非饱和下蜀土边坡稳定性数值分析研究

非饱和下蜀土边坡稳定性数值分析研究
孙萍;薛涛;孙雪
【摘要】In order to avoid the geological disasters caused by rock landslide to the people's lives and property caused serious harm,taking into account the soil in the unsaturated state,soil slope stability evaluation is particularly important. The soil shear strength and soil-water characteristic curves of soil in Xiashu soil slope of Nanjing are studied,and the strength of Xiashu soil is analyzed. By using the finite element analysis software ABAQUS and the strength reduction method,the stability of the slope is analyzed when the soil slope is saturated and unsaturated. The strength reduction is used to simulate the effect of rainfall or water level rise. It is found that the safety factor of the slope decreases during rainfall,and it is not conducive to slope stability. It is found that the depth of the plastic zone of the soil slope is weakened with the decrease of the soil saturation or the increase of the matrix suction ,by comparing with the plastic map of Xiashu soil slope under the two conditions.%为了避免岩土体滑坡所带来的地质灾害给人民的生命财产安全造成严重危害,考虑到土体处于非饱和状态下,土质边坡的稳定性评价显得尤为重要.以南京市某下蜀土边坡工程为研究对象,根据室内试验得到土体的抗剪强度和非饱和土水土特征曲线,分析了下蜀土的强度变化情况;利用有限元分析软件ABAQUS,采用强度折减法,分析了土质边坡处于饱和状态和不饱和状态下时边坡的稳定性,采用强度折减法来模拟降雨或者水位上升的影响,发现在降雨过程中边坡的安全系数会减小,不利于边坡稳定;对比两种状态下下蜀土边坡的塑性图,发现随着土体饱和度的降低或基质吸力的增加,土坡失稳破坏的塑性区深度加深.
【期刊名称】《河南科学》
【年(卷),期】2017(035)004
【总页数】6页(P584-589)
【关键词】下蜀土;边坡;强度折减法;有限元;非饱和土体;基质吸力
【作者】孙萍;薛涛;孙雪
【作者单位】金陵科技学院,南京 211169;金陵科技学院,南京 211169;金陵科技学院,南京 211169
【正文语种】中文
【中图分类】P642.22
下蜀土为形成于第四纪晚更新世的棕黄色亚黏土，在长江中下游地区普遍发育［1-2］，作为一种特殊的风尘沉积性土体，由于其垂直节理裂隙发育，与基岩多呈不整合接触，受降雨影响极易产生滑坡［3-7］.不同区域的下蜀土，由于地理位置和气候条件的差异，其物理力学性质和工程地质性质存在较大差异［8-11］，主要包括土的密度、矿物成分、含水量、液性指数、塑性指数等.在一些情况下，地下水位较深，边坡土体处于非饱和状态，此时，分析非饱和状态时边坡的稳定性显得尤为重要［12］.
以南京市某下蜀土边坡工程为研究对象，通过现场取样，开展了室内试验研究，分析了非饱和土的抗剪强度指标随饱和度及基质吸力的变化规律，通过建立有限元分析模型，采用强度折减法，分析非饱和下蜀土边坡的稳定性，为边坡的未来治理提供参考依据.
1.1 分析与计算方法
边坡稳定性的分析方法有确定性方法和非确定性方法［13-17］，确定性方法有极限平衡法、极限分析法和应力应变分析法等；非确定性方法是在概率基础上发展起来的各种模糊随机分析，可分为统计预报模型和非线性预报模型.
本案例采用的边坡稳定分析方法为极限平衡法.它是由太沙基（Terzaghi）根据饱
和土的有效应力概念，在摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）强度准则的基础上建立起了极限平衡法，极限平衡法的特点是仅仅考虑静力平衡条件和摩尔-库伦破坏准则，通过分析土体边坡在破坏时的力的平衡状态求得坡体的稳定状态.其优点是简单易
用并积累了丰富的工程经验，对于简单边坡计算有比较高的精度，但是在大多数情况下，极限平衡问题是超静定的，处理比较复杂的边坡时则需要引入一些人为的假定以满足极限平衡的条件［18］，因此，对安全系数产生影响.
有限元法考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征，可以得到岩土体的应力、应变大小及相应的分布情况，克服了极限平衡分析法中将土体视为刚体的缺点，因此我们能够通过有限元法近似地从应力-应变关系判断边坡的变形破坏机制，分析坡
体容易发生破坏的部位及需要进行加固处理的部位等，对了解边坡的应力分布及位移变化很有帮助［7，20］.
1.2 非饱和土强度理论
随着饱和度的降低或基质吸力的增大，饱和土样逐渐变成了非饱和土样，土体中的强度参数也发生了很大的变化［19-22］.国内外大量学者通过研究非饱和土的性质，提出了十余个非饱和土强度理论，其中比较有代表性的非饱和土强度理论有两类：①Bishop强度理论——非饱和土有效应力表示的强度理论；②Fredlund强
度理论——用两个独立的应力状态变量表示的强度理论.
1960年，Bishop［8］等提出了非饱和土抗剪强度的有效应力公式：
式中：ua-uw为基质吸力，χ为有效应力参数
Fredlund［20］认为净法向应力和基质吸力这两个应力状态变量最适合在工程实
践中应用，因为总法向应力变化造成的影响可以同孔隙水压力变化造成的影响区分开来，而且在大多数实际工程问题中，孔隙气压力等于大气压力（即ua=0），因此以孔隙气压力作为基准推导得出的应力状态变量组合最简单合理而便于使用.根
据文献［20］抗剪强度公式为：
从式（1）和（2）式可以看出，这两种强度理论的不同之处即在于基质吸力影响
的部分表达不同，其主要差别就是所选择的参数的形式不同，这两个公式说明了Bishop和Fredlund理论在物理意义上是一致的.
非饱和土基质吸力与土的含水率和饱和度的关系对非饱和土抗剪强度的研究至关重要；非饱和土的土水特征曲线是研究非饱和土力学性质、渗透性以及抗剪强度的基础，它对分析工程问题如基坑工程、道路路基及边坡稳定等都具有重要的意义［13］.
结合南京某下蜀土非饱和土水特征曲线和非饱和土强度参数指标，运用有限元软件对非饱和土边坡进行数值模拟和稳定性分析.首先，用饱和土强度参数对饱和土边
坡进行模拟，得出其安全系数；然后用非饱和土强度参数对非饱和土边坡进行模拟，得出其安全系数.对比分析饱和土边坡和非饱和土边坡的安全系数，分析饱和度对
土质边坡稳定性的影响.
2.1 工程简况
南京某下蜀土边坡工程，其地质时代属中更新世，上段岩性灰黄色和棕黄色黄土状亚砂土、亚黏土，较疏松，常成层分布.现场取样，试样深度距土坡表面1 m处；开展了比重试验、直接剪切试验、渗透试验、土水特征曲线（SWCC）试验等.
2.2 非饱和土水土特征曲线
室内直接剪切试验结果见表1.可以看出本次所取的下蜀土，随着含水率的增大，
下蜀土的黏聚力的变化范围为21～34 kPa，内摩擦角的变化范围为11°～21°，
说明现场取的土样的强度指标有一定差异，需要在计算过程中，考虑强度指标的变
化情况.
土水特征曲线（SWCC）试验是研究非饱和土的重要内容之一，土水特征曲线表征了非饱和土中重力含水率、饱和度与基质吸力之间的关系.饱和土体进入非饱和状态后，其物理力学和水力学性质同样会发生很大的变化.这些变化可用土体基质吸力、含水率等参数来直接或间接地来表征，如图1所示，本次选取了下蜀土两个土样开展了基质吸力试验，从图1中可以看出，当基质吸力小于100 kPa时，含水率与基质吸力之间有显著的变化关系；而即使进入了非饱和状态，由于含水量不同时，其内部的土体结构和孔隙水的赋存方式也会有所不同［23-24］.相比饱和试样，不同基质吸力试样的黏聚力c值均有明显提高，并随基质吸力的增大而增大，表明基质吸力对非饱和土强度参数黏聚力c影响很大［25-26］.
2.3 建立分析模型
为真实反映下蜀土边坡变形破坏情况，采用有限元法分析，分别考虑饱和状态和非饱和状态两种情况土的力学强度参数，利用ABAQUS有限元软件建模大［27］.计算边坡安全系数，找出边坡潜在滑动面的位置.针对南京某下蜀土边坡工程，其坡面简化如图2所示，考虑土体边坡饱和及不饱和两种情况，以分析不同饱和度（基质吸力）分布对非饱和土边坡稳定性和潜在滑动面的影响程度.图2中的下蜀土边坡高20 m，坡比1∶2，E=10 MPa，v=0.3，不同饱和度土的相关参数见表2.
该边坡土体的材料性质见表3和表4.
算例中采用的剖面形状及工程地质分层如图2所示，土层编号自上而下分别为1、2、3.
考虑自然边坡在重力作用下的破坏（无其他外力作用），假定边坡的两侧计算边界设为只有竖向位移的水平约束，底部计算边界设为固定约束，顶面无约束，设为自由运动的边界条件.边坡有限元网格划分如图3所示，整个计算区域划分为530个
四节点平面应变单元，共计587个节点.
2.4 有限元结果分析
当饱和状态（工况1）折减系数为1时下蜀土边坡的位移如图4所示.计算结果显示工况1对应的边坡安全系数为1.12.水平位移由边坡中心向外呈圆环状辐射，最大值位于边坡内部某一处，约为0.26 m；竖直位移由边坡顶部向下呈辐射状，最大值位于边坡顶部，约为0.97 m.
当处于非饱和状态（工况2）折减系数为1时，下蜀土边坡的位移如图5所示.计算结果显示工况2对应的边坡安全系数为1.79.水平位移由边坡中心向外呈圆环状辐射，最大值位于边坡内部某一处，约为0.07 m；竖直位移由边坡顶部向下呈辐射状，最大值位于边坡顶部，约为0.57 m.
通过计算破坏时边坡的网格变形及等效塑性应变，如图6所示.从等效塑性应变图中可以看出，无论是饱和还是非饱和状态，破坏时边坡滑动面呈大致的圆弧状，并且通过坡角点，从工况1到工况2塑性区的发展深度加大，即随着饱和度的降低或基质吸力的增加，土坡失稳破坏的塑性区深度加深.
以南京市某下蜀土边坡工程为研究对象，分别采用饱和状态和非饱和状态的土体强度指标，通过建立下蜀土边坡数值分析模型，开展了有限元分析，得到边坡稳定安全系数及其破坏特征.得出如下结论：
1）边坡从非饱和状态到饱和状态，边坡的安全系数从1.79降低到1.12，说明饱和度越大，边坡滑坡的可能性越大，所以在降雨或地下水位上升条件下，一方面边坡的岩土体强度降低，使边坡抵抗滑动的能力也降低；另一方面水分入渗至边坡中增大了边坡的自重，在同样的条件下增加了滑动体的下滑力，同样降低了边坡的安全性.
2）无论是饱和状态还是非饱和状态，随着抗剪强度的降低，土坡首先发生局部破坏，伴随着土体应力的转移，边坡发生渐进破坏，直至最后失稳.破坏过程一般是
在边坡的坡脚处首先出现塑性区，逐渐扩展，引起周围土体应力重新分布及强度发挥，塑性区的范围也就逐渐扩散，塑性区贯通，边坡完全破坏.计算结果显示，随
着饱和度的降低或基质吸力的增加，土坡失稳破坏的塑性区深度加深.
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