论文--降雨入渗对边坡稳定性影响的有限元极限平衡法

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1、降雨入渗对边坡稳定性影响的有限元极限平衡法摘要降雨尤其是强降雨条件是诱发边坡失稳的重要因素之一。针对降雨边坡，传统方法无法考虑非饱和渗流场与应力场之间的耦合作用，处理偏于简化，有限元法则具有较强的耦合分析能力，因此，采用有限元计算进而求得边坡安全系数及滑弧形状是对降雨边坡稳定性问题进行分析更为合理的方法。本文采用有限元极限平衡法分析降雨强度等因素对边坡稳定性的影响并与有限元强度折减法得到的结果进行对比，实例分析结果表明，有限元极限平衡法计算结果合理可靠，同时相较于有限元强度折减法，更为简便，更适用于工程实践，这一优势在非饱和非稳定渗流边坡稳定分析上体现尤为明显

2、。引言边坡稳定分析是岩土工程领域的重要课题之一，合理正确分析边坡稳定性问题，对于工程建设及灾害防治均具有十分重要的意义。影响边坡稳定性的因素众多，雨水及地下水渗流即是影响边坡稳定性的主要因素之一。我国幅员辽阔，气象条件复杂多样，暴雨引发的地质灾害频发，强降雨条件对边坡的稳定性的影响不可小觑。目前，国内外的学者对渗流作用下的边坡稳定性分析做了大量的研究工作，也取得卓有成效的研究成果，唐晓松等[1，2]通过采用ADINA，PLAXIS等有限元软件分析了渗流作用下边坡的稳定性问题；D.V.Griffiths和P.A.Lane[3]通过自编程序，应用强度折减法研究库水

3、位作用下的边坡稳定性问题，并与传统方法计算的安全系数进行对比，结果吻合较好；张晓咏，戴自航[4]等应用ABAQUS程序结合强度折减计算对渗流和应力直接耦合，分析了渗流作用下边坡的稳定性；C.S.Dwsail[5]用有限元确定坡体侵润面的位置，然后利用传统的瑞典圆弧法对密西西比河某段河岸的稳定性进行了分析。上述分析均侧重于静水渗流，针对降雨入渗条件下边坡稳定性的研究工作较少，汪益敏，陈页开等[6]基于东江—深圳金湖泵站水渠边坡改造工程的实际工程，结合降雨条件采用有限元方法进行分析，得出了边坡失稳的原因，并提出了工程建议，但对边坡稳定性分析均采用应力分析方式，没有

4、给出直观的安全系数，也很难确定出滑裂面位置。因此，本文以某一典型的边坡工程为例，通过采用ABAQUS建立有限元模型，对该工程在降雨入渗条件下的边坡稳定性进行分析，得出天然干燥、不同降雨量条件与边坡的安全系数间的关系以及滑裂面的发展情况。有限元极限平衡法土工结构稳定分析的有限元极限平衡法是邵龙潭教授于1989年提出并不断完善的稳定性分析方法，其要点在于把稳定分析问题转化为数学规划问题，以离散后滑动面的节点坐标为搜索变量求解最危险滑动面。有限元极限平衡法基于土工结构弹塑性有限元应力分析，采用极限平衡条件进行稳定性判定，是一种确定性分析方法，基本思路为：通过数值计算

5、方法（有限元、离散元或边界元等）获得计算区域的应力场，按照安全系数的定义搜索最小安全系数对应的最危险滑动面，以此安全系数评价土工结构物的安全稳定性。主要包含两方面的内容：一是安全系数的定义；二是最危险滑动面的搜索。该方法的优越性在于，理论体系更为严密，符合当前真实的应力场状态，可以直接确定最危险滑动面。安全系数的定义在平面应变条件下，土体中任意一点的抗剪强度可依据强度准则确定，其值为：（1）上式中，为法向应力，为土体粘聚力，为内摩擦角安全系数可以表示为：（2）上式中，抗剪强度沿滑动面的积分与剪应力沿滑动面的积分之比，也就是沿滑动面阻滑力的代数和之比，其物理意义

6、是土体沿滑动面整体达到极限平衡状态时的平均强度折减系数，或称为平均强度储备系数，其物理意义在于整体意义上的极限平衡，并未要求滑动面为圆弧，实际上对于任意形状的滑动面，安全系数有如上明确的物理意义。最危险滑动面搜索将离散为坐标点与曲线单元的组合，如图所示，当坐标点足够多时（曲线单元尺度与有限元单元尺度一致），坐标点可近似取代曲线。如果固定值，则曲线变为的单变量函数。对于稳定分析问题，基本过程可描述为：在已求得的应力场，确定坐标，变化坐标值，使得安全系数最小，便可确定曲线的位置。对于每一个曲线单元上的积分点，先确定其所在的单元，通过插值得到应力值，运用高斯积分法，

7、由式（2）计算值，最后运用粒子群方法确定全局最小安全系数对应的最危险滑动面。jjieSy=y(x)σ(x,y)yiyjxjxi图1实例分析材料参数及计算模型本文算例选取云南祥临公路(江临段)第13合同路段右侧边坡为研究对象，具体数据来源于勘查资料、文献及云南祥临公路高边坡及滑坡数据库系统。参照实际情况，取边坡坡角斜率为1∶1，概化出边坡几何模型，如图2所示。为简化分析，假设整个土坡只由一种土组成，且各向同性，土水特性曲线如图4所示，渗透系数为ABAQUS的缺省设置。有限元计算网格划分如图3所示，模型采用孔压位移耦合的CPE4P四边形四节点平面应变单元，底部边界

8、为不透水边界，水平向和竖向都施加位移约