摘要：采用ABAQUS建立边坡降雨计算模型，用非饱和渗流有限元法结合折减强度进行模拟。对边坡降雨过程中雨水渗入特点及抗滑桩加固边坡布桩位置对稳定性的影响进行了分析。结果表明，考虑降雨渗入作用时坡脚处稳定性差，布桩时应将抗滑桩布置在坡中与坡脚之间。该研究可为多雨地区抗滑桩加固边坡提供参考。
关键词：稳定性； 降雨入渗； 边坡失稳； 布桩位置；
Abstract:Using ABAQUS to establish a slope rainfall calculation model. The unsaturated seepage finite element method combined with reduced strength is used to simulate. Analyze the influence of rainwater infiltration characteristics and anti-slide piles to strengthen the slope of the stability of the slope during the rainfall process. The results show that the stability of the slope toe is poor when the rainfall infiltration is considered,and the anti-slide piles should be arranged in the slope and between the slope toe when the piles are arranged. This study can provide a reference for slope reinforcement with anti-slide piles in rainy areas.
Keyword:stability; rainfall infiltration; slope instability; pile layout;
1 概述
随着我国工程建设大规模进行[1],每年因滑坡导致的经济损失高达上百亿[2].我国的西南地区雨水充沛，雨季经常发生滑坡，对人民的生命财产造成巨大威胁[3].大量的滑坡灾害表明，高强度的降雨是引发边坡滑坡重要因素[4].降雨导致边坡土体受雨水渗入影响，由非饱和土体向饱和土体转变，土体重度增大、含水率增大导致抗剪强度、粘聚力、内摩擦角等均降低致使边坡发生不同程度的破坏[5].因此边坡中地下水位是如何随降雨动态变化，以及确定边坡地下水位的分布规律是边坡稳定性首先应该解决的问题。然而，目前考虑降雨渗入作用的抗滑桩加固边坡的稳定性研究较少[6,7].
基于此，本文以修文县扎佐城区龙王村地区边坡为例，运用ABAQUS软件模拟边坡降雨[8],分析在抗滑桩加固边坡的条件下降雨作用对边坡孔隙水压、水平竖直位移、边坡稳定性等方面的影响，并对抗滑桩合理的布桩位置给出参考。
2 工程概况
2.1 边坡形态特征
修文县扎佐城区龙王村安置房，在山体周边开挖过程中会形成总长约63 m、高约0.5 m~11.2 m的挖方工程边坡。根据边坡勘察报告，该段边坡最大切方高度11.29 m,由于设计变更，边坡开挖侧移除了排洪沟，最大切方高度为9.8 m.边坡垂直开挖后，边坡破坏主要以上覆土层的滑动为主，滑动面为土层的圆弧滑动或者土层沿岩土结合面方向整体滑动，边坡垂直开挖后处于不稳定状态。根据原设计方案，边坡剩余下滑力为688.54 k N,稳定性系数为0.74.该工程位于贵州省，每年4月~9月雨水充沛且降雨量大。经计算，开挖后未采取支护时，边坡的稳定系数为0.79.
2.2 滑坡物质结构及土体参数
根据边坡中体特征及实地地形及勘探结果可知，边坡物质自上而下主要划分为第四系耕植土、第四系黏土和灰岩。其中，第四系耕植土呈灰褐色，主要成分为黏土，结构松散且含植物根系，厚度在0.2 m~0.7 m之间，平均厚度0.5 m;第四系黏土颜色呈褐黄色，主要矿物成分为石英及云母，夹小颗粒砂石，土质均匀。根据勘察报告并参考了附近同类地区滑坡的分析数据进行工程类比。经综合分析后，确定c,φ，γ值，取值结果见表1.
表1 龙王村岩土计算参数统计表
3 数值模拟及结果分析
3.1 计算模型及土体参数
结合工程实例采用非饱和渗流有限元法结合折减强度进行模拟[8].根据修文县扎佐城区龙王村边坡设计并确定参数取值，边坡坡度为1∶1.5,坡高为30 m,抗滑桩相对坡脚距离分别为6 m,12 m,18 m,24 m,桩径D=1 m,抗滑桩嵌固于基岩中。边坡土体材料为可塑黏土，抗滑桩材料为钢筋混凝土。在降雨条件下分别对不同降雨工况，不同布桩位置情况下的抗滑桩边坡稳定性进行分析。其中AE面处于水面处，毛孔细水压力为0,不考虑抗滑桩的透水性[9].
3.2 降雨工况及布桩位置
根据当地的水文资料，选取四种降雨工况，具体工况如表2所示。文章分析4种工况对边坡稳定的影响，以及不同布桩方式在降雨情况下对边坡的加固作用，布桩方式如图1所示。
表2 降雨工况
3.3 模拟结果分析
在降雨入渗作用下，边坡上的地表水转化成地下水后对边坡应力场和土体强度产生影响最终影响边坡的稳定。考虑降雨入渗情况下边坡的破坏机理与不考虑降雨的破坏机理有一定区别，布桩时需要充分考虑降雨对边坡稳定性的影响，避免不必要人员伤亡和经济损失。
3.3.1 孔压分布
降雨开始后，边坡坡体内部孔隙水压力发展及分布发生明显变化，图2为降雨24 h孔隙水压力分布云图，降雨条件下边坡渗流变化明显。根据降雨强度幅值曲线，前24 h随着时间变化降雨量逐渐增大，雨水渗入使得坡顶以下非饱和土的含水率增高，孔压逐渐增大，导致基质吸力下降，土体的抗剪强度降低，同时导致非饱和土产生因基质吸力变化而产生的应变，最终产生因为土体基质吸力弱化的位移量。一部分雨水沿坡体表面流动，在较短的时间内难以从坡体排除，导致边坡土体含水量及自重加大，引起的下滑力增大。
3.3.2 流速矢量
降雨由地表水转化为地下水，对于松散的透水质边坡，会在土体内部形成较大的动水压力和浮力，大大增加了边坡的下滑力、减小了抗剪强度。流速矢量图可以清晰的反映降雨过程中土体内部水流下渗现象。水的力学作用会对边坡产生较大的破坏影响。图3为降雨24 h和72 h时刻的流速矢量图。可知在降雨过程中，降雨前期坡顶的降雨入渗速度最快，坡脚较快，坡中最浅。降雨后期，降雨量减小，坡脚的流速最快，坡体内部雨水充分渗入，土体含水率高流速矢量较大。不论桩位与降雨工况，流速矢量均在坡脚处最大，说明坡脚处的水力梯度最大，这对坡脚的稳定极为不利。
3.3.3 水平位移
降雨导致边坡潜在滑动面的土体受水浸润后发生软化、泥化作用，使得土体的抗剪强度指标、内摩擦角、粘聚力等均迅速减小。直接改变边坡土体的应力状态，这是降雨导致边坡破坏的主要触发因素。根据降雨条件下抗滑桩加固边坡的水平方向增量云图可大致了解边坡滑动变形趋势。图4为降雨24 h和72 h边坡水平位移云图。由图4可看出，抗滑桩附近土体水平位移有明显的降低，降雨过程中坡体向临空面产生渗透力作用，降雨结束后最大水平位移发生在坡脚处。降雨对坡脚处的稳定产生极为不利的影响，在考虑降雨渗流条件下，应将抗滑桩布置在坡脚与坡中之间更好的发挥加固作用。
3.3.4 安全系数
通过对比四种降雨工况，分别从降雨的强度，降雨时长和渗入强度三方面来分析降雨方式不同对边坡稳定性产生的影响。对比工况1和工况4,发现降雨强度增大1倍，稳定性降低并且抗滑桩距坡脚越远，安全系数减低率越大。对比工况1和工况3,渗入强度大土体进入饱和状态的速度加快，降雨初期雨水均匀渗入浅层土体中，当土体达到饱和后更多的积水渗入边坡的安全系数下降加快。工况3渗入速度小，边坡表面的临时积水多，下渗速度较慢，边坡整体稳定性较好。抗滑桩在边坡上的布置位置及降雨工况对边坡的稳定性产生直接的影响，图5为4种工况下各桩位对应的边坡安全系数变化曲线图。通过模型计算，发现当抗滑桩布置在距坡脚12 m处边坡安全系数最大。所以当考虑降雨渗入作用时，坡脚具有较高的水利梯度，布置抗滑桩时应在较正常桩位更靠近坡脚处。结合各时刻边坡水平竖直位移云图及4种降雨工况下安全系数的变化，降雨强度对边坡整体的安全系数不利影响较大；降雨渗入强度的增加对坡顶和整体的竖向位移产生不利影响；降雨量达到一定程度后，降雨时长对安全系数影响较小。
4 结语
1）在降雨过程中，降雨前期坡顶的渗流速度最快，坡中部雨水渗入最慢，沉降主要发生在浅层坡处；降雨后期，由于渗透充分坡体土体含水率较高，坡体内部渗流速度较快，沉降量较大。2）降雨条件下，坡脚处具有较高的水利梯度且产生的向临空面位移最大，坡脚处稳定性差。在布置抗滑桩时要兼顾坡脚处土体的稳定性，文中的模型布桩位置距坡脚12 m处时边坡的安全系数最大。3）其他条件相同时，降雨强度对边坡整体的安全系数的影响较大；降雨渗入强度的增加对坡顶和边坡整体的竖向位移影响较大。
参考文献
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