基于有限元地下水对边坡稳定性影响分析

张占辉

(河北省地质矿产勘查开发局第五地质大队(河北省海洋地质环境调查中心),河北 唐山 063000 )

随着经济的发展,我国的基础设施建设如火如荼,其中边坡工程占有不可忽视的比例。边坡的稳定性与诸多因素相关,其中降雨和地下水位波动是导致边坡破坏最常见的自然因素,因此研究降雨条件下,边坡稳定性具有重要意义[1-4]。

贺鹏等人[5]以某水库边坡为研究背景,通过大型模型箱试验来分析降雨强度、库区水位波动及其组合作用等因素对库岸滑坡的诱发机制;陈茜等人[6]基于简布法构建了考虑土体重度、土体强度水敏性和坡顶拉张裂缝耦合影响的边坡稳定性分析模型;刘伟[7]采用有限元分析程序PLAXIS 2D2012确定选定位置处边坡的位移和安全系数,研究了拓林水库在不同水位降深条件下的边坡稳定性;赵飞[8]为了研究平顶水库库岸边坡的稳定性,建立了三维数值分析模型,分析边坡坡度、渗透系数、水位下降速率对坡体孔隙水压力的影响以及库岸边坡稳定系数的影响;李浩等人[9]基于饱和-非饱和渗流及流固耦合计算理论,采用数值模拟方法建立了边坡有限元分析模型;万利军等人[10]研究了荷载条件下,土体边坡随渗透性、沉降速率和沉降比变化的稳定性;朱启雄[11]采用了Geo-studio有限元仿真软件模拟进行数值模拟分析;尹祖迎[12]分析和研究了影响边坡稳定性的因素,采取合理的边坡防护措施。

本文以位于河北省的某边坡工程为例,基于现场勘察资料,采用ABAQUS有限元软件,分析了降雨条件下不同性质粉质粘土和粉砂边坡孔隙水压力以及安全系数变化规律,研究成果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

本次研究的边坡工程位于河北省,由残积土组成,山坡坡度偏陡,雨季降雨量较大。由于受岩石风化作用,该地区在空间分布上由三种土壤组成,前两种为不同性质的粉质粘土,后一种为粉砂,其中粉砂是该地区发生滑坡的主要土层。第一种粉质粘土呈红色,比重2.61,级配粒径组成为D10=0.12 mm,D30=0.18 mm,D60=0.29 mm,均匀系数Cu为2.42,曲率系数Cc为0.93,最大干密度和最佳含水量分别为1.58 g/cm3和22.4%,渗透率为8.38×10-6m/s。第二种粉土的性质与第一种相似,测得其比重2.7,液限和塑限分别为41.5%和23.2%,渗透系数为6.65×10-5m/s。第三种土粉砂为不良级配粉砂,呈黄色,其比重为2.44,级配粒径组成为D10=0.095 mm,D30=0.16 mm,D60=0.25 mm,均匀系数Cu为2.63,曲率系数Cc为1.08。此外,室内试验测得土壤渗透率为8.38×10-7m/s,土壤密度1.52 g/cm3,含水率14.8%。

2 数值模型建立

在本次研究中,采用有限元方法对边坡稳定性进行分析。边坡坡角35°,坡高20 m,坡底长90 m,坡台长30 m,坡体前水位线距离平台面5 m高,坡体后水位线距离坡顶10 m。为探讨不同土体性质对边坡稳定性的影响,本次根据第2节中的勘察结果,共建立了3个不同性质的土坡。模型设定降雨区域坡顶的降雨强度为3.6cos35°,降雨时长48 h。数值模型采用Abaqus中结构性网格划分技术,包含了四边形和三角形单元网格,边界条件为约束模型底部的水平和竖直位移,约束两侧的水平位移。边坡安全系数计算采用强度折减法两种方法进行计算。图1为边坡模型,表2为本次数值计算参数。

表1 试验材料性质

图1 边坡模型

3 数值结果分析

图2给出了降雨24 h后三种不同土壤的边坡孔隙水压力等值线。由图可知,由于粉砂的渗透性低,粉砂边坡的最大负孔隙压力在-63～-40 kPa之间,而第一种粉质粘土和第二种粉质粘土的最大吸力值保持在-40～-17 kPa的范围内。此外,边坡中的水位随降雨时间变化而变化,说明三种土体的不同力学特性会导致地下水位出现不同形式的波动。其中,第一种粉质粘土中的地下水位线与平台以及坡体表面中间区域重合,然后平行于坡顶波动。对于第二种粉质粘土,地下水位与坡趾部分相切,然后以抛物线模式逐渐下降。对于砂土边坡,地下水位从前端平台上升并在坡趾附近与坡面重合,而后逐渐下降。从图中的边坡的安全系数可以看出,粉砂边坡相比于粉质粘土边坡更稳定,安全系数达到1.852,而第一种粉质粘土边坡安全系数最小,仅为1.656。

图2 边坡孔隙水压力等值线

边坡安全系数随时间的变化如图3所示。可以观察到,在降雨渗透过程中,边坡的安全系数因基质吸力的减少而降低,因此降低了土壤中的有效凝聚力。第二种粉质粘土边坡的最大初始安全系数接近2.6,在24 h时降至1.683,在48 h时恢复至1.923。在三种土壤中,粉砂边坡的初始安全系数最低,安全系数从最初的1.996,在24 h降至1.928,在48小时降至1.904。粉砂边坡安全系数的变化很小,这是因为降雨产生的水由于土壤渗透性低(小于降雨强度)发生饱和而无法渗透,并且水以径流形式流动。此外,第一种粉质粘土边坡表现出与第二种粉质粘土边坡非常相似的特性,安全系数从初始值2.376降低至24 h时的1.656。在降雨不足的情况下,第一种粉质粘土的安全系数降低主要是由于地下水位的升高。对于第二种粉质粘土,边坡稳定性的降低主要是由于基质吸力的降低,而降雨结束后,两种边坡的安全系数恢复率很高。粉砂边坡几乎不受降雨强度的影响。

图3 边坡安全系数随时间的变化

4 结语

本文以位于河北省的某边坡工程为例,基于现场勘察资料,采用ABAQUS有限元软件,分析了降雨条件下不同性质粉质粘土和粉砂边坡孔隙水压力以及安全系数变化规律。研究结果表明,粉砂边坡的最大负孔隙压力在-63～-40 kPa之间,而第一种粉质粘土和第二种粉质粘土的最大吸力值保持在-40～-17 kPa的范围内。在降雨24h后,粉砂边坡相比于粉质粘土边坡更稳定,安全系数达到1.852,而第一种粉质粘土边坡安全系数最小,仅为1.656。