降雨條件下膨脹土邊坡穩定性分析

龔 子 橋

(桂林市象山建筑安裝公司，廣西 桂林 541002)

降雨條件下膨脹土邊坡穩定性分析

龔 子 橋

(桂林市象山建筑安裝公司，廣西 桂林 541002)

應用濕度應力場理論，采用ANSYS軟件的熱—力耦合計算方式，模擬了降雨入滲下邊坡土體產生的膨脹效應，并建立了邊坡穩定性分析方法，分析了降雨條件下膨脹土邊坡的變形破壞規律，為膨脹土邊坡處治提供了理論依據。

膨脹土，膨脹效應，濕度應力場，有限元強度折減法

0 引言

膨脹土主要是由強親水性粘土礦物成分——蒙脫石和伊利石組成的，具有膨脹結構，以及多裂隙性、強脹縮性和強度衰減性的高塑性粘土[1]，其不良的工程性質往往導致多種工程病害，其中以邊坡失穩最為嚴重。降雨入滲是膨脹土邊坡失穩的重要誘因之一，雨水入滲不僅降低了土體的強度，同時使土體膨脹，產生膨脹效應，建立合理的邊坡穩定分析方法是處治降雨條件下膨脹土邊坡失穩的關鍵。而傳統的計算方法難以考慮邊坡土體的膨脹效應。本文基于濕度應力場理論，根據熱膨脹與濕度膨脹的相似性原理，采用ANSYS軟件的熱—力耦合計算方式，模擬了降雨入滲下邊坡土體的膨脹效應，分析了膨脹土邊坡失穩破壞規律。

1 基本理論

1.1 濕度應力場基本原理

目前，基于非飽和土理論的滲流以及水力耦合分析針對膨脹土膨脹變形研究雖已取得了一定進展[2-7]，但由于吸力的量測、非飽和土本構參數的獲取困難等使得數值計算還不易實現，需尋求合理且方便的數值分析方法。中國礦業大學的繆協興[8]提出了濕度應力場理論：

1)水分在膨脹巖土中的滲透與擴散作用導致一定范圍的濕度場變化與物體在熱源作用下的溫度傳導與擴散導致的溫度場變化類似。

2)膨脹巖吸水后體積膨脹和巖性軟化，類似于材料的溫度效應，因此可以利用溫度應力場的計算方法模擬計算膨脹巖土由于濕度變化而產生的應力場。

這也就提供了一條模擬降雨入滲和膨脹效應更為方便的途徑。

1.2 基本公式

1)滲流與熱傳導微分方程的相似性。

滲流微分方程為：

(1)

熱傳導微分方程為：

(2)

分析以上公式可知，兩式具有高度的相似性，形式完全一樣，其中滲透系數k與熱傳導系數λ相對應。

2)濕度應力與溫度應力的相似性。

熱膨脹方程為：

ε=αΔT

(3)

濕度膨脹方程為：

ε=βW

(4)

以上兩膨脹方程形式也一樣。

這樣就可以應用現有通用有限元分析軟件，利用其熱—力耦合計算模式來分析降雨條件下膨脹土邊坡的變形破壞。本文采用ANSYS10.0的熱—力耦合計算模式，土體含水率W用溫度T表示，滲透系數kw用熱傳導系數λ表示，濕度膨脹系數β用溫度膨脹系數α表示，這樣也就可以利用ANSYS的熱傳導來模擬滲流，熱膨脹效應來模擬濕度膨脹效應，并采用熱—力耦合計算方式以熱荷載的形式將膨脹效應的模擬引入邊坡穩定分析之中。

2 算例

本文算例根據文獻[10]推薦建立分析模型(見圖1)。邊坡高10 m，坡比1∶1.5，右端坡頂寬30 m，左端底部寬15 m；模型材料組成分別為寧明灰白膨脹土和灰黑膨脹土。坡頂以下4 m為灰白膨脹土，再下為灰黑膨脹土；并在路基面以下4 m設一道水平飽和含水面，滲透計算時設為不透水面，同時模型兩端水平固支，亦為不透水界面。假定降雨后坡表面為飽和狀態；考慮降水48 h。模型計算參數見表1。

表1 模型計算參數

采用ANSYS軟件中的熱—力耦合法進行計算，土體單元選用Pine84，采用理想彈塑性本構模型和DP準則，有限元計算參數見表2。

表2 有限元計算參數

3 降雨條件下邊坡變形計算與分析

3.1 濕度場計算

以ANSYS熱傳導的方式模擬邊坡降雨入滲過程，考慮當地實際氣候條件，坡表、坡頂及路基頂面初始含水量定為23%，飽和含水面的含水量為32%，以穩態計算結果為邊坡初始濕度場見圖2，48 h后的瞬態計算結果見圖3。

3.2 邊坡變形計算及分析

以熱—力耦合的計算模式分析邊坡的變形破壞，具體作法是將濕度場(ANSYS計算得到的溫度場)的計算結果以荷載的形式引入，然后進行力學計算。將初始濕度場和48 h后的濕度場分別代入，然后用48 h濕度場的計算結果減去初始濕度場的計算結果就得到了由于雨水入滲48 h后的邊坡變形結果，見圖4～圖7。

1)有限元計算結果。由圖4～圖7可知降雨后的膨脹土淺層坡體將產生膨脹變形，出現拉應力且塑性區也集中在這一區域。說明降雨后膨脹土邊坡將發生淺層滑塌破壞，這與寧明當地的邊坡破壞實際情況較為吻合。計算結果也反映出膨脹土邊坡有別于一般黏土邊坡圓弧形滑面的特有的淺層變形破壞的特征。

2)安全系數。采用有限元強度折減法計算不同條件下的膨脹土邊坡安全系數，見表3～表5。

表3 邊坡坡度與安全系數的關系

表4 邊坡高度與安全系數的關系

表5 膨脹力與安全系數的關系

通過計算分析可知：

1)分析表3，表4可知，膨脹土邊坡的安全系數普遍較低，僅當坡高為6 m，坡比為1∶1.5時安全系數比較大；同時邊坡坡度的改變對安全系數的影響不大。

2)由表5可知，降雨入滲后產生的膨脹力對邊坡穩定的影響顯著。當坡體的膨脹力減小為原來的50%時，1∶1.5的邊坡就可以穩定(K=1.33>1.25)。

4 結語

1)本文應用濕度應力場理論，根據濕度應力與溫度應力的相似性，采用ANSYS的熱—力耦合計算模式，將膨脹力引入了邊坡穩定計算當中，分析了邊坡的膨脹效應以及變形破壞規律，計算了邊坡安全系數與坡高、坡度和膨脹力的關系，結果與工程實際較吻合。

2)降雨入滲導致土體膨脹是導致邊坡失穩的重要因素之一，采取“封閉防滲”的處治方法，阻止雨水的進入能有效的提高膨脹土邊坡的穩定性。

[1] 廖世文.膨脹土與鐵路工程[M].北京：中國鐵道出版社，1984：40-44.

[2] Fredlund D G, Xing A, Hang S. Predicting the permeability function for unsaturated soils using the soil-water characteristic curve[J].Can Geotechnique Journal，1994(31):533-546.

[3] Sillers W S, Fredlund D G. Mathematical attributes of some soil water characteristic curve models[J].Geotechnical and Geological Engineering,2001(19):243-283.

[4] Van Genuchten M Th. A closed form equation predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J].Soil Science Society of America Journal,1980(44):892-898.

[5] 包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩定性問題[J].巖土工程學報，2004，26(1):1-15.

[6] 盧再華,陳正漢,方祥位,等.非飽和膨脹土的結構損傷模型及其在土坡多場耦合分析中的應用[J].應用數學和力學,2006(7):781-788.

[7] 吳珺華,袁俊平,盧廷浩.非飽和膨脹土邊坡的穩定性分析[J].巖土力學,2008(S1):363-367.

[8] 繆協興,楊成永,陳至達.膨脹巖體中的濕度應力場理論[J].巖土力學,1993(4):49-55.

[9] 鄭穎人,張玉芳,趙尚毅,等.有限元強度折減法在元磨高速公路高邊坡工程中的應用[J].巖石力學與工程學報,2005(21):14-19.

[10] 鄭穎人,趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用[J].巖石力學與工程學報,2004(19):3381-3388.

Stability analysis for expansive soil slope under the condition of rainfall

Gong Ziqiao

(GuilinXiangshanConstructionandInstallationCompany,Guilin541002,China)

Based on humidity stress field theory, the paper uses of the coupled thermal-stress function of ANSYS finite element to imitate the rainfall seepage and expansive force of slope, establishes the slope stability analysis method, analyze the deformation and failure law of expansive soil slope under the condition of rainfall, and have provided a theoretical basis for treatment for the expansive soil slope.

expansive soil, expansive force, humidity stress, shear strength reduction method with FEM

2015-01-05

龔子橋(1969- )，男，工程師

1009-6825(2015)08-0103-03

TU443

A