基于有限元地下水對邊坡穩定性影響分析

張占輝

(河北省地質礦產勘查開發局第五地質大隊(河北省海洋地質環境調查中心),河北 唐山 063000 )

隨著經濟的發展,我國的基礎設施建設如火如荼,其中邊坡工程占有不可忽視的比例。邊坡的穩定性與諸多因素相關,其中降雨和地下水位波動是導致邊坡破壞最常見的自然因素,因此研究降雨條件下,邊坡穩定性具有重要意義[1-4]。

賀鵬等人[5]以某水庫邊坡為研究背景,通過大型模型箱試驗來分析降雨強度、庫區水位波動及其組合作用等因素對庫岸滑坡的誘發機制;陳茜等人[6]基于簡布法構建了考慮土體重度、土體強度水敏性和坡頂拉張裂縫耦合影響的邊坡穩定性分析模型;劉偉[7]采用有限元分析程序PLAXIS 2D2012確定選定位置處邊坡的位移和安全系數,研究了拓林水庫在不同水位降深條件下的邊坡穩定性;趙飛[8]為了研究平頂水庫庫岸邊坡的穩定性,建立了三維數值分析模型,分析邊坡坡度、滲透系數、水位下降速率對坡體孔隙水壓力的影響以及庫岸邊坡穩定系數的影響;李浩等人[9]基于飽和-非飽和滲流及流固耦合計算理論,采用數值模擬方法建立了邊坡有限元分析模型;萬利軍等人[10]研究了荷載條件下,土體邊坡隨滲透性、沉降速率和沉降比變化的穩定性;朱啟雄[11]采用了Geo-studio有限元仿真軟件模擬進行數值模擬分析;尹祖迎[12]分析和研究了影響邊坡穩定性的因素,采取合理的邊坡防護措施。

本文以位于河北省的某邊坡工程為例,基于現場勘察資料,采用ABAQUS有限元軟件,分析了降雨條件下不同性質粉質粘土和粉砂邊坡孔隙水壓力以及安全系數變化規律,研究成果可為相關工程提供參考。

1 工程概況

本次研究的邊坡工程位于河北省,由殘積土組成,山坡坡度偏陡,雨季降雨量較大。由于受巖石風化作用,該地區在空間分布上由三種土壤組成,前兩種為不同性質的粉質粘土,后一種為粉砂,其中粉砂是該地區發生滑坡的主要土層。第一種粉質粘土呈紅色,比重2.61,級配粒徑組成為D10=0.12 mm,D30=0.18 mm,D60=0.29 mm,均勻系數Cu為2.42,曲率系數Cc為0.93,最大干密度和最佳含水量分別為1.58 g/cm3和22.4%,滲透率為8.38×10-6m/s。第二種粉土的性質與第一種相似,測得其比重2.7,液限和塑限分別為41.5%和23.2%,滲透系數為6.65×10-5m/s。第三種土粉砂為不良級配粉砂,呈黃色,其比重為2.44,級配粒徑組成為D10=0.095 mm,D30=0.16 mm,D60=0.25 mm,均勻系數Cu為2.63,曲率系數Cc為1.08。此外,室內試驗測得土壤滲透率為8.38×10-7m/s,土壤密度1.52 g/cm3,含水率14.8%。

2 數值模型建立

在本次研究中,采用有限元方法對邊坡穩定性進行分析。邊坡坡角35°,坡高20 m,坡底長90 m,坡臺長30 m,坡體前水位線距離平臺面5 m高,坡體后水位線距離坡頂10 m。為探討不同土體性質對邊坡穩定性的影響,本次根據第2節中的勘察結果,共建立了3個不同性質的土坡。模型設定降雨區域坡頂的降雨強度為3.6cos35°,降雨時長48 h。數值模型采用Abaqus中結構性網格劃分技術,包含了四邊形和三角形單元網格,邊界條件為約束模型底部的水平和豎直位移,約束兩側的水平位移。邊坡安全系數計算采用強度折減法兩種方法進行計算。圖1為邊坡模型,表2為本次數值計算參數。

表1 試驗材料性質

圖1 邊坡模型

3 數值結果分析

圖2給出了降雨24 h后三種不同土壤的邊坡孔隙水壓力等值線。由圖可知,由于粉砂的滲透性低,粉砂邊坡的最大負孔隙壓力在-63～-40 kPa之間,而第一種粉質粘土和第二種粉質粘土的最大吸力值保持在-40～-17 kPa的范圍內。此外,邊坡中的水位隨降雨時間變化而變化,說明三種土體的不同力學特性會導致地下水位出現不同形式的波動。其中,第一種粉質粘土中的地下水位線與平臺以及坡體表面中間區域重合,然后平行于坡頂波動。對于第二種粉質粘土,地下水位與坡趾部分相切,然后以拋物線模式逐漸下降。對于砂土邊坡,地下水位從前端平臺上升并在坡趾附近與坡面重合,而后逐漸下降。從圖中的邊坡的安全系數可以看出,粉砂邊坡相比于粉質粘土邊坡更穩定,安全系數達到1.852,而第一種粉質粘土邊坡安全系數最小,僅為1.656。

圖2 邊坡孔隙水壓力等值線

邊坡安全系數隨時間的變化如圖3所示?？梢杂^察到,在降雨滲透過程中,邊坡的安全系數因基質吸力的減少而降低,因此降低了土壤中的有效凝聚力。第二種粉質粘土邊坡的最大初始安全系數接近2.6,在24 h時降至1.683,在48 h時恢復至1.923。在三種土壤中,粉砂邊坡的初始安全系數最低,安全系數從最初的1.996,在24 h降至1.928,在48小時降至1.904。粉砂邊坡安全系數的變化很小,這是因為降雨產生的水由于土壤滲透性低(小于降雨強度)發生飽和而無法滲透,并且水以徑流形式流動。此外,第一種粉質粘土邊坡表現出與第二種粉質粘土邊坡非常相似的特性,安全系數從初始值2.376降低至24 h時的1.656。在降雨不足的情況下,第一種粉質粘土的安全系數降低主要是由于地下水位的升高。對于第二種粉質粘土,邊坡穩定性的降低主要是由于基質吸力的降低,而降雨結束后,兩種邊坡的安全系數恢復率很高。粉砂邊坡幾乎不受降雨強度的影響。

圖3 邊坡安全系數隨時間的變化

4 結語

本文以位于河北省的某邊坡工程為例,基于現場勘察資料,采用ABAQUS有限元軟件,分析了降雨條件下不同性質粉質粘土和粉砂邊坡孔隙水壓力以及安全系數變化規律。研究結果表明,粉砂邊坡的最大負孔隙壓力在-63～-40 kPa之間,而第一種粉質粘土和第二種粉質粘土的最大吸力值保持在-40～-17 kPa的范圍內。在降雨24h后,粉砂邊坡相比于粉質粘土邊坡更穩定,安全系數達到1.852,而第一種粉質粘土邊坡安全系數最小,僅為1.656。