降雨条件下岸堤非饱和边坡变形及加固分析

罗健平

( 广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635 )

近年来随着国家经济实力的提升，基础设施建设步伐加快，越来越多的河堤与岸坡工程正在投入建设和使用当中。然而，一些边坡项目受周边地质环境和极端天气的影响灾害频发，造成人员和大量经济损失，因此在工程施工前后对边坡的稳定性进行分析十分必要。然而在众多致灾因子中，降雨是导致天然土坡滑动和工程边坡失稳灾害事故频发的最主要和普遍的环境因素[1]。在雨水入渗过程中，边坡土体的含水率会发生改变[2], 使土体在非饱和与饱和状态之间转换[3]，从而改变土体的基质吸力和抗剪强度, 最终导致工程事故发生[4]。

目前，国内外通常采用数值模拟的方法来研究非饱和边坡的稳定性，其常用的数值理论包括有限元法[5]、有限差分法[6]、离散元法[7]等。其中，由达索公司基于有限元方法开发的ABAQUS软件有着成熟的理论基础，当中包含多种类型的材料模型库，可以模拟土壤与岩石等地质材料的应力应变以及位移变形分析，因此被广泛用于边坡稳定性问题分析[8]。李宁等[9]采用Python语言对ABAQUS软件的降雨入渗边界进行二次开发,将降雨边界作为不定边界, 综合评价抗滑桩的加固效果; 崔亮等[10]以非饱和土力学理论为基础, 结合降雨入渗过程, 采用ABAQUS软件中流固耦合模型对降雨条件下土坡稳定性进行了数值模拟分析，徐水平等[11]以茶阳车站滑坡为实例, 采用ABAQUS数值分析法建立了滑坡与抗滑桩相互作用的三维计算模型, 并基于非饱和土理论, 采用流固耦合方式模拟了不同降雨条件下的滑坡-抗滑桩作用体系分布规律。

本文在上述文献基础上，以河堤黏土质边坡为例，基于强度折减法和饱和非饱和流固耦合理论，模拟分析了不同降雨时长下，边坡的变形位移以及安全系数。此外还对比分析了不同降雨时长下，土坡加固前后边坡安全系数的变化，桩土之间的应力关系，以及抗滑桩对边坡塑性区的贯通以及稳定性的影响。研究结果将为相关黏质边坡稳定性分析提供参考。

1 有限元强度折减法

强度折减法最早由Zienkiewicz教授提出，其含义是在外部条件不变的情况下，边坡内部的最大抗剪强度与真实产生的剪切应力之间的比值。在现实的工程中，当边坡发生破坏时，上述两个数值相等。这种抗剪强度折减系数与边坡整体稳定安全系数Fs的含义相同，并与极限平衡法中的稳定性安全系数概念相似。强度折减法的参数表达式为如下

(1)

φm=tan-1(tanφ/Fr)

(2)

式中：c和φ是材料所能够提供的最大黏聚力和内摩擦角；cm和φm是材料实际发挥的黏聚力和内摩擦角；Fr为折减系数。

2 非饱和流固耦合理论与降雨条件设置

持续的降雨会升高地下水位，增加孔隙水压力，使得地下水位以上出现暂缓饱和区，而降雨入渗是典型的非饱和流固耦合现象，根据非饱和图流固耦合理论，材料渗透系数与基质吸力、可采用如下关系式：

Kw=awKws/[aw+(bw×(ua-uw))cw]

(3)

式中：Kws为土体饱和时的渗透系数；ua和uw分别为气压和水压力，其余参数为材料参数。而饱和度与基质吸力关系为：

Sr=Si+(Sn-Si)as/[as+(bs×(ua-uw))cs]

(4)

式中：Sr为饱和度；Si为残余饱和度；Sn为最大饱和度，其余为材料参数。

对于降雨入渗边界条件的选取，通常分为3种情况。第一种为无地表径流且降雨全部入渗，入渗率保持不变。第二种为雨水全部入渗，但土壤允许入渗量随入渗深度增加而减少，边坡坡面为流量边界。第三种为降雨强度大于土壤入渗流量，形成地表径流。本文根据当地气象局所发布的降雨资料，选取第二种情况作为此次分析的降雨边界。

3 模型建立与计算参数

本次建立的库岸边坡模型位于浙江省某水库，根据室内试验测试其主要组成部分为黏土矿物，包括有蒙脱石、伊利石等，碎屑矿物主要有石英与长石，其次含有少量方解石。通过对土样进行物理力学性质测定，测得其，密度为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%，塑性与液性指数分别为26，0.28。本次概化的边坡断面模型为三维模型，坡底长25.3 m， 坡高17.8 m，上部平台长7.5 m，底部坡角43.2°，黏土力学参数为室内试验所得平均值，但注意由于考虑的是非饱和边坡，这里摩尔库伦参数均采用有效值。本文考虑0、24、48、72 h 4个降雨工况，区域坡顶的降雨强度为10.2cos43.2°。图1为本次概化模型尺寸，图2为降雨幅值曲线，表1为本次计算力学参数。

图1 边坡概化模型尺寸表1 模型计算力学参数

弹性模量/MPa泊松比内摩擦角/°粘聚力/kPa重度/kN/m31100.25382520

图2 降雨幅值曲线

4 不同降雨时间下边坡稳定性分析

通过数值分析得出，在降雨时刻为0时，水压力分布呈线性分布，饱和度为1。在降雨24h时，边坡孔压分布开始发生变化，边坡顶部以下的吸力区范围与基质吸力逐渐减小。当降雨至48 h后，法向方向的饱和度逐渐增大，孔隙水压力也呈明显增长趋势，此时边坡浅层的基质吸力逐渐消失。最后，在降雨至72 h后，边坡由于不在受降雨荷载作用，饱和度随着时间增加不断减少，孔隙水压力同时也呈降低趋势，但此时边坡浅层的基质吸力开始增加。为探究降雨对边坡位移的影响，现根据降雨72 h工况下，对降雨引发的边坡沉降进行分析。此次计算的最大水平位移发生在坡角，为10.86 mm，而最大沉降发生在边坡中上部，为7.6 mm。这是由于边坡降雨之后，土的吸力降低，孔压增加，根据有效应力原理，土体有效应力增加，发生回弹。

为探究降雨对边坡稳定性的影响，本次计算采用的是软件重启动技术，先将降雨工况下边坡变形计算结果保存之后，在model-editatrributes选择重启动所需要的源文件。完成上述步骤之后，再制定读入数据的时间，并选择结束时间，此时就可对不同降雨时刻下的边坡进行强度折减分析。

图3计算了不同降雨时刻边坡的安全系数。由图可知，随着降雨时间的增加，边坡安全系数不断减小，这是由于持续的降雨会增加坡体内部的孔隙水压力与渗透力，减小了土体的抗剪强度和基质吸力，从而使边坡更加容易产生下滑的趋势。

图3 不同降雨时刻边坡的安全系数

5 抗滑桩加固边坡稳定性分析

为分析边坡通过抗滑桩加固后对降雨的响应分析，本文采用混凝土单桩对边坡进行加固，来分析降雨0、24、48、72 h 后边坡的安全系数与桩体变形。此次加固混凝土桩长13 m，桩径0.8 m，距离边坡最左端14 m，弹性模量34 GPa，重度24 kN/m3，桩侧的切向摩擦系数为0.5，法向采用硬接触，计算用对称分析方法。图4为本次模型网格划分与尺寸示意图。其他计算参数与之前分析保持一致。

图4 抗滑桩加固边坡模型尺寸

图5 不同降雨时刻下抗滑桩加固前后边坡安全系数

图5给出了不同降雨时刻下，加固后与加固前边坡的安全系数对比图。由图可知，随着降雨时间的持续增长，边坡的安全系数同样降低，但加固后边坡的安全系数明显高于未加固时的边坡，抗滑桩对上部土体向下的滑动变形起到了阻止作用。当降雨72 h后，计算出边坡最大水平位移为4.2 mm，而最大沉降为5.3 mm。为节约篇幅，本文选取0时刻的边坡来分析抗滑桩与土体之间的相互作用。图6为边坡的塑性应变云图。由图可知，抗滑桩阻止了边坡滑面的贯通，其中在抗滑桩前滑弧最为明显，而抗滑桩之后的滑弧较浅，但桩体上部分与桩后土产生了明显的挤压效应。图7为边坡的米塞斯应力云图。如图所示，边坡主要在中部以上产生了明显的应力集中现象，而在边坡顶部与底部应力相对较小，说明桩体顶部可能发生了脱开变形，而底部呈锚固状态，与长桩的变形模型相吻合。

图6 边坡的塑性应变云图

图7 边坡的米塞斯应力云图

6 结语

本文基于有限元强度折减法和非饱和流固理论对3D边坡在不同时刻降雨后稳定性进行了分析，同时对比了抗滑桩加固前后边坡安全系数的变化，主要得到了以后结论：

(1)随着降雨时间的增加，边坡中土的吸力会降低，孔压增加，土的有效应力会减小，同时导致抗剪强度降低，增加了滑坡的风险。此外，边坡的安全系数与降雨时间呈负相关。

(2)随着降雨时间的持续增长，加固后的边坡，其安全系数同样降低，但安全系数明显高于未加固时的边坡，抗滑桩对上部土体向下的滑动变形起到了阻止作用。

(3)抗滑桩阻止了边坡滑面的贯通，其中在抗滑桩前滑弧最为明显，而抗滑桩之后的滑弧较浅，但桩体上部分与桩后土产生了明显的挤压效应。