應用ABAQUS模擬邊坡降雨入滲的評價性分析

章正 張本卓

中冶集團武漢勘察研究院有限公司，武漢 430080

應用ABAQUS模擬邊坡降雨入滲的評價性分析

章正 張本卓

中冶集團武漢勘察研究院有限公司，武漢 430080

運用非飽和土降雨入滲基本理論，介紹說明了邊坡降雨入滲過程，降雨入滲的邊界條件在降雨入滲過程、行為中起本質作用，其也是邊坡降雨入滲的關鍵控制條件，而ABAQUS對土質邊坡降雨入滲的模擬，在現行ABAQUS教學資料及科研運用中，普遍應用第一類邊界條件，即q

ABAQUS；降雨入滲；邊界條件；邊坡

引言

ABAQUS是國際上功能最強的大型通用的有限元模擬軟件之一，擁有能夠真實反映土體性狀的本構模型，能夠進行有效應力和孔壓的計算，具有強大的接觸面處理功能來模擬土與結構之間的脫開、滑移等現象，具備處理填土或開挖等巖土工程中的特定問題的能力，可以靈活、準確地建立初始應力狀態，對巖土工程有很強的適用性。本文對其在邊坡降雨入滲問題的應用進行分析評述。

邊坡降雨入滲是非飽和土力學重要研究內容之一，許多非飽和土問題都與流量邊界條件下非飽和土體中的暫態流有關，滲流場的變化引起孔隙水壓力變化和強度變化，因此，對非飽和滲流進行系統的研究無論在理論上還是在工程應用中，都具有十分重要的意義。

1 非飽和土降雨入滲基本理論

由非飽和土力學理論可知，在降雨條件下的邊坡非飽和滲流場變化情況[1]：隨著雨水入滲邊坡，非飽和區上部的含水率逐漸增大，基質吸力逐漸降低。基質吸力產生的抗剪強度包括在非飽和土體的凝聚力里。依據非飽和土延伸的Mohr—Coulomb抗剪強度準則，構成邊坡的土體抗剪強度也隨之降低，進而導致邊坡穩定性可能顯著降低。同時，邊坡非飽和區首先從飽和區逸出點以上附近即坡頂開始飽和，邊坡表面開始出現飽和區，再向邊坡內部擴展，影響范圍逐漸變大，出現的這類飽和區稱為暫態飽和區；隨著降雨不斷地入滲，邊坡坡面上出現正的水壓力，即為通常所說的暫態水壓力，對邊坡穩定性也有一定程度的影響。

降雨影響邊坡的穩定性，誘發滑坡的主要作用機理是[2]：降雨時，雨水滲透到土體表層中，使得邊坡非飽和帶土體的基質吸力不斷地降低，產生了暫態飽和區，而基質吸力的降低，使得邊坡非飽和帶土體的抗剪強度下降，進而導致邊坡的穩定性降低。所以當降雨歷時和強度超過一定的極限限度時，邊坡則會失穩，產生滑坡。

2 邊坡降雨入滲過程

降雨滲入邊坡巖土體，到達潛水面經歷了一個非飽和—飽和滲流過程。滲在水文學中，霍頓表明當降雨達到地表后，向地表土壤中的入滲率隨時間而減小[3,4]。對于任何給定的土壤，都有一個極限曲線，它決定相對于時間的滲入的最大可能流量。對于大雨來說，其真實的滲入作用將按這個極限曲線進行。這個曲線稱為土壤的“滲入能力”，這個能力在降雨開始之后隨時間而降低，最后達到一個穩定入滲率。在降雨事件期間的任何時間，降雨強度超過了滲入能力，超過的水將儲留在地表面上，形成地表積水產生地表徑流。

3 降雨入滲的邊界條件

由于降雨入滲的過程十分的復雜，Mein和Larson[5]（1973年）采用降雨強度q、土壤允許入滲的容量fp、土壤飽和時的水力傳導系數Kws這3個因子描述降雨入滲的過程與行為：

(1) q

(2) fp>q>Kws：所有的雨水全部入滲，fp隨著入滲深度的增加而變小，但此時降雨強度還未達到土壤允許入滲的容量，故入滲率并不會降低，且入滲率很高。此時坡面為流量邊界；

(3) q>fp：由于降雨強度大于土壤的入滲容量，故部分降雨并不入滲，形成地表徑流，此時坡面的土體基本上處于飽和狀態。而入滲率在降雨達到入滲容量后，將逐步下降。

4 ABAQUS對邊坡降雨入滲模擬的計算原理

在飽和土壤中，引起水分轉移的力是重力和水的壓力。在非飽和土中，支配著土壤水在液態下整體轉移的是重力和水的表面張力。Richards等曾在1931年就證明非飽和土中的滲流與飽和土一樣符合達西定律和連續方程[6]。若將達西定律代入連續方程（忽略滲透過程中總應力的改變和土顆粒骨架的變形）并以總水頭h作為未知量，當滲透的主方向與坐標軸一致時，非飽和土滲流的二維微分方程就可表示為：

若mw為土水特征曲線斜率， 則：

式（1）就可以寫為：

因為y為常數，式（2）可簡化為：

從式（3）也可以看出，非飽和土中的滲透系數不再是常數，而是含水量的一個函數，此函數被稱為非飽和土的滲透系數函數。因此，要進行非穩定滲流分析，需具備以下基本條件：（1）材料的滲透系數函數，包括負孔壓區的滲透系數函數；（2）庫水位下降速度；（3）確定邊界條件。當上述條件已知時，就可以對式（3）進行求解，從而得到飽和－非飽和土的非穩定滲流場。

由以上分析得知，在運用ABAQUS對邊坡降雨入滲模擬分析時，邊界條件的確定及輸入成為關鍵問題，在現行ABAQUS教學資料[7]及科研運用[8]中，普遍應用第一類邊界條件，即q

5 結論

綜上所述，ABAQUS在模擬邊坡降雨入滲問題時，對于從本質上反應降雨入滲過程與行為的降雨入滲邊界條件還未有就為科學、全面的處理方法，所模擬的情況還很單一，即q

[1]Terzaghi. K. Theoretical Soil Mechanics. John Wiley. NewYork. 1943,55～78

[2]Bishop A W and Blight G E. Factor Controlling the Shear Strength of Partly Saturated Cohesive Soils.In ASCE Research Conference on the Shear Strength of Cohensive Soils. Univ. of Colorado.Geotechnique. 1960, 503～532

[3]Bishop A W and Blight G E. Some Aspects of Effective Stress in Saturated and Partly Saturated Soils. Geotechnique. 1963, 13(3): 177～197

[4]盧應發, 陳高峰, 羅先啟, 崔玉軍. 土—水特征曲線及其相關性研究. 巖土力學，2008,29(9): 248l～2486

[5]Mein R G, Larson C L. Modelling infiltration during a steady rain[J]. Water Resource Research,1973, 9(2): 384～393

[6]莊茁, 張帆. ABAQUS非線性有限元分析與實例.科學出版社

[7]費康, 張建偉. ABAQUS在巖土工程中的應用. 中國水利水電出版社

[8]林嵩, 李俊杰.降雨入滲過程中土質邊坡穩定分析. 中國科技在線

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.038