王梓帆 楊鵬 侯珍珠 夏宇

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002)

0 引言

降雨是一種十分常見(jiàn)的天氣。我國(guó)山區(qū)，降雨對(duì)邊坡的影響十分嚴(yán)重，在許多工程項(xiàng)目中形成的許許多多的土質(zhì)由于受到降雨的影響，增加項(xiàng)目難度和項(xiàng)目的投資。于是研究考慮流固耦合的降雨入滲對(duì)非飽和土質(zhì)邊坡影響成為許多專(zhuān)家學(xué)者研究話(huà)題。在國(guó)際上，Papagian-nakis等人用加權(quán)余量法推導(dǎo)了二維的有限元分析方法:Lumbp等人在飽和問(wèn)題中采用基于伽遼金法選取加權(quán)余量法的權(quán)函數(shù)法分析問(wèn)題:在國(guó)內(nèi)，荊周寶等人提出了基于考慮流固耦合的降雨入滲對(duì)非飽和土質(zhì)邊坡影響的有限元模型分析方法:李宏偉等人進(jìn)行了降雨入滲條件下的土質(zhì)邊坡非飽和滲流的二維分析:但是上述分析中，專(zhuān)家學(xué)者們只是分析某一單場(chǎng)研究，并沒(méi)有將滲流場(chǎng)跟應(yīng)力場(chǎng)耦合起來(lái)分析，或者只是在理想的土質(zhì)邊坡模型上分析流固耦合，沒(méi)有結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行分析。

本文選取巫山縣城老林場(chǎng)安置區(qū)回填土高邊坡為例研究降雨入滲的流固耦合作用下對(duì)大體積回填土質(zhì)邊坡的影響，利用功能強(qiáng)大的有限元分析軟件ABAQUS，建立老林場(chǎng)安置區(qū)回填土高邊坡的數(shù)值分析模型，得出了降雨對(duì)非飽和大體積回填土高邊坡的影響機(jī)理及特征，對(duì)大體積回填土高邊坡的治理設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)預(yù)警具有理論研究與工程實(shí)踐借鑒意義。

1 老林場(chǎng)回填土高邊坡地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

老林場(chǎng)高邊坡位于巫山縣新縣城龍門(mén)街道老林場(chǎng)安置區(qū)南西側(cè)，為回填土高邊坡，回填已有二年的時(shí)間。填土厚度一般25 m～35 m，最厚可達(dá)38 m，填方面積約20 000 m2，形成的邊坡坡向76°，坡度33°～35°，邊坡長(zhǎng) 170 m，坡高 20 m ～38 m。坡頂處為安置小區(qū)地坪，高程263m。坡底高程一般220 m～240 m，最低210 m，為緩坡平臺(tái)?？辈毂砻?，場(chǎng)區(qū)及周邊覆蓋層為素填土()、殘坡積土();基巖為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)泥巖、泥灰?guī)r。圖1為老林場(chǎng)回填土高邊坡典型剖面圖?；靥钔粱静缓瑑H在底部巖土界面處有積水回填土為弱透水性。

1.2 變形情況

邊坡自形成以來(lái)，總體尚穩(wěn)定，但在雨季或暴雨后邊坡表部局部出現(xiàn)坍滑，規(guī)模為10 m3左右。

2 降雨對(duì)老林場(chǎng)回填土高邊坡影響的數(shù)值模擬方法

本文主要通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)來(lái)研究降雨對(duì)老林場(chǎng)邊坡的影響，采用的是ABAQUS有限元分析方法。

2.1 有限元網(wǎng)格模型

本文選取老林場(chǎng)回填土高邊坡的典型剖面作為有限元分析模型。將回填土視為均布孔隙的多孔介質(zhì)，選取典型的摩爾—庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，對(duì)老林場(chǎng)回填土高邊坡進(jìn)行滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析。本文模型網(wǎng)格回填土區(qū)域劃分采取掃略網(wǎng)格劃分方式，下方基巖采用自由網(wǎng)格劃分模式。為了有益于模型的網(wǎng)格劃分，本文將回填土下方基巖進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化為規(guī)則四邊形?；靥钔辆W(wǎng)格單元模型為CPE4P耦合平面孔隙應(yīng)變單元，下方基巖網(wǎng)格單元模型為CPE3耦合平面應(yīng)變單元，共1 632個(gè)單元。

圖1 巫山縣城老林場(chǎng)回填土高邊坡剖面圖

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取與設(shè)置

在ABAQUS有限元模型中，采用理想的Mohr-Coulomb彈塑性材料模擬回填土跟基巖，巖土物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

回填土滲透性參數(shù)選取與設(shè)置。

本文假設(shè)所有雨水全部入滲，坡體表面為流量邊界。降雨入滲過(guò)程采取滲透系數(shù)隨飽和度的變化過(guò)程，而根據(jù)土體的土—水特征曲線(xiàn)可知，飽和度與基質(zhì)吸力有關(guān)，故用滲透系數(shù)的折減系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系來(lái)模擬滲透系數(shù)的變化。定義初始的滲透系數(shù)為1.8×10－5cm/s，圖2為老林場(chǎng)土—水特征曲線(xiàn)。

在ABAQUS中基于流固耦合機(jī)理，定義滲透系數(shù)隨孔隙率、孔隙比的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)流固耦合在有限元軟件中的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)流固耦合的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可得表2。

表2 滲透系數(shù)與孔隙比、孔隙率變化計(jì)算表

圖2 回填土的土—水特征曲線(xiàn)

2.3 邊界條件和荷載的設(shè)置

約束模型左右邊界的水平位移跟底部的水平豎直方向位移，用來(lái)模擬老林場(chǎng)的左右邊界。

設(shè)置荷載及降雨工況:巫山縣自2001年至2016年年平均降雨量為1 087.4 mm，最大日降雨量為371.3 mm，5月～10月降雨量占全年的77%。對(duì)于填土邊坡，降雨為誘發(fā)其失穩(wěn)的主要因素，取滑坡失穩(wěn)時(shí)的平均降雨量105.8 mm/d為本次數(shù)值實(shí)驗(yàn)日降雨量。在ABAQUS中設(shè)置土體的重力，并通過(guò)幅值的設(shè)置來(lái)模擬3 d的連續(xù)降雨，設(shè)置降雨強(qiáng)度為105.8 mm/d。

3 降雨對(duì)老林場(chǎng)回填土高邊坡影響數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 滲流場(chǎng)分析

本文模擬3 d降雨，如圖3，圖4所示為孔隙水壓分布圖，圖5為浸潤(rùn)線(xiàn)變化圖，在ABAQUS中孔隙水壓為0處就是浸潤(rùn)線(xiàn)的位置，上部分為非飽和區(qū)域，下部為飽和區(qū)域，非飽和土體孔隙水壓力為負(fù)值。結(jié)合圖3，圖4分析，直觀的發(fā)現(xiàn)原始孔壓與降雨停止10 d的孔壓分布圖有十分明顯的區(qū)別，其原理是降雨入滲后，斜坡頂部以下的吸力區(qū)范圍減小，基質(zhì)吸力顯著降低。降雨剛結(jié)束時(shí)，由于滑體內(nèi)部滲透性較低，雨水來(lái)不及下滲，在滑坡體淺層出現(xiàn)暫態(tài)飽和帶，基質(zhì)吸力逐漸減小。圖4為降雨停止10 d后的孔壓云圖，對(duì)比分析可知隨著停雨時(shí)間延長(zhǎng)，土體的飽和度減小，土體的淺層基質(zhì)吸力逐步恢復(fù)。

圖3 原始孔壓云圖

圖4 降雨結(jié)束10 d后孔壓云圖

圖5 為老林場(chǎng)高邊坡在降雨過(guò)程中浸潤(rùn)線(xiàn)的變化圖，由圖5可以直觀的看出隨著降雨入滲，浸潤(rùn)線(xiàn)總體開(kāi)始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在降雨剛結(jié)束時(shí)在淺層形成暫態(tài)飽和區(qū)，隨著降雨不斷地入滲，入滲程度加深，浸潤(rùn)線(xiàn)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而在降雨結(jié)束10 d左右，雨水全部入滲，浸潤(rùn)線(xiàn)下降到穩(wěn)定狀態(tài)，但總體相比初始浸潤(rùn)線(xiàn)呈上升走勢(shì)。由圖5可以直觀看出降雨入滲過(guò)程主要影響淺表層回填土的穩(wěn)定。

3.2 變形分析

圖6給出了老林場(chǎng)降雨結(jié)束10 d之后的水平位移云圖，由圖6可以直觀的看出主要是坡體表層發(fā)生變形，最大位移量為11.51 cm可以看出由于降雨入滲與重力作用結(jié)果，邊坡有沿著坡體表層變形破壞的趨勢(shì)。

圖5 降雨過(guò)程中浸潤(rùn)線(xiàn)變化圖（局部放大圖）

圖6 降雨結(jié)束10 d后水平位移云圖

3.3 塑性區(qū)分析

圖7 為老林場(chǎng)回填土高邊坡在考慮降雨入滲后的塑性區(qū)云圖。云圖顯示坡腳首先發(fā)生塑性變形，后塑性區(qū)沿著基巖界面向上延伸，但并未完全貫通，說(shuō)明連續(xù)3 d的強(qiáng)降雨并未影響邊坡的整體穩(wěn)定。

圖7 降雨入滲后塑性區(qū)云圖

3.4 降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響

圖8 為降雨結(jié)束時(shí)間與邊坡穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系圖。該圖為利用極限平衡法計(jì)算得到的不同浸潤(rùn)線(xiàn)時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果，由此可知:

1)降雨對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性影響不大。降雨開(kāi)始至停雨后10 d，K=1.148 ～1.163，比未降雨時(shí)K 值減少0.024 ～0.009，降低2% ～0.77%，邊坡整體仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2)降雨對(duì)邊坡淺表層影響較大。降雨剛結(jié)束時(shí)，在回填土淺層形成暫態(tài)飽和區(qū)，表部土體K=1.056，K值降低16%，邊坡表部土體處于極限平衡狀態(tài)，局部出現(xiàn)坍滑，隨著降雨結(jié)束時(shí)間的延長(zhǎng)，滲透作用加強(qiáng)，暫態(tài)飽和區(qū)逐步消失，浸潤(rùn)線(xiàn)下降，K值逐步上升，降雨結(jié)束第10天，K=1.126，邊坡表部土體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但較降雨前仍降低11%。

圖8 降雨結(jié)束時(shí)間與邊坡穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文基于ABAQUS考慮流固耦合的降雨入滲過(guò)程來(lái)研究老林場(chǎng)回填土高邊坡的孔壓，位移，塑性區(qū)，有效應(yīng)力以及穩(wěn)定性系數(shù)的變化特征，得出以下主要結(jié)論:

1)降雨對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性影響不大。降雨開(kāi)始至停雨后10 d，塑性區(qū)并未貫通，K=1.148～1.163，比未降雨時(shí) K 值減少0.024～0.009，降低2% ～0.77%，邊坡整體仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2)降雨對(duì)邊坡淺表層影響較大。降雨剛結(jié)束時(shí)，在回填土淺層形成暫態(tài)飽和區(qū)，表部土體K=1.056，K值降低16%，邊坡表部土體處于極限平衡狀態(tài)，局部出現(xiàn)坍滑，隨著降雨結(jié)束時(shí)間的延長(zhǎng)，滲透作用加強(qiáng)，暫態(tài)飽和區(qū)逐步消失，浸潤(rùn)線(xiàn)下降，K值逐步上升，降雨結(jié)束第10天，K=1.126，邊坡表部土體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但較降雨前仍降低11%，此時(shí)位移量達(dá)11.51 cm。