陳　陽，張曉春，潘君云

(1.臺州市交通勘察設(shè)計(jì)院，浙江　臺州　318000；2.東南大學(xué)，江蘇　南京　211189)

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基于ABAQUS的邊坡降雨穩(wěn)定性分析可靠性研究

陳陽1，張曉春2，潘君云1

(1.臺州市交通勘察設(shè)計(jì)院，浙江臺州318000；2.東南大學(xué)，江蘇南京211189)

文章以臺州馬頭山邊坡為研究對象，通過在滑坡體現(xiàn)場設(shè)置降雨量、應(yīng)力、位移觀測設(shè)備，記錄強(qiáng)降雨條件下滑坡體各項(xiàng)參數(shù)的變化規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場勘查滑坡體地形、地質(zhì)資料，采用ABAQU有限元分析軟件對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，以驗(yàn)證基于ABAQUS的有限元分析方法在邊坡降雨穩(wěn)定性分析中的可靠程度。通過對比發(fā)現(xiàn)模擬分析所得數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際觀測數(shù)據(jù)較為接近，誤差約在7%左右，可為后續(xù)推廣基于ABAQUS的模擬分析方法及為設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營過程中的邊坡預(yù)警等研究提供參考。

現(xiàn)場觀測；有限元分析；邊坡穩(wěn)定性

0　引言

臺州市位于浙東沿海、太平洋西岸，夏秋季節(jié)受臺風(fēng)影響程度較大，強(qiáng)臺風(fēng)帶來的強(qiáng)降水往往導(dǎo)致公路高邊坡突然滑塌，社會危害較大。如能在勘察設(shè)計(jì)

階段通過選用合理的分析方法，建立臺風(fēng)等強(qiáng)降雨條件下挖方路基高邊坡穩(wěn)定性更加準(zhǔn)確的分析模型和判斷依據(jù)，提前做好邊坡崩塌、滑移的防范措施，對保證公路運(yùn)營安全意義重大。

1　相關(guān)研究回顧

邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有定性分析、定量分析和不確定性分析三大類。20世紀(jì)60年代以前多采用定性分析，60年代初形成了剛體極限平衡法，1967年巖土界專家和學(xué)者首次成功嘗試采用有限單元法來對邊坡的穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究，20世紀(jì)80年代以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為有限元在工程上的運(yùn)用提供了客觀條件[1]。在眾多工程有限元分析軟件中，ABAQUS有限元軟件功能較為豐富，使用相對簡便，在用戶提供結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料性質(zhì)、邊界條件及載荷工況等信息的條件下，即可通過構(gòu)建模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的非線性工程問題模擬分析，在巖土應(yīng)力、位移模擬分析中應(yīng)用較為廣泛，能模擬流體滲透和實(shí)現(xiàn)應(yīng)力耦合分析。

趙尚毅等[2]分析了有限元分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的可行性問題，通過將強(qiáng)度折減理論用于有限元法中，解決了有限元在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用問題。文章研究認(rèn)為，有限元法計(jì)算模型不僅能滿足力的平衡方法，還能滿足土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并且可以對邊坡進(jìn)行彈塑性分析，計(jì)算結(jié)果更為精確、可靠。

姚海林等[3]采用有限元和極限平衡相結(jié)合的方法進(jìn)行了降雨入滲引起邊坡滲流場變化及穩(wěn)定性分析。對降雨強(qiáng)度、飽和滲透系數(shù)、降雨時(shí)間、土體裂隙等影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了研究，得出“降雨強(qiáng)度對邊坡穩(wěn)定性的影響程度取決于土體自身的滲透性”的結(jié)論。

曾田等[4]基于飽和-非飽和滲流理論，利用數(shù)值仿真方法，模擬了降雨總量相同的暴雨、連續(xù)降雨和間歇降雨3類不同降雨條件下邊坡滲流場的變化規(guī)律，研究認(rèn)為，強(qiáng)度較大的降雨易形成地表徑流，對邊坡產(chǎn)生較大的沖刷作用，間歇降雨在3種雨型中對邊坡的危害最大。

田仕明[1]基于ANSYS和ABAQUS軟件，建立了巖質(zhì)高邊坡在不同強(qiáng)降雨條件下的分析模型，并對該條件下滑坡機(jī)理進(jìn)行了研究。模擬了降雨強(qiáng)度8 mm/h、降雨持續(xù)時(shí)間72 h和降雨強(qiáng)度5 mm/h、降雨持續(xù)時(shí)間72 h兩種工況，分析了孔隙水壓力場、位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)隨時(shí)間推移的變化。研究結(jié)果表明，降雨強(qiáng)度越大，降雨持續(xù)時(shí)間越長，其坡體內(nèi)含水量增加，坡體自重增加，隨之豎向應(yīng)力也增加，而在坡腳處的塑性應(yīng)變區(qū)也增大；隨著降雨時(shí)間的增長和強(qiáng)度的增大，位移增速和總位移量均有所增長，且以沿坡面傾向方向位移為最大；應(yīng)力方面，隨著降雨強(qiáng)度的增大，應(yīng)力增幅相應(yīng)提高，且沿坡面傾向應(yīng)力增幅略大于豎直向應(yīng)力增幅。

李帆等[5]利用ABAQUS有限元軟件中的節(jié)理材料模型模擬分析了垂直節(jié)理發(fā)育的黃土邊坡穩(wěn)定性，分析認(rèn)為，ABAQUS有限元法可以考慮黃土邊坡土體中垂直節(jié)理發(fā)育的特性，包括裂隙材料參數(shù)的方向、強(qiáng)度，彈塑性問題等，分析結(jié)果更加可靠。

綜上可見，以往相關(guān)研究或僅采用模擬計(jì)算分析，或結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行對比分析，論證了有限元方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的適用性，并對ABAQUS軟件在模擬邊坡巖土彈塑性變形和滲流方面做了許多嘗試，均取得了一定的研究成果，然而，對非黃土土質(zhì)挖方高邊坡穩(wěn)定性模擬分析，并結(jié)合實(shí)際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析準(zhǔn)確性驗(yàn)證的研究相對欠缺。

2　研究過程

2.1研究對象選擇

臺州境內(nèi)可供研究選擇的挖方高邊坡較多，本次主要考慮了邊坡滑動(dòng)體組成、邊坡滑動(dòng)特征及潛在滑動(dòng)可能性等因素，最終選擇經(jīng)歷過兩次滑坡、兩次整治，現(xiàn)滑坡體仍在移動(dòng)的馬頭山邊坡作為研究對象。

馬頭山高邊坡位于104國道臨海青嶺至黃土嶺段右側(cè)，見圖1，該邊坡在施工過程中出現(xiàn)滑坡。

圖1　馬頭山滑坡體示意圖

經(jīng)補(bǔ)充地質(zhì)勘察，發(fā)現(xiàn)滑坡體為侵蝕堆積地貌丘陵，地形總體西高東低，公路內(nèi)側(cè)為強(qiáng)風(fēng)化基巖，上部坡積層為黃色黏性土夾砂礫石，滑坡體位于楔形構(gòu)造帶內(nèi)，構(gòu)造帶上寬下窄，主要為坡積層滑坡。路基內(nèi)側(cè)第四系坡積層厚度較厚，呈稍密至中密狀，透水性相對較好，底部為強(qiáng)風(fēng)化基巖，其中強(qiáng)風(fēng)化層厚度較厚，根據(jù)開挖坡面顯示，厚度>6 m。區(qū)內(nèi)地下水主要為孔隙潛水，主要賦存在表土及坡積層中，地下水主要受大氣降雨及地表水補(bǔ)給，水位隨季節(jié)性變化。

第一次整治基于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 013-1995)進(jìn)行，主要采用上方減重，下方增加支護(hù)方式，整治設(shè)計(jì)圖見圖2。

臺州市交通勘察設(shè)計(jì)院于2009年7中旬聯(lián)合東南大學(xué)再次對該路段進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性考查，發(fā)現(xiàn)已處理邊坡再次出現(xiàn)局部移動(dòng)。

圖2　馬頭山邊坡坡面整治設(shè)計(jì)圖

由于當(dāng)時(shí)正值臺風(fēng)高發(fā)前期，考慮到邊坡穩(wěn)定性和104國道運(yùn)營安全，基于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2004)對邊坡采取了相應(yīng)的整治措施，主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)修復(fù)了坡面排水系統(tǒng)；

(2)對滑動(dòng)壁裂縫和剪切體裂縫采用黏土或混凝土封堵；

(3)削平邊坡下部鼓張部位并壓實(shí)，對局部變形較大處打入小木樁進(jìn)行加固，小木樁梢徑14 cm、長度3 m、間距1 m，處理面積337 m2；

(4)加強(qiáng)植被防護(hù)。

2.2研究思路

雖然現(xiàn)有降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析相關(guān)研究雖然較多，但根據(jù)實(shí)地工程勘察測得數(shù)據(jù)，對邊坡進(jìn)行降雨條件下穩(wěn)定性模擬分析并通過現(xiàn)場觀測加以比較分析的案例極少。本次研究擬根據(jù)地質(zhì)勘查并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，采用ABAQUS有限元分析軟件對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果，在現(xiàn)場實(shí)地布設(shè)監(jiān)測儀器，進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，通過得到的特定條件下的觀測值對模擬分析的結(jié)果加以檢驗(yàn)，以驗(yàn)證模擬分析方法的可靠性，為后續(xù)推廣基于ABAQUS的模擬分析方法及為設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營過程中的邊坡預(yù)警等研究提供參考。

2.3現(xiàn)場儀器設(shè)置

現(xiàn)場監(jiān)測傳感器主要有表面位移傳感器、測斜儀、孔隙水壓計(jì)、土壓力盒和雨量儀。所有傳感器通過線路集成至現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊，進(jìn)而與無線發(fā)射模塊相連接，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線接收，該方法可靠性已由賈通等[6]另行撰文論證。

2.4研究模型建立

使用ABAQUS有限元分析軟件，根據(jù)邊坡等高線地形圖，建立與實(shí)際邊坡一致的三維均質(zhì)土質(zhì)邊坡模型，邊坡坡高52 m，坡角30°。邊坡模型如圖3所示，其中右圖為加設(shè)小木樁后的邊坡模型。

邊坡材料及小木樁材料參數(shù)值由實(shí)測得到，如表1～2所示。

表1　模型中邊坡土材料參數(shù)表

表2　木樁參數(shù)

網(wǎng)格劃分方面，本研究模型采用自由劃分網(wǎng)格，共劃分2 898個(gè)單元，如圖4所示。

圖4　邊坡網(wǎng)格劃分示意圖

荷載及邊界條件設(shè)定方面，進(jìn)行邊坡降雨分析，即考慮降雨對邊坡的影響，因此，施加的荷載既包括重力荷載，還包括水的滲流力。按最不利狀況設(shè)定邊界條件。

邊界條件約束如圖5所示。

圖5　約束面示意圖

3　結(jié)果分析

3.1現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以往賈通等[6]的研究，在雨量較小的情況下，位移計(jì)測得的表面位移基本無變化，因此，選取了2012年第11號熱帶風(fēng)暴“?？边^境時(shí)的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

臺風(fēng)“海葵”于2012年8月5日17時(shí)進(jìn)入我國東海東部海面，并加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，8日凌晨登陸浙江。馬頭山在其影響范圍區(qū)域內(nèi)，與臺風(fēng)路徑垂直距離僅60 km。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析時(shí)間從8月7日到8月14日。因監(jiān)測點(diǎn)較多，所以選擇變化明顯且具有代表性的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

馬頭山邊坡降雨量如圖6所示。

圖6　“海葵”登陸期間馬頭山邊坡降雨量與時(shí)間關(guān)系圖

從圖6可知，降雨強(qiáng)度自7日15時(shí)開始逐漸增大，至8日0時(shí)達(dá)到第一個(gè)高峰，隨后，強(qiáng)度逐漸降低，在4時(shí)降雨強(qiáng)度快速增長，在5時(shí)達(dá)到第二個(gè)高峰，之后至9時(shí)降雨強(qiáng)度逐漸降低，12時(shí)馬頭山脫離臺風(fēng)影響區(qū)。影響期內(nèi)降雨總量約為105 mm。

位于坡腳附近觀測點(diǎn)2土壓力隨時(shí)間變化情況如圖7所示。

圖7　測點(diǎn)2土壓力與時(shí)間關(guān)系圖

對比圖7和圖6可見，隨著降雨強(qiáng)度及降雨量的不斷增加，土壓力逐步上升，且土壓力峰值滯后于降雨強(qiáng)度峰值，降雨過后土壓力逐漸回復(fù)。

位于滑坡體中部11、12點(diǎn)位測斜儀觀測數(shù)值如圖8所示。

圖8　測點(diǎn)11、12的位移與時(shí)間關(guān)系圖

對比圖8和圖7可見，滑坡體位移較降雨強(qiáng)度存在較大的滯后。

馬頭山邊坡測點(diǎn)孔隙水壓力如圖9所示。

圖9　測點(diǎn)14孔隙水壓力與時(shí)間關(guān)系圖

對比圖9和圖8可見，孔隙水壓力峰值滯后雨量峰值，且增量數(shù)據(jù)不大，隨后有明顯回復(fù)趨勢。

3.2模擬分析數(shù)據(jù)

以“?？逼陂g實(shí)際監(jiān)測的降雨量為依據(jù)，導(dǎo)入2.4建立的分析模型，經(jīng)分析計(jì)算，繪制了馬頭山邊坡位移云圖如圖10所示。

圖10　馬頭山邊坡位移云圖

從圖11可以看出，在?？陂g降雨條件下，馬頭山邊坡主體位移最大值發(fā)生在坡腳位置，最大值約為1.6 cm，而實(shí)際監(jiān)測的最大位移值為1.5 cm，模型預(yù)測差值與真實(shí)值誤差約為6.67%。

4　討論

本次研究主要分兩部分進(jìn)行，一部分為實(shí)際觀測，一部分為模擬分析，其中模擬分析部分所采用數(shù)據(jù)均為現(xiàn)場實(shí)地勘察所得。通過模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)及相互對比分析，得到了以下結(jié)論：

(1)邊坡土體壓力峰值、孔隙水壓力峰值及位移均滯后于降雨強(qiáng)度峰值，且以位移滯后最為顯著。該點(diǎn)與田仕明等的研究結(jié)果相似，結(jié)合姚海林等人的研究，本文認(rèn)為，由于巖土體滲流作用的存在，土體各項(xiàng)分析指標(biāo)峰值較降雨強(qiáng)度峰值滯后是合理的，而土應(yīng)力和孔隙水壓力不斷上升又進(jìn)一步導(dǎo)致了土體位移發(fā)生，因此，三者之中以土體位移滯后最為明顯。

(2)結(jié)合實(shí)地勘察地形、地質(zhì)資料，基于ABAQUS有限元軟件構(gòu)建模型進(jìn)行邊坡降雨穩(wěn)定性分析得到的指標(biāo)變化規(guī)律，與現(xiàn)場條件下實(shí)際觀測的指標(biāo)變化規(guī)律較為吻合，證明采用該方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)論具有一定的可靠度，可以為降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性判斷提供參考。

(3)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)與模擬分析之間存在一定的差異，分析認(rèn)為該差異可能由兩方面因素導(dǎo)致：①土體穩(wěn)定性指標(biāo)粘聚力和內(nèi)摩擦角系通過常規(guī)三軸試驗(yàn)取得，與真實(shí)值有一定的出入；②降雨強(qiáng)度及坡面土體參數(shù)均模擬為整個(gè)坡面一致，與實(shí)際情況亦有出入。

(4)從本次研究結(jié)果可見，盡管在研究時(shí)間上選擇了降雨強(qiáng)度較大的一段時(shí)間，但是從實(shí)際觀測數(shù)據(jù)及模擬分析結(jié)果可見，邊坡土體各項(xiàng)指標(biāo)變化幅度仍相對較小。這一結(jié)果從側(cè)面驗(yàn)證了2009年邊坡治理措施的有效性，邊坡當(dāng)前基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5　結(jié)語

本文通過現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對比分析，論證了基于ABAQUS有限元軟件在降雨邊坡穩(wěn)定性分析中的可靠性。后期結(jié)合氣象預(yù)測，即可根據(jù)對存在滑塌可能的邊坡建立的模型進(jìn)行較為準(zhǔn)確的邊坡穩(wěn)定性判斷，為盡早采取防治措施，保證道路通行安全，減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失，維護(hù)社會效益提供了理論基礎(chǔ)。

下階段打算通過邊坡失穩(wěn)破壞性試驗(yàn)來對模擬分析失穩(wěn)的可靠性進(jìn)行研究。一經(jīng)論證，將繼續(xù)對其他不同類型的邊坡展開類似分析，不斷積累勘察設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，最終形成對各類挖方高邊坡失穩(wěn)判定標(biāo)準(zhǔn)，為邊坡防護(hù)勘察設(shè)計(jì)及邊坡養(yǎng)護(hù)提供指導(dǎo)。

[1]田仕明.高邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性分析[D].云南：昆明理工大學(xué)，2011.

[2]趙尚毅，時(shí)衛(wèi)民，鄭穎人.邊坡穩(wěn)定性分析的有限元法[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2001(5)：450-454.

[3]姚海林，鄭少河，李文斌，等.降雨入滲對非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性影響的參數(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002(7)：1034-1039.

[4]曾田，吳逢春，張曉春.降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性分析[J].中外公路，2008(4)：40-42.

[5]李帆，楊建國.黃土邊坡穩(wěn)定性分析方法研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2008(12)：33-36.

[6]賈通，何鐵軍，張曉春，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的公路邊坡監(jiān)測技術(shù)研究[J].交通信息與安全，2012(6)：136-139.

[7]JTJ 013-1995，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8]JTG D30-2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Reliability Study of Slope Rainfall Stability Analysis Based on ABAQUS

CHEN Yang1，ZHANG Xiao-chun2，PAN Jun-yun1

(1.Taizhou City Traffic Investigation and Design Institute，Taizhou，Zhejiang，318000；2.Southeast University，Nanjing，Jiangsu，211189)

With Taizhou Matoushan slope as the research object，by setting the rainfall，stress，and dis-placement observation equipment at the landslide field，this article recorded the variation rules of all parameters of landslide objects under the conditions of heavy rainfall，and in combination with the site survey of landslide topographic and geological data，it conducted the simulation analysis of slope sta-bility by using the finite element analysis software ABAQU，in order to verify the reliability of ABAQUS finite element analysis method in the slope rainfall stability analysis.By comparison，it was found that the data obtained from simulation analysis is closer to the actual observation data，and the error is about 7%，which can provide a reference for subsequent promotion of ABAQUS-based simulation analysis method as well as for the early slope warning during design，construction and operation.

Field observations；Finite element analysis；Slope stability

U416.1+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.007

1673-4874(2016)03-0026-05

2016-03-03

陳陽(1983—)，工學(xué)碩士，工程師，研究方向：道路交通安全和工程造價(jià)。