李 寧,劉冠麟,許建聰,張利偉,唐詩晴,吳 數(shù)

(1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092；3. 四川省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610081)

滑坡已成為僅次于地震的全球第二大自然災(zāi)害,其每年在我國造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)100億元以上[1～2]。統(tǒng)計(jì)資料表明,降雨是導(dǎo)致滑坡的最主要和最普遍的環(huán)境因素[3]。因此,對(duì)降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

劉艷輝等[4]、趙國通等[5]采用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)降雨滑坡進(jìn)行了研究；張?zhí)惖萚6]采用物理模型試驗(yàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨條件下邊坡變形演化規(guī)律進(jìn)行了研究。數(shù)值模擬作為一種有效的研究方法也被廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性的研究中,尤其是有限元強(qiáng)度折減法,因其為邊坡穩(wěn)定系數(shù)及其滑面的確定提供了一條有效途徑,而被越來越多的學(xué)者應(yīng)用于降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的研究中。Cai等[7]采用有限元滲流分析與強(qiáng)度折減法相結(jié)合,對(duì)降雨作用下水平排水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究。隨后,Cai等[8]又采用相同的方法對(duì)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。于玉貞等[9]將有限元滲流分析與基于Bishop非飽和土抗剪強(qiáng)度公式的強(qiáng)度折減有限元法相結(jié)合,對(duì)Okura等[10]試驗(yàn)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià),以此來探討將邊坡穩(wěn)定分析應(yīng)用于滑坡發(fā)生的時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)可能面臨的問題。榮冠等[11]根據(jù)飽和非飽和降雨入滲有限元模擬,并結(jié)合有限元強(qiáng)度折減法對(duì)元磨公路K261段典型滑坡體工程邊坡,進(jìn)行了降雨過程邊坡變形情況及穩(wěn)定性變化分析。林鴻州等[12]利用降雨條件下的土坡滲流有限元分析與強(qiáng)度折減有限元法相結(jié)合,對(duì)滑坡模型試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值分析。王協(xié)群等[13]同時(shí)采用強(qiáng)度折減法和極限平衡法中的Bishop法,分析了不同降雨入滲深度對(duì)非飽和路堤穩(wěn)定性和滑弧變化特征的影響規(guī)律。

但目前采用有限元強(qiáng)度折減法確定邊坡穩(wěn)定系數(shù)時(shí),往往要根據(jù)不同的折減系數(shù),不斷進(jìn)行試算,過程較繁瑣[14～15]。尤其是對(duì)于降雨滑坡的計(jì)算,對(duì)于每一時(shí)間步,都需要進(jìn)行反復(fù)試算,才能得到這一時(shí)間步對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)。而要得到邊坡穩(wěn)定性隨降雨歷時(shí)的變化過程,就必須得到每一時(shí)間步所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù),其計(jì)算量是非常大的,同時(shí),對(duì)降雨邊界的處理更加大了降雨滑坡在有限元分析計(jì)算方面的復(fù)雜性。因此,目前從計(jì)算角度來看,降雨滑坡的強(qiáng)度折減法有限元分析還比較繁瑣,其計(jì)算工作量巨大[16],這也在一定程度上阻礙了該方法在降雨誘發(fā)滑坡中的推廣應(yīng)用。

為了能夠?qū)⒂邢拊獜?qiáng)度折減法更加準(zhǔn)確、高效地應(yīng)用于降雨滑坡計(jì)算中,本文以ABAQUS軟件為基礎(chǔ)開發(fā)平臺(tái),首先基于GeoStudio軟件采用迭代算法來對(duì)降雨邊界進(jìn)行處理,從而克服ABAQUS軟件不能合理考慮降雨邊界為不定邊界的情況[17],然后根據(jù)總應(yīng)力平衡方程并結(jié)合Lu[18]和Likos[19]提出的飽和-非飽和土的普遍有效應(yīng)力公式,采用Fortran編制程序來對(duì)ABAQUS中的有限元節(jié)點(diǎn)力進(jìn)行修正,最后結(jié)合改進(jìn)的有限元強(qiáng)度折減法[20],基于ABAQUS提供的場(chǎng)變量對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā),從而建立降雨條件下邊坡有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算平臺(tái)。然后結(jié)合典型邊坡案例,對(duì)其在降雨條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,并將其與傳統(tǒng)極限平衡法得到的結(jié)果進(jìn)行比較,從而對(duì)建立的計(jì)算平臺(tái)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。最后采用該平臺(tái)對(duì)降雨滑坡機(jī)理進(jìn)行研究,研究結(jié)果可為邊坡防減災(zāi)提供參考。

1 基于ABAQUS軟件降雨誘發(fā)滑坡有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算平臺(tái)開發(fā)

1.1 飽和-非飽和滲流控制方程

根據(jù)水體質(zhì)量守恒,模擬降雨入滲的飽和-非飽和滲流控制方程可表示為如下形式[21]：

(1)

式中：c(h)——容水度；

β——參數(shù),非飽和區(qū)β=0,飽和區(qū)β=1；

Ss——單位儲(chǔ)水系數(shù),對(duì)非飽和體,Ss=0,對(duì)飽和體Ss為常數(shù)；

t——時(shí)間變量；

kr(h)——相對(duì)滲透系數(shù)；

xi，xj——坐標(biāo)；

h——壓力水頭。

1.2 降雨入滲邊界的處理

對(duì)于降雨入滲邊界,以往的數(shù)值模擬中多采用定邊界進(jìn)行處理[22],而朱偉等[23]與陳學(xué)東[24]通過土柱降雨入滲試驗(yàn),指出降雨入滲邊界是隨降雨時(shí)間而不斷變化的動(dòng)邊界,其具體形式要根據(jù)地表徑流情況來確定。

(1)未出現(xiàn)徑流時(shí)

此時(shí)降雨將全部入滲,因此其邊界流量應(yīng)滿足：

(2)

式中：ni——坡面法線向量；

p——降雨強(qiáng)度。

其邊界上的水頭應(yīng)滿足：

h≤0

(3)

(2)出現(xiàn)徑流時(shí)

此時(shí)降雨不能全部入滲,未入滲部分將在坡面形成徑流,由于坡面具有一定坡度,假定徑流可迅速流走而未形成積水,則此時(shí)邊界上水頭應(yīng)滿足：

h=0

(4)

其邊界上的流量應(yīng)滿足：

(5)

采用迭代算法對(duì)以上降雨入滲邊界進(jìn)行處理：

(1)首先將上一時(shí)步降雨邊界所處的狀態(tài)(有無徑流)作為下一時(shí)步降雨邊界迭代的初始條件。

(2)假如處于無徑流狀態(tài),則首先以式(2)為定解條件進(jìn)行計(jì)算；然后將得到的邊界上節(jié)點(diǎn)的水頭計(jì)算結(jié)果代入式(3)進(jìn)行校核,如全部滿足則轉(zhuǎn)入下一時(shí)步計(jì)算；若不滿足則轉(zhuǎn)入步驟(3)。

(3)假如處于有徑流狀態(tài),則首先以式(4)作為定解條件進(jìn)行計(jì)算；然后將得到的邊界上節(jié)點(diǎn)的流量計(jì)算結(jié)果代入式(5)進(jìn)行校核,如全部滿足則轉(zhuǎn)入下一時(shí)步計(jì)算；若不滿足則轉(zhuǎn)入步驟(2)。

(4)重復(fù)步驟(2)、(3),直至降雨邊界上所有節(jié)點(diǎn)均滿足相應(yīng)的定解及校核條件。

1.3 水壓形成的等效節(jié)點(diǎn)力

由飽和-非飽和滲流計(jì)算得到的水壓,根據(jù)Cai等[8]提出的方法,可求得相應(yīng)的等效節(jié)點(diǎn)荷載：

(6)

式中：[B]——應(yīng)變-位移矩陣,{I1}T={1,1,1,0,0,0}；

uw——水壓。

χ可以按照Lu[18]和likos[19]提出的飽和、非飽和相統(tǒng)一的土體有效應(yīng)力公式選?。寒?dāng)土飽和時(shí)取為1,當(dāng)土體非飽和時(shí)取為相對(duì)飽和度Se。

1.4 基于ABAQUS軟件降雨誘發(fā)滑坡有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算平臺(tái)開發(fā)

由于目前ABAQUS軟件將降雨邊界作為定邊界處理(流量邊界)[17],并不能實(shí)現(xiàn)1.2節(jié)中所述的迭代型降雨入滲邊界,因此首先采用Geostudio進(jìn)行迭代邊界的處理,隨后利用ABAQUS提供的二次開發(fā)功能實(shí)現(xiàn)降雨過程中強(qiáng)度折減法的自動(dòng)完成,從而簡化降雨滑坡強(qiáng)度折減法的計(jì)算過程。其具體開發(fā)思路如下：

(1)采用Geostudio/Seep,通過迭代方法來確定降雨邊界,進(jìn)行降雨條件下的非穩(wěn)定滲流分析,得到降雨過程中每一時(shí)刻的邊坡水壓分布。

(2)根據(jù)(1)中得到的邊坡水壓分布,根據(jù)式(6)利用Fortran編制程序求得由水壓形成的等效結(jié)點(diǎn)力fu。

(3)采用Fortran編制接口程序,將(1)中Geostudio/Seep滲流計(jì)算的有限元信息及(2)中得到的水壓形成的等效結(jié)點(diǎn)力fu導(dǎo)入ABAQUS軟件中。

(4)根據(jù)李寧等[20]提出的基于場(chǎng)變量有限元強(qiáng)度折減法,采用USDFLD.f對(duì)ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā),對(duì)降雨邊坡進(jìn)行強(qiáng)度折減有限元分析,得到降雨過程中每一時(shí)刻的邊坡穩(wěn)定系數(shù)。其計(jì)算流程見圖1。

圖1 計(jì)算流程Fig.1 Calculation process

2 計(jì)算平臺(tái)的可行性驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)所開發(fā)的計(jì)算平臺(tái)的可行性,利用該計(jì)算平臺(tái)對(duì)Cai等[8]文中的典型邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果與采用傳統(tǒng)的剛體極限平衡法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,從而對(duì)開發(fā)的計(jì)算平臺(tái)可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 計(jì)算條件及材料參數(shù)

采用文獻(xiàn)[8]中的勻質(zhì)土坡模型進(jìn)行分析,邊坡坡度為1∶1.5,坡高為10 m,幾何模型尺寸及有限元模型網(wǎng)格劃分見圖2。其中,AF、EF邊界為不透水邊界,AB、BC為水頭邊界,CD、DE為降雨入滲邊界,施加的降雨強(qiáng)度為10 mm/h,持續(xù)72 h。此外,AB、EF為水平約束邊界,AF為固定約束邊界,其他為自由邊界。初始時(shí)刻,地下水位與BC面等高,地表相對(duì)飽和度Se=0.72,并隨高程線性變化至地下水位處。

圖2 幾何參數(shù)及有限元網(wǎng)格Fig.2 Geometric parameters and finite element mesh

邊坡土體參數(shù)亦按文獻(xiàn)[8]進(jìn)行選取,其中非飽和土水力特性采用Van Genuchten(VG)模型[25]來描述,具體見表1所示。

表1 土體材料參數(shù)Table 1 Soil material parameters

2.2 與剛體極限平衡法的對(duì)比分析

將計(jì)算平臺(tái)得到的結(jié)果與采用Geostudio進(jìn)行剛體極限平衡法計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,這里只列舉了降雨結(jié)束時(shí)段(降雨72 h)時(shí)的對(duì)比結(jié)果,其他各降雨時(shí)段的對(duì)比結(jié)果與此類似,限于文章篇幅,在此不再列出。

采用本文開發(fā)的計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算,可得持續(xù)降雨72 h后的孔壓水頭分布圖(圖3),由圖3可知,隨著降雨的進(jìn)行,地下水位將不斷抬高,土坡上層的非飽和區(qū)將不斷減少。根據(jù)圖3中得到的水壓,利用該計(jì)算平臺(tái)可進(jìn)一步確定此時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)為0.864；同時(shí)還可得到降雨72 h后邊坡破壞時(shí)的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D,據(jù)此可以確定滑面的位置(圖4)。

圖3 持續(xù)降雨72 h后孔壓水頭分布圖(m)Fig.3 Distribution of pore pressure head after 72 hours of continuous rainfall(m)

圖4 降雨72 h后邊坡破壞時(shí)的等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.4 Equivalent plastic strain cloud image of slope failure after 72h rainfall

為了驗(yàn)證本文開發(fā)的計(jì)算平臺(tái)的可靠性,采用傳統(tǒng)剛體極限平衡法中的簡化Bishop法和Morgenstern-Price法,采用Geostudio分別對(duì)降雨72 h后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,可以得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.854和0.857；同時(shí)還可得到相應(yīng)的滑面(圖5和圖6)。

圖5 Bishop法得到的穩(wěn)定系數(shù)與相應(yīng)的滑面Fig.5 The safety factor obtained by Bishop method and the corresponding slip surface

圖6 Morgernstern-Price法得到的穩(wěn)定系數(shù)與相應(yīng)的滑面Fig.6 The safety factor obtained by Morgernstern-Price method and the corresponding slip surface

將兩者得到的結(jié)果進(jìn)行比較可以看出,本文開發(fā)的計(jì)算平臺(tái)得到的降雨72 h后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.864；采用傳統(tǒng)的簡化Bishop法和Morgerstern-Price法得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為0.854與0.857,分別比計(jì)算平臺(tái)得到的結(jié)果小1.2%和0.8%。但總體來看,它們之間的誤差并不大,這說明本文開發(fā)的計(jì)算平臺(tái)與傳統(tǒng)極限平衡法的計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性。從圖4、圖5、圖6可以看出,計(jì)算平臺(tái)所確定的滑面位置與剛體極限平衡法所得到的滑面位置也是基本一致的。

通過對(duì)比分析可以看出,采用開發(fā)的計(jì)算平臺(tái)得到的滑面位置與傳統(tǒng)方法確定的滑面位置是一致的,穩(wěn)定系數(shù)的相對(duì)誤差最大為1.2%,說明所開發(fā)的計(jì)算平臺(tái)是穩(wěn)定、可靠的,可以用于降雨誘發(fā)滑坡的計(jì)算。

3 降雨條件下土坡破壞機(jī)理及破壞過程研究

采用本文開發(fā)的計(jì)算平臺(tái),仍以Cai等[8]文中的典型邊坡為基礎(chǔ),進(jìn)一步對(duì)其在降雨條件下的破壞過程及破壞機(jī)理進(jìn)行研究。

采用開發(fā)的計(jì)算平臺(tái),可以得到穩(wěn)定系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化圖(圖7),從圖7中可以看出,隨著降雨時(shí)間的增加,邊坡的穩(wěn)定性將不斷降低；當(dāng)降雨時(shí)間持續(xù)24 h后,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.997,此時(shí)邊坡發(fā)生破壞。以下將進(jìn)一步對(duì)降雨過程中該邊坡的孔隙水壓力、有效應(yīng)力、等效節(jié)點(diǎn)力及塑性應(yīng)變的變化情況進(jìn)行研究,從而闡明該邊坡在降雨條件下的破壞機(jī)理及破壞過程。

圖7 穩(wěn)定系數(shù)隨降雨時(shí)間變化Fig.7 Variation of safety factor with rainfall

3.1 孔隙水壓力變化情況

圖8為降雨各時(shí)段邊坡內(nèi)孔壓水頭的分布,由此可以看出,隨著降雨時(shí)間的增加,邊坡內(nèi)的浸潤線逐漸升高,坡體內(nèi)的飽和區(qū)不斷擴(kuò)大,非飽和區(qū)不斷減小,飽和區(qū)的水壓不斷增加；由于初始時(shí)刻地表的相對(duì)飽和度Se=0.720,并隨高程線性變化到地下水位處；所以邊坡非飽和區(qū)的水壓較小,其隨降雨時(shí)間的變化也沒有飽和區(qū)明顯,在圖中顯示的非飽和區(qū)的水壓變化并不明顯,所以這里選取非飽和區(qū)中的A1點(diǎn)，A2點(diǎn)(圖8c)為代表,對(duì)非飽和區(qū)內(nèi)的水壓隨降雨時(shí)間的變化進(jìn)行研究。

圖8 各降雨時(shí)段孔壓水頭分布圖(m)Fig.8 Distribution of pore pressure head at various rainfall time (m)

圖9顯示了邊坡非飽和區(qū)中的A1，A2兩點(diǎn)的孔隙水壓力隨降雨時(shí)間的變化過程,從圖9中可以看出,隨著降雨時(shí)間的增長,雨水不斷入滲進(jìn)入邊坡,非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力不斷減小。

圖9 非飽和區(qū)水壓隨降雨時(shí)間的變化Fig.9 Variation of water pressure in unsaturated zone with rainfall time

3.2 有效應(yīng)力變化情況

圖10為降雨各時(shí)段邊坡內(nèi)豎向有效正應(yīng)力的分布,由此可以看出,在整個(gè)降雨過程中,邊坡土體均處于受壓狀態(tài),且其分布規(guī)律基本上是相同的；但是隨著降雨時(shí)間的增長,有效應(yīng)力將逐漸減小,這一點(diǎn)可以通過前面對(duì)降雨過程中水壓變化規(guī)律的分析來加以解釋：伴隨著降雨過程,邊坡內(nèi)的浸潤線逐漸升高,飽和區(qū)的水壓不斷升高,而非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力不斷減小,從而造成邊坡內(nèi)有效應(yīng)力逐漸減小。而有效應(yīng)力的減小,又將造成土體抗剪強(qiáng)度的減小,因此在整個(gè)降雨過程中,土體的抗剪強(qiáng)度將逐漸降低。

圖10 各降雨時(shí)段豎向有效正應(yīng)力云圖(kPa)Fig.10 Vertical Effective Normal Stress at various rainfall time (kPa)

3.3 等效節(jié)點(diǎn)力變化情況

圖11為坡腳處水平向等效節(jié)點(diǎn)力隨降雨時(shí)間的變化,其中B1點(diǎn)的具體位置如圖8c所示,水平等效結(jié)點(diǎn)力以朝向坡內(nèi)為正。由圖11可知,在整個(gè)降雨過程中,坡腳處受到朝向邊坡臨空面方向的水平滲流力作用,且其值隨著降雨時(shí)間的增長而不斷增大。這主要是因?yàn)殡S著降雨的進(jìn)行,邊坡地下水位不斷抬升,邊坡后緣與坡腳處的水頭差越來越大,造成坡腳處的水力梯度也越來越大,所以坡腳處的水平向滲流力也越來越大；由于邊坡后緣的水位高于坡腳處水位,因此雨水朝向坡腳處流動(dòng),從而造成坡腳處受到朝向邊坡臨空面方向的水平滲流力作用,這對(duì)于邊坡穩(wěn)定性是不利的。

圖11 坡腳處水平向等效節(jié)點(diǎn)力隨降雨時(shí)間的變化(kN)Fig.11 Changes in equivalent nodal force at the toe of the slope with rainfall time

3.4 塑性應(yīng)變的變化情況

圖12顯示了降雨作用下邊坡塑性區(qū)的發(fā)展過程,由此可以看出,在降雨初期,坡腳部位首先出現(xiàn)塑性區(qū),隨著降雨的進(jìn)行,坡腳處的塑性區(qū)進(jìn)一步向坡頂發(fā)展,在降雨24 h后,整個(gè)塑性區(qū)從坡腳到坡頂貫通,邊坡發(fā)生破壞,此時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)為0.997。

圖12 各降雨時(shí)段邊坡塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.12 Plastic strain of slope at various rainfall time

圖13 各降雨時(shí)段邊坡內(nèi)流速矢量圖Fig.13 Velocity vector in the slope at various rainfall time

圖13分別為降雨2 h和24 h后的邊坡內(nèi)的流速矢量圖,從圖13可以看出,坡體內(nèi)部的雨水通過向坡腳處匯集進(jìn)而排出坡體,因而坡腳處的流速較大,也即是說在坡腳處具有較高的水力梯度,水壓的變化率較大,因此產(chǎn)生的滲流作用力也較強(qiáng),所以在坡腳處首先出現(xiàn)塑性區(qū)；隨著降雨時(shí)間的增長,坡體內(nèi)部的雨水不斷增加,地下水位不斷抬升,坡腳處的滲流作用力也進(jìn)一步增加,而坡腳處土體已處于塑性狀態(tài),其抗剪強(qiáng)度已得到充分發(fā)揮,無法繼續(xù)承擔(dān)不斷增加的滲流作用力,因而會(huì)進(jìn)一步牽動(dòng)周圍土體來發(fā)揮抗剪強(qiáng)度,所以塑性區(qū)會(huì)進(jìn)一步向上發(fā)展,使更多的土體發(fā)揮抗剪強(qiáng)度，直到最后塑性區(qū)從坡腳發(fā)展到坡頂,塑性區(qū)貫通,造成邊坡的整體破壞。

3.5 降雨作用下邊坡破壞機(jī)理及破壞過程分析

在降雨作用下,邊坡內(nèi)的浸潤線逐漸抬高,坡體內(nèi)的飽和區(qū)逐漸擴(kuò)大,非飽和區(qū)逐漸縮小,飽和區(qū)的水壓不斷升高,非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力不斷減小,從而使坡體內(nèi)的有效應(yīng)力減小,導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度降低。由于邊坡內(nèi)地下水位不斷抬升,使邊坡后緣的地下水位高于坡腳處水位,雨水朝向坡腳處流動(dòng),對(duì)坡腳形成朝向邊坡臨空面方向的水平滲流力作用,且其值隨降雨時(shí)間不斷增加。土體的抗剪強(qiáng)度不斷減小,而朝向邊坡臨空面方向的水平滲流力作用不斷加大,從而導(dǎo)致了邊坡的最終破壞。

在降雨作用下,坡體內(nèi)部的雨水通過向坡腳處匯集進(jìn)而排出坡體,因而坡腳處具有較高的水力梯度,水壓的變化率較大,因此產(chǎn)生的滲流作用力也較強(qiáng),所以在坡腳處首先出現(xiàn)塑性區(qū)。隨著降雨時(shí)間的增長,地下水位不斷抬升,使邊坡后緣與坡腳處的水頭差越來越大,從而使坡腳處的滲流作用力進(jìn)一步增加,而坡腳處土體已處于塑性狀態(tài),其抗剪強(qiáng)度已得到充分發(fā)揮,無法繼續(xù)承擔(dān)不斷增加的滲流作用力,因而會(huì)進(jìn)一步牽動(dòng)周圍土體來發(fā)揮抗剪強(qiáng)度,所以塑性區(qū)會(huì)進(jìn)一步向上發(fā)展,使更多的土體發(fā)揮抗剪強(qiáng)度。直到最后塑性區(qū)從坡腳發(fā)展到坡頂,塑性區(qū)貫通,形成從坡頂?shù)狡履_的一個(gè)貫通的滑動(dòng)面,從而造成邊坡的整體破壞。

香港是一個(gè)降雨滑坡頻發(fā)的地區(qū),GEO (Geotechnical Engineering Office) 通過對(duì)香港地區(qū)大量降雨滑坡實(shí)例的調(diào)查發(fā)現(xiàn),大部分降雨滑坡首先是在坡腳處發(fā)生破壞,然后形成整體破壞[26]。采用開發(fā)的計(jì)算平臺(tái)所得到的邊坡破壞過程與這一實(shí)際觀察到的破壞過程是一致的,這也從側(cè)面說明該計(jì)算平臺(tái)可以用于降雨滑坡破壞機(jī)理及破壞過程的研究。

4 結(jié)論

(1)以ABAQUS軟件為基礎(chǔ)開發(fā)平臺(tái),通過二次開發(fā),建立了降雨條件下邊坡有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算平臺(tái)。該計(jì)算平臺(tái)較合理地考慮了降雨邊界為不定邊界的情況,并簡化了有限元強(qiáng)度折減法的計(jì)算過程。通過與傳統(tǒng)極限平衡法進(jìn)行比較,證明所開發(fā)的計(jì)算平臺(tái)是穩(wěn)定、可靠的,可以用于降雨誘發(fā)滑坡的計(jì)算。

(2)通過該計(jì)算平臺(tái)對(duì)案例邊坡在降雨作用下的破壞機(jī)理進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)該邊坡在降雨作用下的破壞主要由兩方面因素造成,其一：降雨導(dǎo)致地下水位抬升,從而使土體抗剪強(qiáng)度減小；其二：由于邊坡內(nèi)地下水位不斷抬升,從而對(duì)坡腳形成朝向邊坡臨空面方向的水平滲流力作用,且其值隨降雨時(shí)間不斷增加。這兩個(gè)因素的共同作用,最終導(dǎo)致邊坡的破壞。

(3)通過該計(jì)算平臺(tái)對(duì)案例邊坡在降雨作用下的破壞過程進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)該邊坡在降雨條件下的破壞具有典型的牽引式滑坡特點(diǎn)：在降雨作用下,坡腳處首先發(fā)生破壞,并不斷牽動(dòng)鄰近的上部土體發(fā)生破壞,最終形成從坡頂?shù)狡履_的一個(gè)貫通的滑動(dòng)面,從而造成邊坡的整體破壞。該破壞過程與香港地區(qū)實(shí)際觀察到的降雨條件下邊坡的破壞過程是一致的。

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