guān)系等。PENG等[40]在PFC軟件中建立了考慮巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)模型。采用綜合巖體(SRM)方法模擬節(jié)理巖體的力學(xué)行為。確定模型微觀參數(shù),對此邊坡失穩(wěn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,得出邊坡破壞以局部淺層破壞為主。

    煤系土邊坡開挖后在風(fēng)化降雨作用下,使邊坡極易出現(xiàn)坍塌、滑坡等失穩(wěn)現(xiàn)象,張鴻等[41]運(yùn)用PFC3D離散元軟件內(nèi)嵌轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)DEM-CFD流固耦合,對邊坡降雨入滲下的失穩(wěn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。得出此方法下降雨沖刷是造成煤系土邊坡的失穩(wěn)破壞的主要原因。四川古藺縣某邊坡在長期降雨影響下,發(fā)生了大型滑坡,李龍起等[42]運(yùn)用PFC2D離散元軟件對此邊坡失穩(wěn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,數(shù)值計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值吻合,表明此離散元分析方法可為研究同類型邊坡提供理論指導(dǎo),同時對該邊坡滑坡有預(yù)測作用。

    離散元(DEM)是一種動態(tài)的數(shù)值分析方法, 同樣具有二次編程的功能。南軒等[43]運(yùn)用離散元(DEM)軟件的二次開發(fā)能力,通過CFD-DEM耦合方式實(shí)現(xiàn)滲流過程中顆粒間粘結(jié)力與雨水滲流的變化情況,以此來模擬滲流邊坡失穩(wěn)過程。

    劉春教授團(tuán)隊(duì)在離散元法的基礎(chǔ)上,開發(fā)了離散元軟件MatDEM(矩陣離散元),支持二次開發(fā),支持?jǐn)?shù)百萬單元的離散元數(shù)值模擬,以及多場和流固耦合數(shù)值模擬[44]。朱永東等[45]以內(nèi)蒙古元寶山露天煤礦內(nèi)排土場為例,并且運(yùn)用離散元方法(MatDEM)的快速 GPU 矩陣計(jì)算模擬降雨入滲過程和淺層滑坡全過程。得到降雨條件下內(nèi)排土場的淺層破壞與運(yùn)動特征,成果可為內(nèi)排土場淺層滑坡機(jī)理研究提供參考。

    靳福杰等[46]采用離散元分析方法研究蒸發(fā)降雨條件下膨脹土邊坡裂隙的發(fā)展機(jī)理,通過Geo-studio有限元分析軟件模擬得到此條件下邊坡的含水率分布情況,再運(yùn)用MatDEM離散元軟件得到含水率分布和裂隙的變化情況,得出外部蒸發(fā)、降雨的過程會導(dǎo)致邊坡內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生和變化。

    3DEC離散元數(shù)值模擬軟件自帶各向異性模型、莫爾庫侖模型、Drucker-Prayer模型等常用模型。寧宇等[47]利用3DEC軟件建立數(shù)值模型,結(jié)合強(qiáng)度折減法對某水電站高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,并與已知計(jì)算方法的結(jié)果對比,驗(yàn)證該方法的可靠性。

    UDEC離散元數(shù)值模擬軟件分析邊坡失穩(wěn)問題常與強(qiáng)度折減法結(jié)合適用[48]。雷遠(yuǎn)見等[49]運(yùn)用離散元UDEC與強(qiáng)度折減法結(jié)合,對含多結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,得出邊坡的安全系數(shù)。

    離散元法較其他數(shù)值模擬方法,更適合處理非連續(xù)介質(zhì)土體的邊坡。

    4 其他數(shù)值模擬方法

    除了上述的數(shù)值模擬方法外,還有邊界元法(BEM)、非連續(xù)單元法(CDEM)、不連續(xù)變形分析法(DDA)等應(yīng)用在邊坡問題的數(shù)值模擬方法。鄧琴等[50]利用邊界元法得到二維邊坡體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)。但邊界元法要求事先知道控制微分方程的基本解 ,不能求解大變形問題。目前邊界元方法在地下洞室類似結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛 [51]。

    牛犇等[52]運(yùn)用非連續(xù)單元法CDEM建立高精度的三維邊坡模型對不同降雨條件下的邊坡失穩(wěn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,實(shí)現(xiàn)降雨入滲下滲流、應(yīng)力兩場耦合,得到邊坡破壞形式,并與強(qiáng)度折減法結(jié)果進(jìn)行比較,研究成果對此地區(qū)邊坡有指導(dǎo)意義。

    不連續(xù)變形分析法(DDA)優(yōu)勢在于計(jì)算破壞后的大位移, 如滑動、爆破等, 特別適合于極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)。劉國陽等[53]以西藏自治區(qū) G318 國道某典型滑坡為例,運(yùn)用3D-DDA方法研究巨石崩塌失穩(wěn)特征,分析巨石崩塌失穩(wěn)機(jī)制和巖不同坡形的運(yùn)動軌跡特征。

    5 結(jié)論

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法已成為研究邊坡淺層失穩(wěn)的重要研究方法之一。從目前的研究現(xiàn)狀可以看出:有限元法是仍然是研究淺層邊坡失穩(wěn)機(jī)理的主流方法,且有限差分、離散元等方法亦在該領(lǐng)域大放異彩。如GeoStudio有限元軟件自帶Seep/w等八大模塊,研究降雨滲流下的淺層邊坡很有優(yōu)勢。但是在研究大變形邊坡上不盡人意,也局限于研究連續(xù)介質(zhì)土體的邊坡。有限差分法用于研究解決大變形邊坡問題,如凍土邊坡失穩(wěn)破壞等。離散元法在處理非連續(xù)介質(zhì)邊坡時很有優(yōu)勢,如采用GPU矩陣計(jì)算法的離散元軟件MatDEM,大大提高了計(jì)算速度,能夠處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)邊坡的計(jì)算分析。

    需要指出的是:

    (1)降雨入滲下考慮固液兩相的數(shù)值模擬雖然已較成熟,但巖土為三相體,當(dāng)前考慮固液氣三相的數(shù)值模擬研究較少。

    (2)數(shù)值分析方法在模擬降雨入滲沖刷面時,仍然與現(xiàn)場沖刷面有較大差距。

    (3)數(shù)值模擬法計(jì)算孔隙水壓力問題時,仍然需結(jié)合其他方法進(jìn)行計(jì)算,且數(shù)值分析對凍土的凍融循環(huán)破壞也不易實(shí)現(xiàn)。

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