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        甘肅某黃土路塹邊坡降雨入滲穩(wěn)定性分析★

        2021-10-11 00:49:20黃海萍任永忠
        山西建筑 2021年20期

        黃海萍,周 杰,任永忠

        (1.甘肅弘昊建設(shè)集團有限公司,甘肅 蘭州 730050; 2.蘭州工業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

        1 概述

        俗話說:“十個滑坡九個水”,由此可知降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響舉足輕重。降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響較為復(fù)雜,它涉及到氣候條件、水文條件以及坡體所處的地層條件等影響因素,為此關(guān)于這一熱點大量學(xué)者開展了相關(guān)的研究。汪華斌等[1]研究了如何設(shè)置與實際情況接近的降雨入滲邊界與動態(tài)流量邊界下初始孔隙水壓力分布問題。韓同春等[2]研究層狀土邊坡地表與地下滲流的相互作用機制問題,針對上粗下細型層狀土邊坡降雨入滲忽略坡面徑流影響導(dǎo)致入滲分析不符合實際這一問題提出了相應(yīng)的計算方法。楊天嬌等[3]研究了土質(zhì)邊坡降雨入滲的過程中地下水滲流的推進、孔隙氣體遷移和邊坡土體變形之間的相關(guān)作用。陳文鋒等[4]考慮孔隙水壓力及滲透系數(shù)隨飽和度的變化,基于坡頂位移曲線提出預(yù)警與失穩(wěn)點選擇判據(jù)。王東等[5]通過構(gòu)建非飽和土邊坡數(shù)值模型,利用蒙特卡洛方法對不同降雨、土壤參數(shù)條件下模型邊坡土壤孔隙水壓力、土壤含水率與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系進行了研究。由于對降雨型邊坡穩(wěn)定性的研究,試驗是一種可靠的研究方法。許多學(xué)者通過開展室內(nèi)或現(xiàn)場模型試驗進行了相關(guān)的研究,也得出了有益的結(jié)論[6-9]。

        由于巖土工程具有明顯的地域性,不同的地形地貌及地層巖性,其坡體的變形規(guī)律及穩(wěn)定性就有所不同,為此本文以甘肅某黃土路塹邊坡為研究對象,對其采用Plaxis 3D V2020進行數(shù)值分析。

        2 工程概況

        根據(jù)地質(zhì)勘查報告,按地層變化情況,將其概化為3層,具體參數(shù)如表1所示。

        表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

        3 模型建立

        在Plaxis 3D V2020中建立如圖1所示的邊坡模型圖,模型大小為100 m×50 m,坡高為25 m,地下水位位于坡腳下方5 m處,網(wǎng)格劃分疏密程度為“中等”,模型為平面應(yīng)變模型,單位為10節(jié)點單元,模型底部為固定邊界,模型前后、左右均為滑移邊界。有限元模型如圖2所示。

        材料模型選用摩爾—庫侖強度準(zhǔn)則,軟件分析時所采用的土體參數(shù)見表1。土體類型選用軟件USDA數(shù)據(jù)庫中的“沃土”:粒徑小于2 μm的質(zhì)量占總質(zhì)量的20%,2 μm~50 μm的占40%,50 μm~2 mm的占40%,按國內(nèi)分類屬于細粒土類型。土的飽和滲透系數(shù)ksat=0.375 1 m/d,土的滲透性函數(shù)和土水特征曲線使用van Genuchten方程擬合,結(jié)果如圖3,圖4所示,圖中兩條曲線由軟件自動生成,其中kr=k/ksat表示相對滲透系數(shù),為無量綱量,S為飽和度。

        4 數(shù)值分析結(jié)果

        4.1 不同坡角邊坡模擬結(jié)果分析

        在本節(jié)中針對坡角為30°,45°和60°不同條件下的坡體飽和度、基質(zhì)吸力及邊坡穩(wěn)定性進行了研究。其采用降雨速率為25 mm/d,持續(xù)時間為1.0 d。

        1)坡體飽和度和基質(zhì)吸力。

        圖5為不同坡角條件下坡體飽和度分布云圖,圖6為不同坡角條件下坡體基質(zhì)吸力分布云圖。由圖5可以看出,在相同的降雨條件下其坡體的飽和度分布云圖較為接近,因為坡體的飽和度與降雨量有關(guān),坡角對其影響較小。由圖6可得,不同坡角條件下坡體的基質(zhì)吸力分布也較為接近,但是其數(shù)值略有所不同。坡角角度分別為30°,45°和60°時,其坡體基質(zhì)吸力分別為4.293 kPa,4.105 kPa,4.177 kPa,從數(shù)據(jù)來看坡角為30°時基質(zhì)吸力最大。

        2)坡體穩(wěn)定性分析。

        圖7為不同坡角條件下坡體總位移分布云圖,圖8為不同坡角條件下在未降雨原始狀態(tài)和降雨狀態(tài)下坡體安全系數(shù)變化曲線。圖7圖例顯示的數(shù)據(jù)是無實際物理意義的,這是軟件在求解邊坡安全系數(shù)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),但從分布云圖來看,30°坡角條件下其滑動土體范圍較大,60°坡角條件下最小,45°次之,這說明坡度越小穩(wěn)定性越高,滑動時所涉及的范圍較廣。從圖8可以看出,在降雨速率為25 mm/d,1 d的條件下,對邊坡安全系數(shù)的影響量差值約為0.008。

        4.2 不同降雨速率模擬結(jié)果分析

        不同的降雨速率對坡體的穩(wěn)定性影響較大,為此本節(jié)采用坡角為60°、降雨時長為1 d的條件下模擬分析了降雨速率為10 mm/d(小雨)、降雨速率為25 mm/d(中雨)和降雨速率為50 mm/d(大雨)的坡體飽和度、基質(zhì)吸力和安全系數(shù)的變化過程。

        1)坡體飽和度和基質(zhì)吸力。

        圖9為不同降雨速率條件下坡體飽和度分布云圖,圖10為不同降雨速率條件下坡體基質(zhì)吸力分布云圖。從圖9明顯的可以看出,隨著降雨速率的增大,坡頂頂部的飽和度逐漸增加。當(dāng)降雨速率為25 mm/d時,坡頂表面土體已達到飽和狀態(tài)。從圖10可以看出,隨著降雨速率逐漸增大,坡體的基質(zhì)吸力從坡頂表面處逐漸減小,當(dāng)降雨速率為25 mm/d時,坡頂表面土體減小較為明顯。

        2)坡體的穩(wěn)定性。

        圖11為不同降雨速率條件下坡體總位移分布云圖,圖12為不同降雨速率條件下坡體安全系數(shù)變化曲線。從圖11來看,隨著降雨速率的增加,坡腳部位土體總位移逐漸增大,坡體滑動區(qū)域逐漸貫通。從圖12邊坡坡體的安全系數(shù)來看,隨著降雨速率的不斷增加,邊坡的安全系數(shù)逐漸減小,降雨速率由10 mm/d增至25 mm/d,其安全系數(shù)降低差值為0.004,而降雨速率由25 mm/d增至50 mm/d,其安全系數(shù)降低差值為0.008,說明隨著降雨速率的增加,坡體安全系數(shù)的減小并非線性減小。

        4.3 不同降雨時長模擬結(jié)果分析

        不同的降雨時長對邊坡的穩(wěn)定性影響也比較大,本節(jié)采用坡角為60°、降雨速率為25 mm/d的條件下模擬分析了降雨時長為1.0 d,3.0 d和5.0 d的坡體飽和度、地下水流速和安全系數(shù)的變化過程。

        1)坡體飽和度和地下水流速。

        圖13為不同降雨時長條件下坡體的飽和度分布云圖,圖14為不同降雨時長條件下坡體內(nèi)含水的流速變化云圖。從圖13可知,隨著降雨時長的增加,坡體內(nèi)含水量的飽和度逐漸由坡頂向坡體內(nèi)發(fā)展,分布比較均勻。從圖14可知,坡體內(nèi)水的流速開始從坡體表面向坡體內(nèi)流動,隨著降雨時長的增加,流速逐漸增大。

        2)坡體的穩(wěn)定性。

        圖15為不同降雨時長條件下坡體總位移等值線圖,圖16為不同降雨時長條件下坡體安全系數(shù)變化曲線。從圖15可以看出,隨著降雨時長的增加,坡體滑動面逐步貫通,在坡腳處變化較大。

        從圖16可知,隨著降雨時長的增加,坡體的安全系數(shù)由2.274減小至2.056,此外時長的差值均為2 d,但其安全系數(shù)變化差值不同,從1 d~3 d,安全系數(shù)變化差值為0.157,而由3 d~5 d,安全系數(shù)差值為0.061,由安全系數(shù)差值來看,降雨的起始階段對其影響較大。

        5 結(jié)語

        本文采用Plaxis 3D V2020對降雨邊坡進行了不同坡角、不同降雨速率和不同降雨時長的飽和度、坡體基質(zhì)吸力、穩(wěn)定性的分析,通過分析可得出以下結(jié)論:

        1)通過對不同坡角影響因素的分析可知,隨著坡角角度的增大,坡體基質(zhì)吸力逐漸減小,但是減小幅度不明顯;其次坡體的安全系數(shù)逐漸降低,但不是與坡角同比降低。

        2)隨著降雨速率的增大,坡頂頂部的飽和度逐漸增加。當(dāng)降雨速率為25 mm/d時,坡頂表面土體已達到飽和狀態(tài)。隨著降雨速率的不斷增加,邊坡的安全系數(shù)逐漸減小,降雨速率由10 mm/d增至25 mm/d,其安全系數(shù)降低差值為0.004,而降雨速率由25 mm/d增至50 mm/d,其安全系數(shù)降低差值為0.008,說明隨著降雨速率的增加,坡體安全系數(shù)的減小并非線性減小。

        3)隨著降雨時長的增加,坡體內(nèi)含水量的飽和度逐漸由坡頂向坡體內(nèi)發(fā)展,分布比較均勻。坡體內(nèi)水的流速開始從坡體表面向坡體內(nèi)流動,隨著降雨時長的增加,流速逐漸增大。隨著降雨時長的增加,坡體滑動面逐步貫通,在坡腳處變化較大。

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