論文--降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的有限元極限平衡法

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1、降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的有限元極限平衡法摘要降雨尤其是強(qiáng)降雨條件是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素之一。針對(duì)降雨邊坡，傳統(tǒng)方法無(wú)法考慮非飽和滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)之間的耦合作用，處理偏于簡(jiǎn)化，有限元法則具有較強(qiáng)的耦合分析能力，因此，采用有限元計(jì)算進(jìn)而求得邊坡安全系數(shù)及滑弧形狀是對(duì)降雨邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析更為合理的方法。本文采用有限元極限平衡法分析降雨強(qiáng)度等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響并與有限元強(qiáng)度折減法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)例分析結(jié)果表明，有限元極限平衡法計(jì)算結(jié)果合理可靠，同時(shí)相較于有限元強(qiáng)度折減法，更為簡(jiǎn)便，更適用于工程實(shí)踐，這一優(yōu)勢(shì)在非飽和非穩(wěn)定滲流邊坡穩(wěn)定分析上體現(xiàn)尤為明顯

2、。引言邊坡穩(wěn)定分析是巖土工程領(lǐng)域的重要課題之一，合理正確分析邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，對(duì)于工程建設(shè)及災(zāi)害防治均具有十分重要的意義。影響邊坡穩(wěn)定性的因素眾多，雨水及地下水滲流即是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一。我國(guó)幅員遼闊，氣象條件復(fù)雜多樣，暴雨引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，強(qiáng)降雨條件對(duì)邊坡的穩(wěn)定性的影響不可小覷。目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)滲流作用下的邊坡穩(wěn)定性分析做了大量的研究工作，也取得卓有成效的研究成果，唐曉松等[1，2]通過(guò)采用ADINA，PLAXIS等有限元軟件分析了滲流作用下邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題；D.V.Griffiths和P.A.Lane[3]通過(guò)自編程序，應(yīng)用強(qiáng)度折減法研究庫(kù)水

3、位作用下的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，并與傳統(tǒng)方法計(jì)算的安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果吻合較好；張曉詠，戴自航[4]等應(yīng)用ABAQUS程序結(jié)合強(qiáng)度折減計(jì)算對(duì)滲流和應(yīng)力直接耦合，分析了滲流作用下邊坡的穩(wěn)定性；C.S.Dwsail[5]用有限元確定坡體侵潤(rùn)面的位置，然后利用傳統(tǒng)的瑞典圓弧法對(duì)密西西比河某段河岸的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。上述分析均側(cè)重于靜水滲流，針對(duì)降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性的研究工作較少，汪益敏，陳頁(yè)開(kāi)等[6]基于東江—深圳金湖泵站水渠邊坡改造工程的實(shí)際工程，結(jié)合降雨條件采用有限元方法進(jìn)行分析，得出了邊坡失穩(wěn)的原因，并提出了工程建議，但對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析均采用應(yīng)力分析方式，沒(méi)有

4、給出直觀的安全系數(shù)，也很難確定出滑裂面位置。因此，本文以某一典型的邊坡工程為例，通過(guò)采用ABAQUS建立有限元模型，對(duì)該工程在降雨入滲條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出天然干燥、不同降雨量條件與邊坡的安全系數(shù)間的關(guān)系以及滑裂面的發(fā)展情況。有限元極限平衡法土工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的有限元極限平衡法是邵龍?zhí)督淌谟?989年提出并不斷完善的穩(wěn)定性分析方法，其要點(diǎn)在于把穩(wěn)定分析問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題，以離散后滑動(dòng)面的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為搜索變量求解最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。有限元極限平衡法基于土工結(jié)構(gòu)彈塑性有限元應(yīng)力分析，采用極限平衡條件進(jìn)行穩(wěn)定性判定，是一種確定性分析方法，基本思路為：通過(guò)數(shù)值計(jì)算

5、方法（有限元、離散元或邊界元等）獲得計(jì)算區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)，按照安全系數(shù)的定義搜索最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，以此安全系數(shù)評(píng)價(jià)土工結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定性。主要包含兩方面的內(nèi)容：一是安全系數(shù)的定義；二是最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的搜索。該方法的優(yōu)越性在于，理論體系更為嚴(yán)密，符合當(dāng)前真實(shí)的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，可以直接確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。安全系數(shù)的定義在平面應(yīng)變條件下，土體中任意一點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度可依據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則確定，其值為：（1）上式中，為法向應(yīng)力，為土體粘聚力，為內(nèi)摩擦角安全系數(shù)可以表示為：（2）上式中，抗剪強(qiáng)度沿滑動(dòng)面的積分與剪應(yīng)力沿滑動(dòng)面的積分之比，也就是沿滑動(dòng)面阻滑力的代數(shù)和之比，其物理意義

6、是土體沿滑動(dòng)面整體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)的平均強(qiáng)度折減系數(shù)，或稱為平均強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)，其物理意義在于整體意義上的極限平衡，并未要求滑動(dòng)面為圓弧，實(shí)際上對(duì)于任意形狀的滑動(dòng)面，安全系數(shù)有如上明確的物理意義。最危險(xiǎn)滑動(dòng)面搜索將離散為坐標(biāo)點(diǎn)與曲線單元的組合，如圖所示，當(dāng)坐標(biāo)點(diǎn)足夠多時(shí)（曲線單元尺度與有限元單元尺度一致），坐標(biāo)點(diǎn)可近似取代曲線。如果固定值，則曲線變?yōu)榈膯巫兞亢瘮?shù)。對(duì)于穩(wěn)定分析問(wèn)題，基本過(guò)程可描述為：在已求得的應(yīng)力場(chǎng)，確定坐標(biāo)，變化坐標(biāo)值，使得安全系數(shù)最小，便可確定曲線的位置。對(duì)于每一個(gè)曲線單元上的積分點(diǎn)，先確定其所在的單元，通過(guò)插值得到應(yīng)力值，運(yùn)用高斯積分法，

7、由式（2）計(jì)算值，最后運(yùn)用粒子群方法確定全局最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。jjieSy=y(x)σ(x,y)yiyjxjxi圖1實(shí)例分析材料參數(shù)及計(jì)算模型本文算例選取云南祥臨公路(江臨段)第13合同路段右側(cè)邊坡為研究對(duì)象，具體數(shù)據(jù)來(lái)源于勘查資料、文獻(xiàn)及云南祥臨公路高邊坡及滑坡數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。參照實(shí)際情況，取邊坡坡角斜率為1∶1，概化出邊坡幾何模型，如圖2所示。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)整個(gè)土坡只由一種土組成，且各向同性，土水特性曲線如圖4所示，滲透系數(shù)為ABAQUS的缺省設(shè)置。有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖3所示，模型采用孔壓位移耦合的CPE4P四邊形四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，底部邊界

8、為不透水邊界，水平向和豎向都施加位移約