降雨條件下格構(gòu)梁防護(hù)膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析

馬俊宏 沈火明 張波 蔡強

在降雨條件下，非飽和膨脹土邊坡內(nèi)部土水狀態(tài)不斷發(fā)生變化，易導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，進(jìn)而誘發(fā)滑坡災(zāi)害或邊坡失穩(wěn)。針對格構(gòu)梁防護(hù)非飽和膨脹土邊坡在降雨條件下的滑移變形及其整體穩(wěn)定性，基于ABAQUS有限元軟件和濕度場理論構(gòu)建了同時考慮吸濕膨脹效應(yīng)和降雨軟化效應(yīng)的三維格構(gòu)防護(hù)邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析模型。結(jié)果表明：非飽和膨脹土邊坡處于降雨條件下的破壞模式為淺層牽引式破壞，滑移區(qū)域出現(xiàn)在淺表層；考慮吸濕膨脹效應(yīng)前后邊坡的穩(wěn)定性具有顯著差異，表明降雨作用后的軟化、膨脹效應(yīng)是影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性的重要因素。

降雨條件； 非飽和膨脹土邊坡； 格構(gòu)梁； 穩(wěn)定性； 濕度場理論

U416.1+67 A

［定稿日期］2022-03-06

［作者簡介］馬俊宏（1997—），男，碩士，研究方向為膨脹土邊坡穩(wěn)定性以及機械結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬。

膨脹土作為一種災(zāi)害性土質(zhì)廣泛分布于我國境內(nèi)，其具有吸水膨脹、失水收縮、多裂隙性以及易軟化等特點。在降雨工況下膨脹土呈現(xiàn)出顯著的脹縮特性，時常造成土體軟化和強度衰減，坡體發(fā)生淺層破壞后又牽引著深層土體滑移以至于結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)，危害極其嚴(yán)重［1-2］。隨著我國交通工程建設(shè)的大力開展，膨脹土地區(qū)的邊坡工程日益增多，如何高質(zhì)高效地治理滑坡是亟需解決的重大課題。目前，應(yīng)用于邊坡防護(hù)的結(jié)構(gòu)體系是多種多樣，例如抗滑樁、格構(gòu)、預(yù)應(yīng)力錨桿、擋土墻等。在各種新型邊坡支擋結(jié)構(gòu)中，混凝土格構(gòu)體系因受力可靠、便于施工、緊貼坡面、對巖土體干擾小和見效快等優(yōu)點獲得了工程界的青睞，在不良地質(zhì)體加固中扮演者著重要作用。

過去十幾年里，許多學(xué)者對降雨條件下格構(gòu)加固膨脹土邊坡穩(wěn)定性問題開展了研究。王一兆和劉鋒等［3-4］基于飽和-非飽和滲流理論分析了降雨入滲過程中坡體的孔壓和含水率變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在降雨過程中均質(zhì)邊坡淺表層土體的滲透系數(shù)和孔隙水壓力會隨著降雨時長的增加而增大，但基質(zhì)吸力和土體強度會逐漸降低。在考慮降雨對膨脹土膨脹效應(yīng)影響的相關(guān)研究中，章為民等［5］在大量試驗基礎(chǔ)上提出了能夠反映初始干密度、初始含水量以及上覆荷載對膨脹變形綜合影響的理論模型，以此揭示了膨脹變形與膨脹力的內(nèi)在關(guān)系。趙超和孫即超等［6-7］通過試驗數(shù)據(jù)擬合獲得了膨脹力的表達(dá)式，并將膨脹力作為外加載荷施加在非飽和膨脹土邊坡表面，但實際邊坡增濕后產(chǎn)生的膨脹變形更類似于一種體力作用。趙思奕等［8］基于濕度應(yīng)力場理論，將膨脹土吸濕膨脹等效為材料吸熱膨脹，較合理的分析了邊坡考慮降雨吸濕后的穩(wěn)定性。吳禮舟［9］在格構(gòu)梁防護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)研究中采用FLAC3D模擬錨桿格構(gòu)梁聯(lián)合結(jié)構(gòu)加固膨脹土邊坡，表明坡率與坡體的變形密切相關(guān)。葉萬軍等［10］研究了格構(gòu)梁加筋膨脹土的變形特性，表明格構(gòu)梁能抑制土體剪切帶的發(fā)展以及坡體雙向變形。秦宇等［11］利用ABAQUS模擬了邊坡與格構(gòu)梁的相互作用，考慮混凝土格構(gòu)梁的塑性損傷本構(gòu)，模擬結(jié)果表明格構(gòu)梁首先在節(jié)點處發(fā)生損傷破環(huán)，然后損傷演化至跨中，且模擬結(jié)果與試驗一致。

降雨入滲是導(dǎo)致格構(gòu)梁防護(hù)膨脹土邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的重要因素。目前對于降雨條件下膨脹土邊坡的變形機理研究成果較多，但由于坡體與防護(hù)結(jié)構(gòu)的相互耦合作用，現(xiàn)今研究中并沒有聯(lián)合考慮格構(gòu)梁支擋結(jié)構(gòu)在降雨邊坡中的作用機理。因此，對混凝土格構(gòu)體系在膨脹土邊坡中的受力機理的研究是十分必要的。本文基于濕度場理論，開發(fā)ABAQUS用戶子程序，綜合考慮吸濕膨脹、軟化等效應(yīng)對格構(gòu)梁防護(hù)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響作用，分析降雨入滲下膨脹土邊坡變形破壞模式，討論支擋結(jié)構(gòu)對邊坡整體穩(wěn)定性的影響。

1 基本理論

1.1 吸濕膨脹效應(yīng)

針對降雨作用下的吸濕膨脹效應(yīng)，繆協(xié)興等［12］基于膨脹土體的吸濕膨脹和材料升溫膨脹等效的思想提出了濕度應(yīng)力場理論，其建立于熱傳導(dǎo)微分方程和非飽和滲流微分方程的數(shù)學(xué)形式比擬基礎(chǔ)上。

熱傳導(dǎo)微分方程為式（1）。

xλxTx+yλyTy+zλzTz=ρCVTt（1）

式中：T為熱傳導(dǎo)過程中材料溫度，λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)，CV為材料比熱容。

非飽和滲透微分方程為式（2）。

xkxHx+ykyHy+zkzHz=CWHt（2）

式中：H為滲流過程中的壓力水頭高度，k為滲透系數(shù)，CW為水的重度。

利用吸濕膨脹應(yīng)變和升溫膨脹應(yīng)變建立等效關(guān)系，可以獲得等效溫度線膨脹系數(shù)見式（3）。

α=βΔωΔT=β100（3）

式中：β為濕度線膨脹系數(shù)，Δω為含水率增量，ΔT為溫度增量。

張連杰等［13-14］基于膨脹系數(shù)定義，獲得膨脹土濕度線膨脹系數(shù)。以含水率增量Δω為橫坐標(biāo)，膨脹率δH為縱坐標(biāo)繪制曲線，該曲線斜率的1/100即為濕度線膨脹系數(shù)見式（4）。

β=1100dδHdω（4）

式中：δH為試驗所得無荷膨脹率。

1.2 非飽和滲透系數(shù)

目前，基于試驗實測的經(jīng)驗公式和統(tǒng)計模型是獲取非飽和土體滲透系數(shù)的主要方法。本文利用Mualem［15］提出的滲透系數(shù)統(tǒng)計模型，結(jié)合土水特征曲線（SWCC曲線）VG［16］擬合模型，獲得非飽和滲透系數(shù)隨著基質(zhì)吸力的關(guān)系見式（5）、式（6）。

k=kr·k0（5）

kr=Se［1-（1-mSe）m］2（6）

式中：k為非飽和滲透系數(shù)，kr為相對滲透系數(shù)，k0為與土體孔隙相關(guān)參數(shù)，此處等效為飽和滲透系數(shù)ks，Se為有效飽和度。

利用SWCC曲線VG方程獲得有效飽和度，見式（7）。

Se=θ-θrθs-θr=［1+（α·φ）n］-m（7）

式中：α，m，n均為SWCC曲線擬合參數(shù)，θ為體積含水率，θr為殘余含水率，θs為飽和體積含水率，φ為基質(zhì)吸力。

2 數(shù)值建模

2.1 邊坡幾何模型及材料參數(shù)

基于廣西寧明地區(qū)膨脹土邊坡勘測數(shù)據(jù)，簡化構(gòu)建格構(gòu)梁防護(hù)邊坡三維計算模型。坡體寬度為3.6 m，剖面尺寸如圖1所示。坡體分為強膨脹土層、黏土層以及硬黏土層。利用張銳等［17］所測得的寧明地區(qū)非飽和膨脹土SWCC曲線，獲得其VG模型參數(shù)α為0.019，m為0.187，n為1.23。坡體土層材料參數(shù)見表1。格梁采用矩形結(jié)構(gòu)，截面尺寸設(shè)定為0.3 m×0.4 m，其1/4結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，材料為C25混凝土，對應(yīng)的力學(xué)參數(shù)參見表2。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

2.2.1 邊界條件

在ABAQUS計算中，定義坡腳處為初始地下水位面，在水位以下兩側(cè)邊界設(shè)置隨深度線性增大的靜水孔壓，坡體模型其余邊界為ABAQUS默認(rèn)的不排水邊界；約束坡體四側(cè)的法向位移和底面所有線位移；除自重荷載外，另在邊坡表面施加降雨入滲邊界，降雨強度為20 mm·h-1，降雨幅值曲線如圖3所示，降雨時長為72 h。

2.2.2 膨脹及軟化設(shè)置

利用用戶子程序USDFLD和UEXPEN，模擬降雨條件下格構(gòu)梁防護(hù)膨脹土邊坡的吸濕膨脹效應(yīng)。丁金華等［18］根據(jù)室內(nèi)膨脹率試驗，對膨脹土的等效溫度膨脹系數(shù)進(jìn)行了反演擬合，計算其量級在10-4～10-5之間，本文取定等效溫度線膨脹系數(shù)為1.1×10-4。

基于室內(nèi)直剪試驗測得膨脹層內(nèi)摩擦角φ、粘聚力c隨飽和度變化的曲線如圖4所示。將膨脹層的強度設(shè)置為飽和度（或降雨時長）的函數(shù)，用于模擬邊坡的吸濕軟化效應(yīng)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 降雨條件下膨脹土邊坡變形模式

利用用戶子程序考慮降雨吸濕膨脹，并將強度軟化參數(shù)賦予膨脹土層，通過ABAQUS模擬膨脹土邊坡在完整降雨歷程下的滑移變形，結(jié)果如圖5所示。

由圖5結(jié)果可知，邊坡變形滑面為過坡腳的弧面，且非飽和膨脹土邊坡在降雨條件下的破壞模式為淺層牽引式破壞，這與趙思奕等［8］模擬所得結(jié)果相一致。在降雨初始階段，坡體含水率的增量迅速增加，邊坡吸濕膨脹及軟化效應(yīng)效果明顯增加，因此主坡坡體出現(xiàn)淺層牽引滑動。隨著降雨增加，降雨強度達(dá)到峰值，坡體滑移擴(kuò)展至次坡坡面。當(dāng)降雨48 h后，降雨強度逐漸降低，坡體位移的增量呈下降趨勢，降雨停止后最大位移約為7.3 cm。

3.2 降雨對格構(gòu)梁防護(hù)邊坡整體穩(wěn)定性的影響

利用ABAQUS模擬邊坡在考慮膨脹、軟化效應(yīng)下的整體位移和安全系數(shù)。通過對比，分析膨脹、軟化以及格梁結(jié)構(gòu)對整體穩(wěn)定性的影響。表3列出各條件下坡體的最大位移和對應(yīng)的安全系數(shù)，表中不考慮吸濕膨脹及軟化（無防治結(jié)構(gòu)）工況，表示模擬邊坡在不考慮降雨作用且不做格構(gòu)梁防護(hù)工程時，計算邊坡的最大滑移位移以及安全系數(shù)。各工況的安全系數(shù)如圖6所示。添加防護(hù)結(jié)構(gòu)后，施加降雨72 h后的坡體變形云圖如圖7所示。

根據(jù)計算結(jié)果可知：

（1） 非飽和膨脹土邊坡的計算模型在考慮降雨吸濕膨脹和吸濕軟化效應(yīng)后，相比較于未考慮降雨作用時，坡體的最大滑移位移顯著增大，相差3個數(shù)量級，且安全系數(shù)明顯降低。表明經(jīng)降雨作用后的軟化膨脹效應(yīng)是影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性的重要因素。

（2） 對比圖5（c）和圖7，對處于降雨條件下的膨脹土邊坡，考慮格構(gòu)梁防治結(jié)構(gòu)計算所得到的模型最大滑移位移為6.93 cm。相比較于無防治結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果，坡體滑移位移降低，結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)明顯升高，表明了矩形混凝土格構(gòu)梁對非飽和膨脹土邊坡的穩(wěn)定性有促進(jìn)作用。

4 結(jié)束語

利用有限元分析軟件ABAQUS，分析降雨條件下非飽和膨脹土邊坡的變形模式，并考慮矩形混凝土格構(gòu)防治結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定性的影響，獲得結(jié)論：

（1）在降雨條件下，非飽和膨脹土的變形破壞模式為淺層牽引式破壞，滑移區(qū)域從坡腳萌發(fā)，隨著強度弱化以及吸濕膨脹作用，明顯滑移區(qū)域逐漸貫通整個膨脹土層，且滑移區(qū)呈現(xiàn)為圓弧面，符合膨脹土滑坡的淺層牽引滑移特點。

（2）坡體的軟化、膨脹效應(yīng)是影響膨脹土邊坡的重要因素。坡體在考慮軟化以及膨脹效應(yīng)后，滑坡位移顯著增大，坡體安全系數(shù)下降約27%，極易導(dǎo)致非飽和膨脹土邊坡發(fā)生失穩(wěn)滑移。

（3）格梁結(jié)構(gòu)能有效抑制膨脹土邊坡的塑性變形區(qū)域，增強邊坡膨脹土層的整體性。添加防護(hù)結(jié)構(gòu)后，坡體最大滑移位移下降約5%，表明混凝土格梁結(jié)構(gòu)對非飽和膨脹土邊坡有顯著防治效果。

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