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        降雨條件下岸堤非飽和邊坡變形及加固分析

        2022-03-29 11:54:10羅健平
        地下水 2022年1期
        關鍵詞:非飽和吸力抗滑樁

        羅健平

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

        近年來隨著國家經(jīng)濟實力的提升,基礎設施建設步伐加快,越來越多的河堤與岸坡工程正在投入建設和使用當中。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。然而在眾多致災因子中,降雨是導致天然土坡滑動和工程邊坡失穩(wěn)災害事故頻發(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,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)材料的應力應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]以非飽和土力學理論為基礎, 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,樁土之間的應力關系,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為本次計算力學參數(shù)。

        圖1 邊坡概化模型尺寸表1 模型計算力學參數(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)有效應力原理,土體有效應力增加,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,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。圖7為邊坡的米塞斯應力云圖。如圖所示,邊坡主要在中部以上產(chǎn)生了明顯的應力集中現(xiàn)象,而在邊坡頂部與底部應力相對較小,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 邊坡的塑性應變云圖

        圖7 邊坡的米塞斯應力云圖

        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,土的有效應力會減小,同時導致抗剪強度降低,增加了滑坡的風險。此外,邊坡的安全系數(shù)與降雨時間呈負相關。

        (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。

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