基于ABAQUS土坡降雨入滲應力應變及穩定性研究

(新疆瑪納斯河流域管理局水利管理中心第三水利管理站，新疆 石河子 832000)

基于ABAQUS土坡降雨入滲應力應變及穩定性研究

獨敏

(新疆瑪納斯河流域管理局水利管理中心第三水利管理站，新疆 石河子 832000)

降雨會影響土體的力學參數，通過ABAQUS對雨水入滲的瞬態滲流對土坡應力、應變的影響進行研究，以一理想邊坡作為案例進行建模與計算，不考慮降雨積水的影響，認為靜水壓力隨深度線性增加，建立CPE4P網格進行計算。后處理中，對其滲透率、孔壓、橫縱向位移、偏應力、塑性應變以及應力路徑等作了分析，得出一系列降雨入滲作用下應力、應變及穩定性的相關結論。

降雨；滲流；ABAQUS；失穩；邊坡；塑性區

土體的抗剪強度等力學參數會隨著降雨的作用而降低[1]，空隙水的壓力會隨著地下水位的抬高而升高[2- 3]，造成穩定性的下降[4]。除此之外，高強度、長時間的降雨會導致暫態飽和區的出現，以此，會導致空隙水壓力的升高。基于此，很有必要對雨水入滲情況下瞬態滲流影響下的土坡應力、應變等力學特性進行研究。

降雨入滲作為—種典型的非飽和流固耦合現象，目前已有較多學者對降雨入滲進行了研究，取得了較多成果[5- 10]。但研究領域多在降雨入滲的影響因素、滑坡、初始含水率、穩定性等層面上的分析，而基于多參數的、多指標的綜合分析研究較少。本文從數值模擬角度出發，全面對滲透率、孔壓、橫縱向位移、偏應力、塑性應變以及應力路徑等作了分析，以此更好地為降雨入滲對土坡的穩定性研究做參考與支持。

1 基于ABAQUS的降雨入滲計算力學原理及邊界條件

1.1 計算原理

土體材料的滲透系數與基質吸力關系為

kw=awkws/{[aw+bw(ua-uw)]cw}

(1)

式中kw—— 土體飽和時的滲透系數，取5.0×10-6m/s(0.018m/h)；

uw、ua—— 土體中的水壓力、氣壓，因坡面與大氣接觸的原因，在式中取為0；

aw、bw、cw—— 材料系數，本例中分別取為1000、0.01、1.7。

飽和度隨基質吸力的關系式為

Sr=Si+(Sn-Si)as/{[bw(ua-uw)]cw}

(2)

式中Sr—— 飽和度；

Si—— 殘余飽和度，可取0.08；

Sn—— 最大飽和度，取1；

as、bs、cs—— 材料系數，分別取為1、5.0×10-5和3.5。

值得注意的是，ABAQUS中，有效應力的定義為σ′=σ-(χuw+(1-χ)ua)，χ簡單的取為飽和度Sr，將ua賦值為0，采用基于有效應力的本構關系，該本構重點體現了基質吸力對模型的影響，這與反映黏聚力的強度本構具有較大差異。

1.2 邊界條件

降雨入滲的物理過程十分復雜，Larson與Mein研究發現，通過土壤允許的入滲容量fp，降雨強度q以及水力傳導系數kws參數的分析，可以揭示出降雨入滲行為如下：

a.q

b.fp>q>kws，雨水在該情況下全部入滲，隨著入滲度的不斷增加，fp不斷減小，但該強度下，降雨強度還未超過允許容量，因此，入滲率并不會出現降低的情況，其仍具有較高的數值。該情況時，坡面為流量邊界。

c.q>fp，此時，降雨強度已經超過了土壤的入滲容量，因此會出現部分降雨不入滲而形成地表徑流的情況。該情況中坡面上的土體為飽和狀態的土體，當達到入滲容量后，降雨將不斷下降。

本文考慮所述第二種情況，即fp>q>kws情況，文中的降雨邊界函數用降雨強度(單位流通量)來表示。同時，不考慮地表積水的情況，使分析區域頂面均受到降雨作用，設置入滲強度和持續時間分別為20mm/h、66h。

2 降雨入滲模型的建立與求解

降雨入滲的模型來自于新疆瑪納斯河邊坡。新疆瑪納斯河位于新疆維吾爾自治區準噶爾盆地南部，源出天山北麓北流注入瑪納斯湖，長約450km，上游水急多峽谷，下游平原坦蕩，河曲發育。本文所建立的數學模型即來自于新疆瑪納斯河邊坡，為了便于研究，將其簡化成理想邊坡，該邊坡坡角為40°，坡高為30m，其初始地下水位位于壩腳處。土體的彈性模量為10MPa，泊松比為0.3，黏聚力c′為15kPa，摩擦角φ′為30°，以此進行降雨入滲模型的建立。

基于上文降雨入滲計算力學原理及邊界條件的選擇，進行有限元模型的建立。所建立的有限元模型如圖1所示，其element type選擇為CPE4P，滲透系數隨飽和度以及基質吸力隨飽和度的變化可根據公式(1)和公式(2)得到。

圖1 有限元網格模型

利用distribution定義孔壓邊界條件，在左、右兩側水位以下的邊界上設置隨深度線性增加的靜水壓力孔，按照式(3)進行設置：

p=1010-Y

(3)

分析步的時間步長為72h，以0.1作為初始的時間增量步，將孔壓設定為沿深度線性關系增加，降雨強度的時程賦值曲線Amp- 1見下表。

時間和幅值的大小關系表

對所研究的坡頂區域的降雨入滲邊界條件進行設置，嵌入有效應力有限元文件，即可進行該模型的降雨入滲有限元分析。

3 降雨入滲后的結果分析

降雨發生后46h、72h的孔壓等值線云圖見圖2、圖3。由圖2、圖3可知：在降雨入滲發生后，孔壓的分布云圖與初始狀態發生顯著差異，在坡頂部范圍以下的吸力區發生范圍減小的現象，基質吸力參數較初始狀態減小；隨著降雨時間的增加，法向狀態延長，飽和度也隨之增大，孔隙水壓力參數也隨之增大。隨著降雨時間的增加，淺層土體的基質吸力不斷減小甚至消失。

而隨著降雨的減少直至停止，在時間不斷延長的情況下，飽和度出現逐漸減小的情況，孔隙水壓力也隨之逐漸減小，土體淺層的基質吸力出現逐漸增加的情況。

圖2 降雨發生后46h的孔壓云圖

圖3 降雨發生后72h的孔壓云圖

圖4與圖5是降雨發生72h后的水平位移及沉降的等值線云圖。由圖4和圖5可知：發生在坡腳的最大水平位移是9.55mm；土坡的中部發生最大沉降現象，沉降位移是4.06mm。由于初始設置的分布條件，導致坡頂沒有出現最大沉降。

圖4 降雨72h后的水平位移云圖

圖5 降雨72h后的沉降云圖

對坡頂進行單獨分析，當降雨入滲發生后，吸力出現降低情況，孔壓出現增加情況，有效應力出現減小情況，發生了卸載回彈現象。除此之外，降雨入滲的不斷持續，使得土體容重和含水率增加，進而使得沉降和應力均出現增加現象。

位移矢量圖如圖6所示。從圖6可以看出，降雨入滲發生后，邊坡出現明顯的滑動變形趨勢，由此可知，邊坡穩定性逐漸變低。

圖6 降雨72h后的位移矢量圖

圖7和圖8是降雨入滲23h及72h后的等效塑性應變云圖。由圖7和圖8可知，坡腳淺層由于降雨入滲作用首先出現塑性區，且塑性區沿坡面會不斷地向上擴展。

圖7 降雨入滲23h的等效塑性應變云圖

選取塑性區中心點，給出等效塑性應變時程曲線，如圖9所示。由圖9可見，當t=20h時，塑性區出現在坡腳，隨后降雨入滲時間快速增加，當時間增加到50h后，降雨情況開始減小，此后，塑性區便不再向后擴展，等效塑性應變隨之也不再增加，保持穩定不變。

圖8 降雨入滲72h的等效塑性應變云圖

圖9 塑性中心單元等效塑性應變時程曲線

利用ABAQUS提供的combine函數，繪出塑性區中心點和非塑性區中心點的有效應力路徑，如圖10和11所示。

圖10 塑性中心單元有效應力路徑曲線

圖11 非塑性區單元有效應力路徑曲線

由圖10和圖11可知，塑性中心單元和非塑性區中心單元的有效應力路徑明顯出現了不同的力學特征。對于出現在坡腳的塑性中心單元(見圖10)，由于降雨入滲，孔壓開始增加，有效平均應力出現減小的情況，而減小到一定閾值后，有效應力路徑表現出屈服現象，其處于屈服面位置，此時，應力路徑向左下方逐漸下移，其沿著摩爾庫侖強度包線形成的屈服面朝左下方移動，當降雨量減小后，移動停止，此時，吸力開始增加，孔壓開始減小，在有效應力開始增大后，其逐漸遠離屈服面。

而對于非塑性單元(見圖11)，其處于土方內部，上方的單元吸水后容重增加，導致塑性區單元的平均有效應力和偏應力都是增加的，直至降雨的后期，接近降雨結束時平均有效應力和偏應力都有所下降，即降雨入滲作用下主要是邊坡淺層可能會出現失穩現象，該區域具有較高的失穩傾向性。

4 結 語

基于ABAQUS軟件及其計算力學原理，以理想邊坡為研究對象，對土坡降雨入滲現象進行了非飽和流固耦合分析，主要結論為：

a. 在降雨入滲的作用下，位移矢量圖表明，邊坡有明顯的滑動變形的趨勢，邊坡穩定性由此逐漸降低。

b. 坡腳淺層會首先出現塑性區，并沿著坡面不斷向上擴展。

c. 塑性點和非塑性點的有效應力路徑表現出了不同的特征。

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StudyonstressstrainandstabilitybasedonABAQUSsoilsloperainfallinfiltration

DU Min

(No.3WaterConservancyManagementStation,XinjiangManasRiverBasinAuthorityWaterConservancyManagementCenter,Shihezi832000,China)

Rainfall affects the mechanical parameters of soil, the influence of rainwater infiltration transient seepage flow on soil slope stress and strain is studied through ABAQUS. On the basis, an ideal slope is regarded as a case for modeling and calculation. The influence of rainfall and water accumulation is not considered. It is believed that hydrostatic pressure increases linearly with depth, and a CPE4P grid is established for calculation. In the post- processing, the permeability, pore pressure, horizontal longitudinal displacement, deviatoric stress, plastic strain and stress path, etc. are analyzed, and a series of related conclusions of stress, strain and stability under rainfall infiltration action are obtained.

rainfall; seepage; ABAQUS; instability; slope; plastic zone

10.16616/j.cnki.10- 1326/TV.2017.010.012

TV211.2

A

2096-0131(2017)010-0039-05