基于ABAQUS的边坡降雨稳定性分析可靠性研究

陈　阳，张晓春，潘君云

(1.台州市交通勘察设计院，浙江　台州　318000；2.东南大学，江苏　南京　211189)



基于ABAQUS的边坡降雨稳定性分析可靠性研究

陈阳1，张晓春2，潘君云1

(1.台州市交通勘察设计院，浙江台州318000；2.东南大学，江苏南京211189)

文章以台州马头山边坡为研究对象，通过在滑坡体现场设置降雨量、应力、位移观测设备，记录强降雨条件下滑坡体各项参数的变化规律，并结合现场勘查滑坡体地形、地质资料，采用ABAQU有限元分析软件对边坡稳定性进行模拟分析，以验证基于ABAQUS的有限元分析方法在边坡降雨稳定性分析中的可靠程度。通过对比发现模拟分析所得数据与现场实际观测数据较为接近，误差约在7%左右，可为后续推广基于ABAQUS的模拟分析方法及为设计、施工及运营过程中的边坡预警等研究提供参考。

现场观测；有限元分析；边坡稳定性

0　引言

台州市位于浙东沿海、太平洋西岸，夏秋季节受台风影响程度较大，强台风带来的强降水往往导致公路高边坡突然滑塌，社会危害较大。如能在勘察设计

阶段通过选用合理的分析方法，建立台风等强降雨条件下挖方路基高边坡稳定性更加准确的分析模型和判断依据，提前做好边坡崩塌、滑移的防范措施，对保证公路运营安全意义重大。

1　相关研究回顾

边坡稳定性分析方法主要有定性分析、定量分析和不确定性分析三大类。20世纪60年代以前多采用定性分析，60年代初形成了刚体极限平衡法，1967年岩土界专家和学者首次成功尝试采用有限单元法来对边坡的稳定性问题进行研究，20世纪80年代以后，计算机技术的快速发展为有限元在工程上的运用提供了客观条件[1]。在众多工程有限元分析软件中，ABAQUS有限元软件功能较为丰富，使用相对简便，在用户提供结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况等信息的条件下，即可通过构建模型，实现复杂的非线性工程问题模拟分析，在岩土应力、位移模拟分析中应用较为广泛，能模拟流体渗透和实现应力耦合分析。

赵尚毅等[2]分析了有限元分析方法在边坡稳定性分析中的可行性问题，通过将强度折减理论用于有限元法中，解决了有限元在边坡稳定分析中的应用问题。文章研究认为，有限元法计算模型不仅能满足力的平衡方法，还能满足土体的应力应变关系，并且可以对边坡进行弹塑性分析，计算结果更为精确、可靠。

姚海林等[3]采用有限元和极限平衡相结合的方法进行了降雨入渗引起边坡渗流场变化及稳定性分析。对降雨强度、饱和渗透系数、降雨时间、土体裂隙等影响膨胀土边坡稳定性的因素进行了研究，得出“降雨强度对边坡稳定性的影响程度取决于土体自身的渗透性”的结论。

曾田等[4]基于饱和-非饱和渗流理论，利用数值仿真方法，模拟了降雨总量相同的暴雨、连续降雨和间歇降雨3类不同降雨条件下边坡渗流场的变化规律，研究认为，强度较大的降雨易形成地表径流，对边坡产生较大的冲刷作用，间歇降雨在3种雨型中对边坡的危害最大。

田仕明[1]基于ANSYS和ABAQUS软件，建立了岩质高边坡在不同强降雨条件下的分析模型，并对该条件下滑坡机理进行了研究。模拟了降雨强度8 mm/h、降雨持续时间72 h和降雨强度5 mm/h、降雨持续时间72 h两种工况，分析了孔隙水压力场、位移场、应力场和塑性区随时间推移的变化。研究结果表明，降雨强度越大，降雨持续时间越长，其坡体内含水量增加，坡体自重增加，随之竖向应力也增加，而在坡脚处的塑性应变区也增大；随着降雨时间的增长和强度的增大，位移增速和总位移量均有所增长，且以沿坡面倾向方向位移为最大；应力方面，随着降雨强度的增大，应力增幅相应提高，且沿坡面倾向应力增幅略大于竖直向应力增幅。

李帆等[5]利用ABAQUS有限元软件中的节理材料模型模拟分析了垂直节理发育的黄土边坡稳定性，分析认为，ABAQUS有限元法可以考虑黄土边坡土体中垂直节理发育的特性，包括裂隙材料参数的方向、强度，弹塑性问题等，分析结果更加可靠。

综上可见，以往相关研究或仅采用模拟计算分析，或结合工程实践进行对比分析，论证了有限元方法在边坡稳定性分析中的适用性，并对ABAQUS软件在模拟边坡岩土弹塑性变形和渗流方面做了许多尝试，均取得了一定的研究成果，然而，对非黄土土质挖方高边坡稳定性模拟分析，并结合实际观测数据进行模拟分析准确性验证的研究相对欠缺。

2　研究过程

2.1研究对象选择

台州境内可供研究选择的挖方高边坡较多，本次主要考虑了边坡滑动体组成、边坡滑动特征及潜在滑动可能性等因素，最终选择经历过两次滑坡、两次整治，现滑坡体仍在移动的马头山边坡作为研究对象。

马头山高边坡位于104国道临海青岭至黄土岭段右侧，见图1，该边坡在施工过程中出现滑坡。

图1　马头山滑坡体示意图

经补充地质勘察，发现滑坡体为侵蚀堆积地貌丘陵，地形总体西高东低，公路内侧为强风化基岩，上部坡积层为黄色黏性土夹砂砾石，滑坡体位于楔形构造带内，构造带上宽下窄，主要为坡积层滑坡。路基内侧第四系坡积层厚度较厚，呈稍密至中密状，透水性相对较好，底部为强风化基岩，其中强风化层厚度较厚，根据开挖坡面显示，厚度>6 m。区内地下水主要为孔隙潜水，主要赋存在表土及坡积层中，地下水主要受大气降雨及地表水补给，水位随季节性变化。

第一次整治基于《公路路基设计规范》(JTJ 013-1995)进行，主要采用上方减重，下方增加支护方式，整治设计图见图2。

台州市交通勘察设计院于2009年7中旬联合东南大学再次对该路段进行了边坡稳定性考查，发现已处理边坡再次出现局部移动。

图2　马头山边坡坡面整治设计图

由于当时正值台风高发前期，考虑到边坡稳定性和104国道运营安全，基于《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)对边坡采取了相应的整治措施，主要包括以下几个方面：

(1)修复了坡面排水系统；

(2)对滑动壁裂缝和剪切体裂缝采用黏土或混凝土封堵；

(3)削平边坡下部鼓张部位并压实，对局部变形较大处打入小木桩进行加固，小木桩梢径14 cm、长度3 m、间距1 m，处理面积337 m2；

(4)加强植被防护。

2.2研究思路

虽然现有降雨条件下边坡稳定性分析相关研究虽然较多，但根据实地工程勘察测得数据，对边坡进行降雨条件下稳定性模拟分析并通过现场观测加以比较分析的案例极少。本次研究拟根据地质勘查并结合现场调研，采用ABAQUS有限元分析软件对边坡稳定性进行模拟分析，并根据分析结果，在现场实地布设监测仪器，进行实时观测，通过得到的特定条件下的观测值对模拟分析的结果加以检验，以验证模拟分析方法的可靠性，为后续推广基于ABAQUS的模拟分析方法及为设计、施工及运营过程中的边坡预警等研究提供参考。

2.3现场仪器设置

现场监测传感器主要有表面位移传感器、测斜仪、孔隙水压计、土压力盒和雨量仪。所有传感器通过线路集成至现场数据采集模块，进而与无线发射模块相连接，完成监测数据远程无线接收，该方法可靠性已由贾通等[6]另行撰文论证。

2.4研究模型建立

使用ABAQUS有限元分析软件，根据边坡等高线地形图，建立与实际边坡一致的三维均质土质边坡模型，边坡坡高52 m，坡角30°。边坡模型如图3所示，其中右图为加设小木桩后的边坡模型。

边坡材料及小木桩材料参数值由实测得到，如表1～2所示。

表1　模型中边坡土材料参数表

表2　木桩参数

网格划分方面，本研究模型采用自由划分网格，共划分2 898个单元，如图4所示。

图4　边坡网格划分示意图

荷载及边界条件设定方面，进行边坡降雨分析，即考虑降雨对边坡的影响，因此，施加的荷载既包括重力荷载，还包括水的渗流力。按最不利状况设定边界条件。

边界条件约束如图5所示。

图5　约束面示意图

3　结果分析

3.1现场观测数据分析

根据以往贾通等[6]的研究，在雨量较小的情况下，位移计测得的表面位移基本无变化，因此，选取了2012年第11号热带风暴“海葵”过境时的相关监测数据进行分析。

台风“海葵”于2012年8月5日17时进入我国东海东部海面，并加强为强热带风暴，8日凌晨登陆浙江。马头山在其影响范围区域内，与台风路径垂直距离仅60 km。监测数据分析时间从8月7日到8月14日。因监测点较多，所以选择变化明显且具有代表性的监测点数据。

马头山边坡降雨量如图6所示。

图6　“海葵”登陆期间马头山边坡降雨量与时间关系图

从图6可知，降雨强度自7日15时开始逐渐增大，至8日0时达到第一个高峰，随后，强度逐渐降低，在4时降雨强度快速增长，在5时达到第二个高峰，之后至9时降雨强度逐渐降低，12时马头山脱离台风影响区。影响期内降雨总量约为105 mm。

位于坡脚附近观测点2土压力随时间变化情况如图7所示。

图7　测点2土压力与时间关系图

对比图7和图6可见，随着降雨强度及降雨量的不断增加，土压力逐步上升，且土压力峰值滞后于降雨强度峰值，降雨过后土压力逐渐回复。

位于滑坡体中部11、12点位测斜仪观测数值如图8所示。

图8　测点11、12的位移与时间关系图

对比图8和图7可见，滑坡体位移较降雨强度存在较大的滞后。

马头山边坡测点孔隙水压力如图9所示。

图9　测点14孔隙水压力与时间关系图

对比图9和图8可见，孔隙水压力峰值滞后雨量峰值，且增量数据不大，随后有明显回复趋势。

3.2模拟分析数据

以“海葵”期间实际监测的降雨量为依据，导入2.4建立的分析模型，经分析计算，绘制了马头山边坡位移云图如图10所示。

图10　马头山边坡位移云图

从图11可以看出，在海葵期间降雨条件下，马头山边坡主体位移最大值发生在坡脚位置，最大值约为1.6 cm，而实际监测的最大位移值为1.5 cm，模型预测差值与真实值误差约为6.67%。

4　讨论

本次研究主要分两部分进行，一部分为实际观测，一部分为模拟分析，其中模拟分析部分所采用数据均为现场实地勘察所得。通过模拟数据与实际观测数据及相互对比分析，得到了以下结论：

(1)边坡土体压力峰值、孔隙水压力峰值及位移均滞后于降雨强度峰值，且以位移滞后最为显著。该点与田仕明等的研究结果相似，结合姚海林等人的研究，本文认为，由于岩土体渗流作用的存在，土体各项分析指标峰值较降雨强度峰值滞后是合理的，而土应力和孔隙水压力不断上升又进一步导致了土体位移发生，因此，三者之中以土体位移滞后最为明显。

(2)结合实地勘察地形、地质资料，基于ABAQUS有限元软件构建模型进行边坡降雨稳定性分析得到的指标变化规律，与现场条件下实际观测的指标变化规律较为吻合，证明采用该方法进行边坡稳定性分析结论具有一定的可靠度，可以为降雨条件下的边坡稳定性判断提供参考。

(3)现场观测数据与模拟分析之间存在一定的差异，分析认为该差异可能由两方面因素导致：①土体稳定性指标粘聚力和内摩擦角系通过常规三轴试验取得，与真实值有一定的出入；②降雨强度及坡面土体参数均模拟为整个坡面一致，与实际情况亦有出入。

(4)从本次研究结果可见，尽管在研究时间上选择了降雨强度较大的一段时间，但是从实际观测数据及模拟分析结果可见，边坡土体各项指标变化幅度仍相对较小。这一结果从侧面验证了2009年边坡治理措施的有效性，边坡当前基本处于稳定状态。

5　结语

本文通过现场观测数据与模拟数据的对比分析，论证了基于ABAQUS有限元软件在降雨边坡稳定性分析中的可靠性。后期结合气象预测，即可根据对存在滑塌可能的边坡建立的模型进行较为准确的边坡稳定性判断，为尽早采取防治措施，保证道路通行安全，减少人民生命财产损失，维护社会效益提供了理论基础。

下阶段打算通过边坡失稳破坏性试验来对模拟分析失稳的可靠性进行研究。一经论证，将继续对其他不同类型的边坡展开类似分析，不断积累勘察设计经验，最终形成对各类挖方高边坡失稳判定标准，为边坡防护勘察设计及边坡养护提供指导。

[1]田仕明.高边坡在降雨条件下的稳定性分析[D].云南：昆明理工大学，2011.

[2]赵尚毅，时卫民，郑颖人.边坡稳定性分析的有限元法[J].地下空间与工程学报，2001(5)：450-454.

[3]姚海林，郑少河，李文斌，等.降雨入渗对非饱和膨胀土边坡稳定性影响的参数研究[J].岩石力学与工程学报，2002(7)：1034-1039.

[4]曾田，吴逢春，张晓春.降雨条件下的边坡稳定性分析[J].中外公路，2008(4)：40-42.

[5]李帆，杨建国.黄土边坡稳定性分析方法研究[J].铁道工程学报，2008(12)：33-36.

[6]贾通，何铁军，张晓春，等.基于无线传感器网络的公路边坡监测技术研究[J].交通信息与安全，2012(6)：136-139.

[7]JTJ 013-1995，公路路基设计规范[S].

[8]JTG D30-2004，公路路基设计规范[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

陈阳(1983—)，工学硕士，工程师，研究方向：道路交通安全和工程造价。