降雨條件下岸堤非飽和邊坡變形及加固分析

羅健平

( 廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635 )

近年來隨著國家經(jīng)濟實力的提升，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐加快，越來越多的河堤與岸坡工程正在投入建設(shè)和使用當中。然而，一些邊坡項目受周邊地質(zhì)環(huán)境和極端天氣的影響災(zāi)害頻發(fā)，造成人員和大量經(jīng)濟損失，因此在工程施工前后對邊坡的穩(wěn)定性進行分析十分必要。然而在眾多致災(zāi)因子中，降雨是導(dǎo)致天然土坡滑動和工程邊坡失穩(wěn)災(zāi)害事故頻發(fā)的最主要和普遍的環(huán)境因素[1]。在雨水入滲過程中，邊坡土體的含水率會發(fā)生改變[2], 使土體在非飽和與飽和狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換[3]，從而改變土體的基質(zhì)吸力和抗剪強度, 最終導(dǎo)致工程事故發(fā)生[4]。

目前，國內(nèi)外通常采用數(shù)值模擬的方法來研究非飽和邊坡的穩(wěn)定性，其常用的數(shù)值理論包括有限元法[5]、有限差分法[6]、離散元法[7]等。其中，由達索公司基于有限元方法開發(fā)的ABAQUS軟件有著成熟的理論基礎(chǔ)，當中包含多種類型的材料模型庫，可以模擬土壤與巖石等地質(zhì)材料的應(yīng)力應(yīng)變以及位移變形分析，因此被廣泛用于邊坡穩(wěn)定性問題分析[8]。李寧等[9]采用Python語言對ABAQUS軟件的降雨入滲邊界進行二次開發(fā),將降雨邊界作為不定邊界, 綜合評價抗滑樁的加固效果; 崔亮等[10]以非飽和土力學(xué)理論為基礎(chǔ), 結(jié)合降雨入滲過程, 采用ABAQUS軟件中流固耦合模型對降雨條件下土坡穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬分析，徐水平等[11]以茶陽車站滑坡為實例, 采用ABAQUS數(shù)值分析法建立了滑坡與抗滑樁相互作用的三維計算模型, 并基于非飽和土理論, 采用流固耦合方式模擬了不同降雨條件下的滑坡-抗滑樁作用體系分布規(guī)律。

本文在上述文獻基礎(chǔ)上，以河堤黏土質(zhì)邊坡為例，基于強度折減法和飽和非飽和流固耦合理論，模擬分析了不同降雨時長下，邊坡的變形位移以及安全系數(shù)。此外還對比分析了不同降雨時長下，土坡加固前后邊坡安全系數(shù)的變化，樁土之間的應(yīng)力關(guān)系，以及抗滑樁對邊坡塑性區(qū)的貫通以及穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果將為相關(guān)黏質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析提供參考。

1 有限元強度折減法

強度折減法最早由Zienkiewicz教授提出，其含義是在外部條件不變的情況下，邊坡內(nèi)部的最大抗剪強度與真實產(chǎn)生的剪切應(yīng)力之間的比值。在現(xiàn)實的工程中，當邊坡發(fā)生破壞時，上述兩個數(shù)值相等。這種抗剪強度折減系數(shù)與邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)Fs的含義相同，并與極限平衡法中的穩(wěn)定性安全系數(shù)概念相似。強度折減法的參數(shù)表達式為如下

(1)

φm=tan-1(tanφ/Fr)

(2)

式中：c和φ是材料所能夠提供的最大黏聚力和內(nèi)摩擦角；cm和φm是材料實際發(fā)揮的黏聚力和內(nèi)摩擦角；Fr為折減系數(shù)。

2 非飽和流固耦合理論與降雨條件設(shè)置

持續(xù)的降雨會升高地下水位，增加孔隙水壓力，使得地下水位以上出現(xiàn)暫緩飽和區(qū)，而降雨入滲是典型的非飽和流固耦合現(xiàn)象，根據(jù)非飽和圖流固耦合理論，材料滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力、可采用如下關(guān)系式：

Kw=awKws/[aw+(bw×(ua-uw))cw]

(3)

式中：Kws為土體飽和時的滲透系數(shù)；ua和uw分別為氣壓和水壓力，其余參數(shù)為材料參數(shù)。而飽和度與基質(zhì)吸力關(guān)系為：

Sr=Si+(Sn-Si)as/[as+(bs×(ua-uw))cs]

(4)

式中：Sr為飽和度；Si為殘余飽和度；Sn為最大飽和度，其余為材料參數(shù)。

對于降雨入滲邊界條件的選取，通常分為3種情況。第一種為無地表徑流且降雨全部入滲，入滲率保持不變。第二種為雨水全部入滲，但土壤允許入滲量隨入滲深度增加而減少，邊坡坡面為流量邊界。第三種為降雨強度大于土壤入滲流量，形成地表徑流。本文根據(jù)當?shù)貧庀缶炙l(fā)布的降雨資料，選取第二種情況作為此次分析的降雨邊界。

3 模型建立與計算參數(shù)

本次建立的庫岸邊坡模型位于浙江省某水庫，根據(jù)室內(nèi)試驗測試其主要組成部分為黏土礦物，包括有蒙脫石、伊利石等，碎屑礦物主要有石英與長石，其次含有少量方解石。通過對土樣進行物理力學(xué)性質(zhì)測定，測得其，密度為1.9 g/m3，干密度1.47 g/m3，含水率20%，塑限含水率25%，液限含水率50%，塑性與液性指數(shù)分別為26，0.28。本次概化的邊坡斷面模型為三維模型，坡底長25.3 m， 坡高17.8 m，上部平臺長7.5 m，底部坡角43.2°，黏土力學(xué)參數(shù)為室內(nèi)試驗所得平均值，但注意由于考慮的是非飽和邊坡，這里摩爾庫倫參數(shù)均采用有效值。本文考慮0、24、48、72 h 4個降雨工況，區(qū)域坡頂?shù)慕涤陱姸葹?0.2cos43.2°。圖1為本次概化模型尺寸，圖2為降雨幅值曲線，表1為本次計算力學(xué)參數(shù)。

圖1 邊坡概化模型尺寸表1 模型計算力學(xué)參數(shù)

彈性模量/MPa泊松比內(nèi)摩擦角/°粘聚力/kPa重度/kN/m31100.25382520

圖2 降雨幅值曲線

4 不同降雨時間下邊坡穩(wěn)定性分析

通過數(shù)值分析得出，在降雨時刻為0時，水壓力分布呈線性分布，飽和度為1。在降雨24h時，邊坡孔壓分布開始發(fā)生變化，邊坡頂部以下的吸力區(qū)范圍與基質(zhì)吸力逐漸減小。當降雨至48 h后，法向方向的飽和度逐漸增大，孔隙水壓力也呈明顯增長趨勢，此時邊坡淺層的基質(zhì)吸力逐漸消失。最后，在降雨至72 h后，邊坡由于不在受降雨荷載作用，飽和度隨著時間增加不斷減少，孔隙水壓力同時也呈降低趨勢，但此時邊坡淺層的基質(zhì)吸力開始增加。為探究降雨對邊坡位移的影響，現(xiàn)根據(jù)降雨72 h工況下，對降雨引發(fā)的邊坡沉降進行分析。此次計算的最大水平位移發(fā)生在坡角，為10.86 mm，而最大沉降發(fā)生在邊坡中上部，為7.6 mm。這是由于邊坡降雨之后，土的吸力降低，孔壓增加，根據(jù)有效應(yīng)力原理，土體有效應(yīng)力增加，發(fā)生回彈。

為探究降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，本次計算采用的是軟件重啟動技術(shù)，先將降雨工況下邊坡變形計算結(jié)果保存之后，在model-editatrributes選擇重啟動所需要的源文件。完成上述步驟之后，再制定讀入數(shù)據(jù)的時間，并選擇結(jié)束時間，此時就可對不同降雨時刻下的邊坡進行強度折減分析。

圖3計算了不同降雨時刻邊坡的安全系數(shù)。由圖可知，隨著降雨時間的增加，邊坡安全系數(shù)不斷減小，這是由于持續(xù)的降雨會增加坡體內(nèi)部的孔隙水壓力與滲透力，減小了土體的抗剪強度和基質(zhì)吸力，從而使邊坡更加容易產(chǎn)生下滑的趨勢。

圖3 不同降雨時刻邊坡的安全系數(shù)

5 抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性分析

為分析邊坡通過抗滑樁加固后對降雨的響應(yīng)分析，本文采用混凝土單樁對邊坡進行加固，來分析降雨0、24、48、72 h 后邊坡的安全系數(shù)與樁體變形。此次加固混凝土樁長13 m，樁徑0.8 m，距離邊坡最左端14 m，彈性模量34 GPa，重度24 kN/m3，樁側(cè)的切向摩擦系數(shù)為0.5，法向采用硬接觸，計算用對稱分析方法。圖4為本次模型網(wǎng)格劃分與尺寸示意圖。其他計算參數(shù)與之前分析保持一致。

圖4 抗滑樁加固邊坡模型尺寸

圖5 不同降雨時刻下抗滑樁加固前后邊坡安全系數(shù)

圖5給出了不同降雨時刻下，加固后與加固前邊坡的安全系數(shù)對比圖。由圖可知，隨著降雨時間的持續(xù)增長，邊坡的安全系數(shù)同樣降低，但加固后邊坡的安全系數(shù)明顯高于未加固時的邊坡，抗滑樁對上部土體向下的滑動變形起到了阻止作用。當降雨72 h后，計算出邊坡最大水平位移為4.2 mm，而最大沉降為5.3 mm。為節(jié)約篇幅，本文選取0時刻的邊坡來分析抗滑樁與土體之間的相互作用。圖6為邊坡的塑性應(yīng)變云圖。由圖可知，抗滑樁阻止了邊坡滑面的貫通，其中在抗滑樁前滑弧最為明顯，而抗滑樁之后的滑弧較淺，但樁體上部分與樁后土產(chǎn)生了明顯的擠壓效應(yīng)。圖7為邊坡的米塞斯應(yīng)力云圖。如圖所示，邊坡主要在中部以上產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在邊坡頂部與底部應(yīng)力相對較小，說明樁體頂部可能發(fā)生了脫開變形，而底部呈錨固狀態(tài)，與長樁的變形模型相吻合。

圖6 邊坡的塑性應(yīng)變云圖

圖7 邊坡的米塞斯應(yīng)力云圖

6 結(jié)語

本文基于有限元強度折減法和非飽和流固理論對3D邊坡在不同時刻降雨后穩(wěn)定性進行了分析，同時對比了抗滑樁加固前后邊坡安全系數(shù)的變化，主要得到了以后結(jié)論：

(1)隨著降雨時間的增加，邊坡中土的吸力會降低，孔壓增加，土的有效應(yīng)力會減小，同時導(dǎo)致抗剪強度降低，增加了滑坡的風(fēng)險。此外，邊坡的安全系數(shù)與降雨時間呈負相關(guān)。

(2)隨著降雨時間的持續(xù)增長，加固后的邊坡，其安全系數(shù)同樣降低，但安全系數(shù)明顯高于未加固時的邊坡，抗滑樁對上部土體向下的滑動變形起到了阻止作用。

(3)抗滑樁阻止了邊坡滑面的貫通，其中在抗滑樁前滑弧最為明顯，而抗滑樁之后的滑弧較淺，但樁體上部分與樁后土產(chǎn)生了明顯的擠壓效應(yīng)。