降雨雨型对滑坡影响的流固耦合数值分析.pdf

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1、第45卷第l5期人民长江Vo1．45．No．152014年8月YangtzeRiverAug．，2014文章编号：1001—4179(2014)15—0067—04降雨雨型对滑坡影响的流固耦合数值分析方正，李勇2，李海亮2(1．四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川成都610017；2．四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都610041)摘要：基于流固耦合理论和非饱和土强度理论，对降雨雨型对降雨型滑坡产生的影响进行了数值分析研究。结果表明，不同降雨雨型虽降雨量相同，但强度不同，对边坡孔隙水

2、压力变化、分布和稳定性变化有重要影响；造成这种差异的根本原因为降雨量在整个降雨过程不同时段的集中程度不同。从安全的角度考虑，在进行边坡的稳定性分析时，在已知降雨量和降雨持时的条件下，建议采用线性递增型雨型来进行计算。关键词：流一固耦合；土一水特征曲线；非饱和土；降雨雨型中图法分类号：P642．22文献标志码：A目前，对降雨型滑坡的研究主要集中在两个方面：型类似于中强型雨型，降雨集中于整个中间时段。①基于数理统计学原理研究降雨和滑坡的关系，利用针对于此，基于流固耦合理论和非饱和土强度理论，本数学方法建立

3、滑坡位移量或发生概率和降雨因子之间文拟对降雨雨型对滑坡的影响进行数值分析研究。的关系式，并利用已经建立的关系式进行预测预报；②1流固耦合理论和非饱和土强度理论从降雨诱发滑坡的内部机理和降雨入渗的实际过程出发，分析研究降雨入渗后土水作用机理。1．1流一固耦合理论关于降雨型滑坡实例数理统计这方面的研究已经“流一固耦合作用”就是渗流场和应力场之间的取得了很多成果，如许建聪等对松散土质滑坡位移与耦合作用，在地球科学领域中也被称之为“水一岩降雨量的相关性进行了研究；寇磊等选取了前10d(土)耦合作用”。它研究的

4、焦点在于固体介质(岩土有效降雨量、日最大降雨量、暴雨频次、暴雨持续时间体)和流体(水)之间的力学耦合作用规律。4个降雨因子对滑坡进行了研究。在降雨诱发滑坡土体的渗流场对应力场是有影响的，同时应力场的内部机理方面，许多学者进行了相关的研究，一的变化也必然会对渗流场产生影响，其实质为应力场般认为雨水的入渗使得渗流场发生了很大变化，使土使土体发生变形，从而改变了介质渗透系数；渗流场的体的基质吸力降低甚至消失，最终边坡发生失稳。变化又会引起孔隙水压力分布的改变，使得渗流力和虽然目前国内外学者在降雨型滑坡研究方

5、面取得有效应力发生改变。本文基于Biot真三维固结理论，了一定的成果，但从以上成果不难发现，上述研究选取采用大型有限元软件对土中水的渗流和土体变形进行的降雨因子或者预报判据中没有考虑降雨类型的影直接耦合分析。根据虚功原理，固相介质的应力平响。对于某些滑坡，较大的降雨量并不能使滑坡产生，衡为而是需要较大的降雨强度。如黄蜡石滑坡在1991年J(一Xttf1)6d=6月30号(降雨量156mm)和1991年8月6号(降雨J量133．6mm)经历两次降雨过程，降雨量基本一致，但8vdS+f8vdV+Isnpi

6、gSvdV(1)是后者却导致了滑坡的较大变形破坏，在后来的调查JJJS中发现，前者的降雨强度比较均匀，但是后者的降雨雨式中，8e=sym(ao'v／Ox)为虚变形速率；为有效应收稿日期：2014—03—28作者简介：方正，男，工程师，硕士，主要从事岩土工程设计工作。E—mail：limbar@163．corn68人民长江力；6v为虚应变场；t为单位面积的表面力；f为单位体k=s[1一(1一s)](5)积的体积力(不含流体质量)；s为固相材料的饱和度；式中，S为有效饱和度；为饱和渗透系数；k为非饱n为固

7、相材料的孔隙率；p，为流体密度；g为重力加速和渗透系数。度。采用拉格朗日公式将虚功方程离散化得到固相材料的有限元网格，此时流体还需要满足连续方程。即d(fPl州)一肌s(2)f式中，，为渗流速度；n为S面外法线方向；方程采用流体的参照密度P进行无量纲化。图1数值分析模型(尺寸单位：m)计算过程中，渗流场和应力场直接耦合，同时求解表1土体的物理力学参数应力平衡与渗流连续性方程，并采用Newton迭代法求解方程。1．2非饱和土的抗剪强度理论目前得到广泛应用的非饱和土抗剪强度公式主要有单应力和双应力状态变量

8、公式，单应力状态变量公式以1960年Bishop提出的公式为代表—、＼、r=c+[(or—M)+(。一M)]tanq~(3)、式中，f，为抗剪强度；为总应力；u为孔隙气压力；u为孑L隙水压力；为有效应力参数；c和分别为土、、＼体的有效凝聚力和有效内摩擦角。基于Oberg、Sallfors和Vanapalli等的研究，Bishop的有效应力公式可转化为=or—Js，M，将其式代入到式(3)中，可以得到简化的非饱和土抗剪强图2土一水特征曲线度公式，即7"f=