基于ABAQUS对降雨条件下非饱和土坡稳定性的研究

崔 亮， 崔可锐

（合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009）

基于ABAQUS对降雨条件下非饱和土坡稳定性的研究

崔 亮， 崔可锐

（合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009）

文章以非饱和土力学理论为基础，结合降雨入渗过程，采用ABAQUS软件中流固耦合模型对降雨条件下土坡稳定性进行了数值模拟。模拟结果表明：降雨前后边坡中孔隙水压力有较大变化，孔隙水压力的变化会直接影响土的基质吸力，基质吸力的下降致使边坡极易失稳；土坡的水平位移、竖直位移、总位移在降雨过程中也有较大变化；另外，在降雨过程中出现了逐渐扩大并趋于稳定的塑性应变区。

ABAQUS软件；非饱和土坡；边坡稳定性；降雨入渗；孔隙水压力；基质吸力

斜坡失稳是常见的自然灾害。斜坡的失稳与降雨有密不可分的联系，这是早为人知的事实，但人们对其关系认识和理解还不够充分。所以，深入研究降雨与土坡的失稳规律对现实具有重要的指导意义。

降雨与边坡的关系复杂，受诸多因素的影响，如降雨强度、降雨历时、雨型、前期雨量、边坡的地形地貌和边坡的初始条件等等［1－2］。我国大多数浅层滑坡都是由于降雨入渗而诱发的。降雨后雨水入渗使土体饱和度增大，形成暂态饱和区，暂态饱和区存在暂态水压力，由于暂态饱和区逐步向边坡内部扩展，影响范围随着持续降雨而逐渐增大，根据文献［3］可知，饱和度的增大使得基质吸力逐渐降低，与此同时，孔隙水压力的升高，导致滑移面土的抗剪强度降低，致使边坡的稳定性降低，而引起土坡的失稳［4］。此外，由于降雨而形成的地表径流，对坡面造成冲刷，也进一步降低了土体的稳定性。本文的研究思路是：将土质边坡的降雨入渗简化为一维入渗，运用土壤水动力学的基本理论，求解定降雨条件下的边坡稳定数值解，按非饱和土力学中的公式来定义基质吸力和饱和度的关系，对降雨入渗引发滑坡的物理过程进行研究，并用ABAQUS软件［5］建立定量的分析模型进行试验分析。

1 降雨入渗影响土坡失稳的机理

降雨入渗是一个复杂的过程，包括坡顶入渗、坡面入渗、顺裂隙入渗、裂隙向土体渗流和重力条件下土体内渗流等多种形态，但大致可以分为2种类型：①降雨从地表面垂直向下进入土壤的垂直入渗；②地表水向周围土体的侧向入渗。在雨水入渗过程中，含水率分布剖面可以分为以下4个区：表层有一个浅层的饱和带，接着是一个含水率变化较大的过渡带，再下面是含水率分布较均匀的传导层，最后是湿润度随深度减小的湿润层［6－7］。

对于非饱和土，降雨入渗实际上受到供水强度和土壤入渗能力（入渗率）的共同控制。一般情况下，将降雨或者喷洒的强度称为供水强度，定义为R（t）。在分析中一般认为供水强度为一常数，即R（t）＝R0。在入渗初期（t＜tp′），土壤含水量较低，供水强度小于土壤入渗强度R0，如图1中ab′所示。

图1 入渗率曲线与稳定供水强度下的入渗过程

当t＝tp′，以后供水强度大于土壤的入渗率，即R0＞i（t），此时干土积水条件下的入渗率即为i（t），如图1中b′c′所示，超过入渗率的供水则形成积水或者地表径流。一般降雨入渗分为如下2个阶段：① 供水控制阶段，主要表现为无压入渗或者自由入渗；② 入渗能力控制阶段，主要表现为积水或者有压入渗。2个阶段曲线的交点被称为积水点，如图1所示。但是，在降雨条件或者喷洒条件下，tp′以前时段未达到积水入渗条件，因此tp′以后时段的入渗率不是i（t），入渗曲线不是b′c′，而是bc，即积水点后移至b，所以，降雨过程中实际入渗的过程线为曲线abc。

某土坡坡面如图2所示，坡面的外法线方向为n（nx，ny，nz），发生强度为R（t）的竖直降雨，降雨在坡面法线方向的分量为：

图2 边坡降雨示意图

根据Darcy定律得到坡面的各个方向的最大入渗能力为

其中，hw为压力水头（对于非饱和土石为基质势）；z为坐标取向向上为正。

将其转化为法线方向的入渗率为：

对于边坡而言，实际入渗流量qs（t），且垂直于坡面方向，根据前面分析，可以得到降雨强度与实际入渗量的关系为：

当降雨强度小于土坡土体入渗率时，降雨很容易渗流到土体饱和区，直接补给地下水，而浅部土体难以达到较高的饱和度，土坡处于稳定状态。当降雨强度大于土坡土体的入渗率时，随着降雨，雨水渗入边坡表层土体，使得边坡非饱和区上部土体的含水量逐渐增大，基质吸力逐渐降低，边坡内出现暂态饱和区，暂态饱和区逐渐向内部扩展，边坡坡面上出现正的水压力，影响边坡的稳定［8－10］。

2 ABAQUS有限元模拟

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件，解决从相对简单的线性分析到复杂的非线性问题。

ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，这使得ABAQUS软件处理岩土力学中复杂的非线性问题有了明显的优势。本文采用软件内的流固耦合模型进行研究。

2.1 数值模拟的假设

在进行数值模拟过程中做了如下假设：

（1）主要研究在降雨条件下的土坡稳定性问题，为了方便计算，将边坡几何模型简化为二维平面问题。

（2）进行建模时考虑的是一个较为理想的土坡，初始水位位于坡脚处。降雨入渗的边界条件为：所有雨水全部入渗，土壤允许入渗容量随着入渗深度的增加而减小，但此时降雨强度还未达到土壤允许入渗的容量，即坡面为流量边界。

2.2 算例分析

（1）边坡模型。本算例中土坡为均质硬塑粉质黏土，为保证算例的真实性，算例中土质参数和坡形参数均来自文献［11－12］，坡形如图3所示，土质参数如表1所列。

图3 土坡示意图

表1 边坡土质物理参数

算例中粉质黏土渗透系数与基质吸力关系为：

其中，Kws是土体饱和时的渗透系数，取5.0×10－6m／s；ua为大气压力，由于坡面与大气接触，故简单地取为0；aw、bw和cw为粉质黏土的材料系数，分别取为1 000、0.01、1.7。通过此式得出如下的曲线和数据表，如图4所示，见表2所列。

图4 计算中采用的渗透系数随饱和度的变化曲线

表2 孔隙压力、渗透系数的折减系数与饱和度的关系

算例中粉质黏土饱和度与基质吸力关系为：Sr＝Si＋ （Sn－Si）as／［as＋ （bs（ua－uw））cv］，其中，Sr为饱和度；Si为残余饱和度，本算例中取0.08；Sa为最大饱和度，取为1；as、bs和cs为粉质黏土的材料系数，分别取为1，5.0×10－5，3.5。通过此式得出吸湿曲线和数据表，如图5所示，见表2所列。

图5 计算中采用的吸湿曲线

（2）降雨模型。坡面为流量边界，在整个分析区域顶面受到降雨作用，入渗强度为20mm／h，持续时间为66h。降雨过程如图6所示。

图6 计算中采用的降雨过程示意图

（3）计算结果及分析。模型的边界条件为：底部约束水平和垂直位移；两侧约束水平位移；左右两侧设置随深度线性增加的静水孔压边界条件（10×（10－Y）），其余边界设置为不排水边界。采用Mohr－Coulomb屈服准则，用具有孔压自由度得平面应变4节点单元划分网格，共划分得268个单元，304个节点，如图7所示。

图7 边坡网格划分图

为使结果清晰，本算例结果均放大500倍。

土坡中的孔隙水压力如图8所示。

图8 降雨过程中土坡的孔压分布

降雨30.75、72h后土坡的位移如图9所示。

图9 降雨过程中土坡的位移

土坡的塑性应变如图10所示。

图10 降雨过程中边坡的等效塑性应变

通过上述计算，可以得出如下结论：

（1）从图8可以看出，考虑降雨入渗后的孔隙水压力分布云图与初始状态有明显的区别，边坡顶部和边坡坡面以下一定范围内孔隙水压力升高，基质吸力降低，在降雨过程中边坡内部未达到饱和，仍有负压力区。在降雨减小至停止后，边坡从坡顶开始饱和度逐渐减小，孔隙水压力减小，浅层基质吸力开始增大，并向内部扩散。

（2）从图9可以看出，在降雨初始阶段，坡肩位移较大，而坡脚处位移比较小；边坡顶部反而出现一定的膨胀，这主要是因为降雨导致边坡饱和度增大，吸力降低，有效应力减小，出现卸荷回弹现象。随着降雨的减小至停止，坡肩位移变小，坡顶的膨胀消失，而最大位移出现在坡脚处。这可以解释边坡滑坡一般首先是在坡肩出现裂隙，然后在坡脚处发生滑移的现象。

（3）从图10可以看出，在降雨开始后30.75h，边坡坡脚处出现塑性区域，随着降雨的进行，塑性区逐渐扩大，在降雨结束时达到最大值，此时塑性区域达到稳定，不再继续扩展，说明边坡未发生滑移，逐渐趋于稳定。

3 结束语

本文通过ABAQUS有限元软件对一维降雨条件下的非饱和土坡孔隙水压力、边坡位移、塑性应变区的发生及发展规律进行了探讨，由算例的计算结果可知，用ABAQUS有限元软件对一维降雨条件下的非饱和土坡进行模拟是可行的，对研究非饱和边坡的稳定性有一定的借鉴意义。

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［5］费 康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010：205－233.

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［11］《工程地质手册》编委会.工程地质手册［M］.第4版.北京：中国建筑工业出版社，2007：842－843.

［12］王成华.土力学［M］.武汉：华中科技大学出版社，2010：9－35.

Stability studies of unsaturated soil slope under rainfall conditions based on ABAQUS

CUI Liang， CUI Ke－rui
（School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Based on the unsaturated soil mechanics theory，considering the rainfall infiltration process，using the ABAQUS software mid－stream solid coupling model，the soil slope stability under rainfall conditions is simulated.The simulation results show that the pore water pressure in the slope before and after rainfall has marked changes and directly affects the soil matric suction，resulting in the easy instability of the slope caused by the decline of the matric suction.The horizontal displacement，vertical displacement and total displacement of soil slope also have great changes during the rainfall.And the plastic strain zone appears in the slope during the rainfall and the zone expands gradually until it is stable.

ABAQUS software；unsaturated soil slope；slope stability；rainfall infiltration；pore water pressure；matric suction

U416.14

A

1003－5060（2012）11－1560－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.028

2012－03－22；

2012－05－07

崔 亮（1986－），男，河北衡水人，合肥工业大学硕士生；

崔可锐（1956－），男，安徽芜湖人，博士，合肥工业大学教授，硕士生导师.

（责任编辑 张 镅）