膨胀各向异性对边坡稳定性的影响分析.pdf
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1、第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023收稿日期 2023-05-17作者简介 曾海兵(1993-),男,江西吉安人,助理工程师,工学学士,研究方向为水利水电工程;钟德明(1994-),男,江西崇义人,助理工程师,工学学士,研究方向为水利水电工程.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.09.017膨胀各向异性对边坡稳定性的影响分析曾海兵,钟德明(南昌市水利规划设计院,南昌 330038)摘 要为了
2、分析膨胀各向异性对边坡的影响,采用有限元仿真模拟软件 ABAQUS 开展边坡稳定研究。结果表明,不考虑膨胀作用或是将膨胀视为各向同性均会导致基质吸力的评估结果过低;考虑膨胀作用时,侧向应力均会随着时间的增加呈现非线性增大,坡脚处的侧向应力最大,坡中处次之,坡顶处最小。考虑膨胀作用时,边坡的应力比均随时间的变化呈现上升的趋势;考虑膨胀各向异性的应力比大于考虑各向同性的应力比。关键词膨胀各向异性;有限元仿真;应力变化;边坡稳定性中图分类号 TV698.2 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)09-0083-040 引 言相关研究表明,膨胀土具有明显的各向异性1-2。膨胀土会受到
3、周围介质的影响而产生膨胀力,如因雨水的入渗对边坡造成破坏等。因此,揭示膨胀土受雨水入渗影响下对边坡稳定性的机制,具有良好的工程价值,可为边坡的护理、加固设计等提供参考价值。膨胀力可以直观地反映膨胀土的膨胀特性。谢云等3通过实验发现,膨胀土的竖向膨胀力总是大于侧向膨胀力,二者间的比值会受到含水率及干密度的影响。谭罗荣等4-5结合平衡加压法和膨胀力试验,探究膨胀土膨胀力与初始含水率、干密度的关系,并揭示了膨胀力与起始含水率以及起始干密度的变化关系。数值模拟的方法因其成本低、可重复性高等优点,不断被应用到膨胀土对边坡稳定性影响的研究中。张良以等6建立了适用于膨胀土工程的非饱和渗流场-应力场-膨胀应变
4、场多场耦合数值计算方法,分析了降雨诱发下的膨胀土边坡入渗过程以及边坡渐进破坏全过程。刘义高等7运用有限差分法,对坡体进行仿真建模,仿真模拟膨胀土路堑边坡的各种增湿状态,并结合强度折减法,获得了膨胀土路堑边坡稳定性安全系数的变化规律。本文采用有限元分析模拟软件 ABAQUS,对降雨入渗非饱和膨胀土边坡进行模拟,探讨不考虑膨胀作用、考虑膨胀的各向异性以及考虑膨胀的各向同性对边坡稳定性造成的影响。1 工程概况某水库建设库容 988104m3,为小型平原水库,工程占地 136.133hm2。水库工程主要任务是通过调蓄河流水资源,做到丰蓄枯用,提供城区及周边乡镇工业及生活用水。水库周边分布大量膨胀土,边
5、坡裂隙发育显著。为了分析边坡稳定性,建立边坡模型。边坡高度 8.5m,有限元模型中设置边坡 1:1.5,降雨渗流场的计算仿真模型见图 1。整个模型主要划分为两个区域,其中区域(大气干湿循环显著区)的厚度为 3m,降雨可以入渗到区域的坡顶、坡中和坡脚中,进而入渗至区域(大气干湿循环非显著区)。仿真中的监测位置均位于坡顶、坡中和坡脚距离表面 1.5m 处。38第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023图 1 降雨渗流场的计算仿真模型
6、2 仿真模型介绍及参数设置ABAQUS 的计算应力公式如下:=DLT-DCIs(1)式中:为净法向应力增量;D为的刚度矩阵;为应变增量;C 为基质吸力 s 的柔度矩阵;LT为转置算子矩阵;I为单位张量。其中:D=d1d2d2000d2d1d2000d2d2d1000000d3000000d3000000d3(2)C=H-1v,H-1h,H-1h,0,0,0T(3)式中:d1=E(1-)/(1+)(1-2);d2=E(1-)/(1+)(1-2);d3=E/2(1+);E 为弹性模量;为泊松比。与基质吸力相关的弹性模量 Hv和 Hh的计算公式如下:Hv=dsdv,VSTHh=dsdv,LST(4)
7、式中:v,VST为基于竖向膨胀试验测得的竖向应变,%;v,LST为基于侧向膨胀试验测得的竖向应变,%,s 为基质吸力,kPa。基于三角形与方形的混合图形,构建整个ABAQUS 模型,共计 2 029 个节点和 1 920 个单元,模拟时步设定为 1h。其中,降水参数为 410-7m/s,假设降水天数为 7 天,通过仿真计算得到 7 天内的边坡渗流场以及随时间变化的吸力分布情况。具体参数设置见表 1。为了探究膨胀各向异性对水利边坡稳定性造成的影响,增加另外两种工况作为对照,分别为:不计膨胀,即在计算应力场时,忽略由于吸力减小导致的弹性模量软化效应;膨胀各向同性,即将与基质相关的弹性模量视为各向同
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