基于Ansys不同饱和度顺层土质边坡稳定分析

刘建红，张 群

（江西水利水电开发有限公司，南昌330001）

土质边坡是常见的自然地质环境之一，其中绝大部分处于非饱和状态，特别在我国西部地区，地质条件复杂，尤其是膨胀土、黄土、残积土、若红土等被称为“特殊土”的土类，对其不同饱和度下边坡的稳定性问题有必要进一步分析讨论。

世界上有超过60%的国家都曾经或正在遭受这些非饱和土和特殊土所带来的工程危害，滑坡灾害给人类造成的损失不可估量，触发滑坡的因素各种各样，可分为自然因素和人为因素，如表1［1-5］。

表1 触发滑坡的主要因素

研究表明，大多数滑坡灾害的发生均与水有关。由于降雨产生的渗流，增加了土体的滑动力；降雨使土体饱和度提高，基质吸力减少，甚至丧失；降雨强度和降雨历时对土坡安全稳定性有着明显影响［6］，在长弱降雨状态下土体表层不会出现饱和，仅仅表现为表层基质吸力基本丧失；而在短期强降雨状态下土体表层饱和，基质吸力全部丧失。因此，对于非饱和土质边坡的研究具有现实意义［7-10］。

以某顺层边坡为例，采用有限元软件Ansys模拟计算不同饱和度下边坡的应力应变分布，拟在掌握不同饱和度下边坡发生的位移、应力应变和边坡稳定性变化规律，为类似顺层土质边坡的稳定性分析有积极意义。

1 工程概况

某边坡位于构造剥蚀低山丘陵区，属背斜一翼，坡体相对高差54.0m，自然坡度45°，山顶呈浑圆状，滑体两侧冲沟发育，沟谷宽缓，长年有水流出，土体受雨水渗流影响大。边坡土体位于基岩上，基岩上分别有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3种不同的土体，走向基本与坡面平行，对边坡稳定性有不利影响。根据其几何特征，选择典型边坡断面进行计算，如图1。

图1 边坡模型及其材料分区

2 有限元模型建立

采用ANSYS软件建立顺层边坡模型，针对二维边坡的应力应变问题，本次建模选择plane183二维八节点高阶单元，每个节点具有UX和UY两个自由度，相比plane42和plane82单元，具有更高的精度。由于坡面附近为边坡关键部位，对坡面土体进行局部网格加密处理，模型共划分成4908个单元，12270个节点。边界条件包括模型底部施加水平和竖直方向约束，左边界施加水平位移约束，有限元网格模型如图2。

图2 边坡有限元网格模型

3 参数选取

随着土体饱和度的增加，空隙水压力相应增大，有效应力随之降低，最终导致边坡土体各项力学参数均有所降低，参数变化主要包括土体弹性模量、粘聚力、内摩擦角减小，密度和泊松比增大。根据相关文献［11-12］可得到饱和度变化时土体各项力学参数的变化值，以此来模拟土体饱和度的增加。原始边坡模型土体材料参数如表2。

表2 相关土体材料参数取值

4 计算结果及其分析

4.1 边坡位移分析

不同饱和度边坡的位移云图如图3。

由图3可以看出，顺层土质边坡发生水平方向位移主要集中在边坡中下部位，且从内到外逐渐增大。随着边坡土体饱和度的增加，最大位移也在逐渐增大，如图3（a）为饱和度30%的水平位移云图，最大水平位移1.617mm，而当饱和度增加到70%时，水平最大位移1.923mm，当土体饱和时，最大水平位移达到2.135mm。但是随着边坡土体饱和度的增加，边坡发生最大位移的范围也不断减小，图3（a）中发生最大位移区域扩展到中部土层，而饱和时最大位移区域仅位于最外层土体区域，如图3（c）所示。

土体饱和度变化时，边坡竖直方向位移变化情况如图4。

由图4分析可知，饱和度变化对边坡竖直方向位移影响较小，竖直方向位移受土体自重影响较大，表现为自然沉降。

4.2 边坡应力分析

为进一步分析土体饱和度对边坡应力的影响，图5给出了不同饱和度下边坡的剪应力分布情况。

图3 边坡水平方向位移

图4 边坡竖直方向位移

图5 边坡剪应力分布

由图5分析可知，当土体饱和度为30%的时候，中部土层底部出现较大的应力集中现象，最大值为0.85MPa，如图5（a）；当土体饱和度增加到70%时，如图5（b），中部土层底部的剪应力区域与基岩内部贯通，最大值剪应力为0.91MPa，此时边坡的稳定性较低；当土体饱和时，最大值剪应力为0.93MPa。由此可知，随着土体饱和度的增加，土体内部剪应力逐渐增大，边坡的稳定性逐渐降低。

4.3 边坡稳定安全系数分析

表3给出了不同饱和度下边坡的稳定安全系数，分析可知，随着饱和度的增加，稳定安全系数有减小的趋势。当饱和度小于70%，随着饱和度增加，安全系数减小不大；当饱和度大于70%，随着饱和度增加，边坡安全系数大大减小，当土体完全饱和时，边坡稳定安全系数最低，仅为1.16。结果说明，当土体饱和度低于70%时，饱和度大小对边坡的稳定性影响很小，当饱和度大于70%，饱和度大小对边坡的稳定性影响很大。

表3 不同饱和度下边坡稳定安全系数

究其原因，可能是土体随着饱和度增加，导致土体内部的有效应力逐渐减小，导致土体抗剪强度降（粘聚力和内摩擦角），特别是对于顺层边坡，效果更为显著。

5 结论与建议

采用大型有限元软件Ansys对不同饱和度下某顺层土质边坡的位移和应力应变进行数值计算，得到了边坡位移、应力应变受饱和度变化的影响情况，结果表明：

（1）随着土体饱和度的增加，顺层土质边坡水平方向位移逐渐增大，竖直方向位移变化不明显。

（2）不同饱和度下，土体的剪应力分布不同。随着土体饱和度的增加，中间土层底部的剪应力较大区域与基岩内部逐渐形成贯通，土体内部剪应力逐渐增大。

（3）当土体饱和度低于70%时，饱和度大小对边坡的稳定性影响很小，当饱和度大于70%，饱和度大小对边坡的稳定性影响很大。

（4）边坡失稳一般与土体饱和度密切相关，因此，在边坡施工设计中，建议注重地表水及内渗影响，除了布置必要的边坡体内排水通道外，还应在其周围设置必要的截水沟，以有效减少地表水对边坡的内渗影响。另外，在雨季边坡施工时应注意雨水的临时排水处理，从而提高雨季边坡施工的安全性。

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