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      降雨歷時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

      2016-08-16 10:01:04吳兵權(quán)
      四川水泥 2016年2期
      關(guān)鍵詞:歷時(shí)非飽和降雨

      吳兵權(quán) 趙 鳴

      (同濟(jì)大學(xué)建筑工程系,上海 200092)

      降雨歷時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

      吳兵權(quán) 趙 鳴

      (同濟(jì)大學(xué)建筑工程系,上海 200092)

      本文以非飽和土力學(xué)理論為基礎(chǔ),考慮了降雨入滲過(guò)程中的滲流-應(yīng)力耦合過(guò)程,采用Geo-studio軟件對(duì)非飽和土邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得出不同降雨歷時(shí)對(duì)邊坡孔隙水壓力和位移的影響規(guī)律,以及邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化。該研究成果為正確認(rèn)識(shí)降雨條件下滑坡發(fā)生的機(jī)理提供了科學(xué)依據(jù),為降雨型滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警分析提供了基礎(chǔ)。

      降雨歷時(shí);有限元數(shù)值模擬;邊坡穩(wěn)定性

      1 引言

      隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類工程活動(dòng)日益頻繁、規(guī)模日益增大,遇到的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題也越來(lái)越突出,邊坡失穩(wěn)形成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,輕則增加投資、延長(zhǎng)工期,重則摧毀建筑物、造成人員傷亡,目前,滑坡仍然是危害人們生命財(cái)產(chǎn)安全的主要災(zāi)害之一[1]。大量事實(shí)表明,降雨是影響邊坡穩(wěn)定性,導(dǎo)致滑坡發(fā)生的最主要的因素,因此,深入研究降雨條件下邊坡的變形和失穩(wěn)規(guī)律對(duì)滑坡的防治具有重要意義。本文通過(guò)降雨條件下非飽和土邊坡的數(shù)值模擬分析,對(duì)不同降雨歷時(shí)影響下的邊坡基質(zhì)吸力的變化、位移的變化、穩(wěn)定性系數(shù)的變化進(jìn)行綜合分析,得出降雨歷時(shí)對(duì)邊坡孔隙水壓力、位移以及邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響規(guī)律,為正確認(rèn)識(shí)降雨條件下滑坡發(fā)生的機(jī)理提供了科學(xué)依據(jù),對(duì)降雨型滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警分析提供了基礎(chǔ)。

      2 數(shù)值模型

      2.1 模型建立

      考慮一均質(zhì)粘性土邊坡,數(shù)值分析模型如圖1所示,建模時(shí)采用如下簡(jiǎn)化和假設(shè):

      圖1 邊坡數(shù)值計(jì)算模型示意圖

      (1)模型幾何尺寸:坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5倍,坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍,上下邊界總高為2倍坡高,各工況采用的具體坡度和坡高數(shù)據(jù)見(jiàn)表2;

      (2)初始地下水位線如圖所示;

      (3)位移邊界條件為:邊坡兩側(cè)約束水平方向的位移,底部約束水平和豎直兩個(gè)方向的位移;

      (4)降雨邊界條件為:當(dāng)雨強(qiáng)小于土體滲透系數(shù)時(shí),按流量邊界處理,大小等于降雨強(qiáng)度;當(dāng)雨強(qiáng)大于土體滲透系數(shù)時(shí),按水頭邊界處理,大小等于該節(jié)點(diǎn)的高程;

      (5)模型底部為基巖,設(shè)為不透水邊界;

      (6)邊坡兩側(cè)取為透水邊界,其流入和流出的總流量為零;

      (7)為了對(duì)孔隙水壓力和位移變化進(jìn)行研究分析,數(shù)值分析模型中設(shè)置了孔隙水壓力監(jiān)測(cè)剖面和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖1所示,孔隙水壓力監(jiān)測(cè)剖面沿豎向設(shè)置,沿斜坡面設(shè)置水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

      2.2 土體參數(shù)

      在非飽和—飽和滲流分析中所采用的土水特征曲線及滲透系數(shù)曲線參考了前人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[2-4]以及工程地質(zhì)手冊(cè)[5],繪制的曲線如圖2、3所示。土體重度、彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)如表1所示。

      圖2 土水特征曲線

      圖3 滲透系數(shù)曲線

      表1 土體基本參數(shù)

      2.3 計(jì)算分析方案

      為了研究降雨歷時(shí)對(duì)邊坡變形和穩(wěn)定的影響規(guī)律,本文進(jìn)行了3種工況分析,具體見(jiàn)表2。

      表2 計(jì)算分析方案及參數(shù)取值

      1-2 45 15 14 20 5×10-68 60 45 15 14 20 5×10-68 80 1-3

      3 分析結(jié)果及討論

      3.1 監(jiān)測(cè)剖面孔隙水壓力分析

      在降雨過(guò)程中,隨著雨水從坡面逐步往里入滲,邊坡淺層土體基質(zhì)吸力(負(fù)孔隙水壓力)逐漸減小,隨著時(shí)間的推延,影響范圍也逐步擴(kuò)大,坡體表層土體形成了暫態(tài)飽和區(qū),地下水位線上升,從圖4可以看出,降雨歷時(shí)越長(zhǎng),雨水入滲的深度越深,基質(zhì)吸力受到影響的范圍逐步擴(kuò)大。

      圖4 監(jiān)測(cè)剖面孔隙水壓力隨降雨歷時(shí)的變化

      圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移隨降雨歷時(shí)的變化

      圖6 峰值點(diǎn)水平位移隨降雨歷時(shí)的變化

      圖7 穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨歷時(shí)的變化

      3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移分析

      在降雨過(guò)程中,邊坡的位移是逐步增長(zhǎng)的,從圖5和圖6可以看出,位移的變化過(guò)程大體分為三個(gè)階段:第一階段為初始變形階段,降雨入滲時(shí),邊坡土體受到降雨的影響,重度增加,基質(zhì)吸力降低,抗剪強(qiáng)度降低,因此土體有一個(gè)啟動(dòng)變形的趨勢(shì);第二階段為穩(wěn)定變形階段,土體變形趨于平穩(wěn),變形速率較低;第三階段為加速變形階段,隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng),土體抗剪強(qiáng)度繼續(xù)下降,開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形,變形速率急劇增長(zhǎng),甚至有可能發(fā)生破壞。隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng),邊坡土體變形從第一階段演變到第三階段,降雨40h時(shí),邊坡的最大水平位移為10mm左右,此時(shí)邊坡處于穩(wěn)定變形階段;降雨60h時(shí),邊坡的最大水平位移為80mm左右,此時(shí)邊坡處于急劇變形階段,但相對(duì)而言,處于急劇變形階段的初期;降雨72h時(shí),邊坡最大水平位移達(dá)220mm左右,處于急劇變形階段的后期,已瀕臨滑坡邊緣,降雨74h時(shí),坡體發(fā)生滑坡。

      3.3 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分析

      隨著降雨的進(jìn)行,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化與位移的變化具有一致性。從圖7可以看出,降雨40h時(shí),邊坡穩(wěn)定性系數(shù)由初始的1.434降到1.368,降雨48h時(shí),邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降到1.154,降雨72h時(shí),穩(wěn)定性系數(shù)降到1.034,降雨74h時(shí),穩(wěn)定性系數(shù)小于1,發(fā)生滑坡。

      4 結(jié)論

      本文在降雨入滲非飽和土邊坡的數(shù)值模擬分析中,對(duì)不同降雨歷時(shí)影響下的邊坡基質(zhì)吸力的變化、位移的變化、穩(wěn)定性系數(shù)的變化進(jìn)行綜合分析,得出如下結(jié)論:

      (1)隨著降雨歷時(shí)的增長(zhǎng),土體的基質(zhì)吸力逐漸減小,邊坡位移增大,穩(wěn)定性系數(shù)降低,降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性不利;

      (2)邊坡土體水平位移與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有很大的相關(guān)性,位移變化速率與穩(wěn)定性系數(shù)的變化具有很好的一致性,當(dāng)邊坡位移變化緩慢時(shí),穩(wěn)定性系數(shù)降低較小,邊坡處于穩(wěn)定階段;當(dāng)邊坡位移急劇增長(zhǎng)時(shí),穩(wěn)定性系數(shù)急劇降低,發(fā)展下去則有可能達(dá)到臨界值,發(fā)生滑坡。在邊坡監(jiān)測(cè)中可以有效利用邊坡土體的水平位移變化來(lái)進(jìn)行滑坡預(yù)警。

      [1]羅麗娟,趙法鎖.滑坡防治工程措施研究現(xiàn)狀與應(yīng)用綜述[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2009, 18(4):158-164.

      [2]邱愛(ài)華.上海軟土彈塑性本構(gòu)模型試驗(yàn)研究[D]. 同濟(jì)大學(xué), 2004.

      [3]葉為民,白云,金麒,等.上海軟土土水特征的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2006, 28(2):260-263.

      [4]葉為民,錢麗鑫,白云,等.由土-水特征曲線預(yù)測(cè)上海非飽和軟土滲透系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào), 2005, 27(11)

      [5]常士驃,張?zhí)K民,等.工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[M] .中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

      TU714

      B

      1007-6344(2016)02-0242-01

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