基于MIDAS—GTS的渗流—应力耦合作用下边坡稳定性分析

2016-11-29张江昊

甘肃科技 2016年8期

关键词：水头安全系数渗流

张江昊

（西安科技大学地质与环境工程系，陕西西安710054）

基于MIDAS—GTS的渗流—应力耦合作用下边坡稳定性分析

张江昊

（西安科技大学地质与环境工程系，陕西西安710054）

土质边坡中的地下水渗流作用主要涉及水力学和土力学相互作用的问题。地下水位升降产生的渗流—应力耦合作用对边坡稳定性会产生显著的影响。主要分析了土颗粒微元体在渗流中的受力状态，并据此得出应力—渗流耦合方程，在此基础上，结合MIDAS—GTS中的渗流分析模块及边坡稳定性分析模块（SRM），得出渗流—应力耦合作用对边坡稳定性的影响大小。

MIDAS—GTS；渗流—应力耦合；边坡工程；有限元；稳定性

1 土体颗粒在渗流场中的受力分析

边坡中的渗流主要有以下4种情况：水平方向渗流、平行坡面方向渗流、自下而上方向渗流、垂直向下方向渗流。不同渗流方向在土体颗粒中产生不同方向的渗流作用力，根据力的平行四边形法则，将土体颗粒所受的渗流作用力分解为垂直于颗粒表面的动水压力和与颗粒表面相切的水流摩擦力。因此，在土体中任取一微元体，将渗流作用力F分解为铅直向上的分力u与沿流线方向的分力fs，即静水压力产生的浮力u与动水压力产生的渗透力fs。，如图1所示。

图1 土体微元体在渗流场中的受力示意图

浮力u和动水压力产生的渗透力fs分别为：

式中：n为孔隙率；γw为水容重；JW为渗流水头坡降。

2 应力—渗流耦合效应

地下水位的变化必然会产生土体颗粒附近的水头差，由此产生的渗透力差异必然会引起土体应力场和位移场的变化。同时，应力场和位移场的改变又将引起土体孔隙率的改变，孔隙率的改变又会引起土体渗透性的改变，从而引起渗流场的变化。因此，土体应力和渗流作用力是相互制约和相互影响的，这种效应称为渗流—应力耦合作用。

考虑有效应力原理的微元体三维平衡方程如下：

以位移和孔隙水压力表示的连续性方程如下：

土中任一点的孔隙水压力变化和位移变化必须同时满足平衡方程（3）（4）（5）和连续性方程（6），将两式联立起来便是土体中的渗流—应力耦合方程。

3 基于MIDAS-GTS的有限元模拟

有限元强度折减法是通过不断降低边坡岩土体抗剪强度参数直至达到极限破坏状态为止，程序

会自动根据弹塑性有限元计算结果得到滑动破坏面，同时得到边坡的强度储备安全系数。这种方法十分贴近工程设计。

MIDAS-GTS进行渗流作用下的边坡稳定性分析，只需建立一个有限元计算模型。它既可以进行考虑最终稳定状态或考虑时间效果的渗流分析，也可以将渗流分析得到的孔隙水压力与应力耦合进行有效应力分析，故选用MIDAS-GTS进行数值模拟计算。

算例：均质土质边坡，坡高H=20m，坡角27°，粘聚力c=20KPa，内摩擦角φ=15°，，泊松比υ=0.3，弹性模量E=3000KPa，渗透系数kx=ky=0.001m/d。水头荷载一：在左侧边界和坡下边界施加水头荷载H= 20m；水头荷载二：在左侧边界和坡下边界施加水头荷载H=20m。假定两种水头荷载下边坡中的渗流为稳定流，计算模型如图2所示。

图2 有限元模型

通过计算得到天然工况、水头荷载一和水头荷载二时的安全系数和滑动面位置，如图3所示。

图3 天然工况下的安全系数和滑动面位置

图4 水头荷载一时的安全系数和滑动面位置

图5 水头荷载二时的安全系数和滑动面位置

由图3、4、5分析可得，天然工况下边坡安全系数为1.5375，边坡处于极其稳定的状态。水头荷载一时的边坡安全系数为1.2875，安全系数有所减小，边坡仍处于稳定状态，但对某些安全系数要求较高的重要工程，则需进行边坡加固（安全系数K＞1.2875时）。水头荷载二时的边坡安全系数为0.9625，此时边坡已处于不稳定状态。滑动面起点距坡肩的距离显著增大，滑动面形态显著变化。由于渗流作用的影响，坡肩附近的土体位移明显增大，而剪出口处的土体位移变化不大，说明渗流作用对边坡稳定性的影响主要集中在坡肩附近一定范围内。因此，建议在今后的边坡治理工程中重视对坡肩附近坡体进行加固，防止在此区域产生二级或多级滑动面。