非饱和土体岸坡有限元模型分析

韩朝龙

中色科技股份有限公司 河南省洛阳市 471039

本文根据降雨作用形式、降雨入渗过程和降雨类型提出降雨的简化条件，选择合理的岸坡结构参数，建立非饱和土体边坡结构的有限元模型，探讨边坡结构在不同降雨类型情况下的位移结果，为设计非饱和土体边坡结构时提供一定的理论依据。

1 降雨荷载模型

1.1 降雨作用形式

土体水分入渗基本可以分为两种类型：第一种是降雨从地表垂直向下进入土壤的垂直入渗问题；第二种是侧向入渗问题。本文在进行有限元研究计算时，采用的荷载作用形式为降雨从地面垂直向下进入土壤的垂直入渗作用形式，不考虑当存在外界干扰时的侧向入渗。

1.2 降雨入渗过程

通过查阅相关资料，发现以下特点：

（1）当时间时：由于供水条件为降雨，则入渗初期的供水强度就取决于降雨强度。

（2）当时，供水强度大于土壤的入渗率，此时干土积水条件下的入渗率既为，是超过入渗率的供水强度则形成积水或地表径流。

所以降雨入渗过程可以分为两个阶段，第一阶段称为供水控制阶段，第二阶段称为土壤入渗率控制阶段，两个阶段的交点称为积水点，前一阶段称为无压入渗或自由入渗，后一阶段称为有压入渗或积水入渗。在本文的有限元分析中，采用无压入渗过程进行计算。

1.3 降雨类型

夏季受东南季风的影响，降水充沛，占全年降水量的65%左右；冬季在干冷西北风控制下，干燥少雪，仅占全年降水量的5%。降雨主要集中于夏季，是造成边坡变形失稳的主要原因。通过资料收集与查阅，了解我国降雨、降雪的等级表。

2 降雨和岸坡坡面结构参数选择

2.1 降雨参数选定

本文初步选定外界降雨大小和土体饱和度的关系，如表1所示。

表1降雨大小和土体饱和度的关系

2.2 土坡结构参数选定

在实际工程中，不同的边坡结构参数计算得到的位移是不一样的，本文将建立非饱和土体边坡结构为基础的几何模型，分别选定不同程度的降雨类型来改变土体的含水率，从而得到边坡结构位移的变化规律。图1为边坡结构的几何模型，其中x轴为水平方向，y轴为法向方向，z轴与x-y面垂直，p为降雨垂直荷载集度；计算位移时所需的设计参数选取普通岸坡属性参数。

图1 岸坡的几何模型

3 有限元模型的构成

3.1 几何模型初步选定

本文设计的研究内容是结构分析，非饱和土岸坡结构在建模时采用Structural 42单元，该例子的节点数为1186个节点，非饱和土边坡材料按照土体实际选取。通常认为土体岸坡各结构层为平面无限大的弹性层。因此选择适宜计算的有限元模型尺寸，本章取土体岸坡xoz平面方向长边为16m，短边4m，坡面y方向深边为5m，浅边为2m，降雨坡面面积为34.16m2，非饱和土体边坡三维有限元模型，采用有限元模型计算时，取边坡结构某一任意位置的断面进行研究。

3.2 模型的网络划分及约束条件

采用有限元法计算时，本文采用自由网格划分形式(图2)。在计算过程中，该有限元模型的边界条件为：岸坡底面为固定面，非饱和土体岸坡结构有限元模型左右两侧没有x方向上的位移，滑体没有任何固定。

图2 边坡结构有限元网格划分模型

2.3 有限元模型的合理性验证

按照降雨简化模型进行加载，得出非饱和土体边坡结构的变形图，图3为降雨情况下，非饱和土体边坡结构在自重荷载作用下产生的位移矢量图。

图3 边坡结构位移矢量运动方向图

从图3得知非饱和土体边坡结构在自重荷载作用下，不论降雨大小均产生向下位移，土体颗粒产生运动的方向是向下的。结构变形图以及位移矢量运动方向图直观地说明了非饱和土体边坡结构在自重荷载作用下的变形过程，通过资料查阅，与黄土边坡的变形进行比对，变形的计算结果符合实际情况，证明建立的有限元模型是合理的。

2.4 边坡结构在正常状态下的力学变化过程

在正常情况下，非饱和土体边坡结构是稳定的，但若受到大范围降雨或长时间降雨的影响，随着土体表面含水率的增加，容重增加，致使边坡结构的粘聚力和内摩擦角等物性参数均降低，因而处于不稳定状态。在边坡结构的表面部分是极易产生滑动的，本文将其定义为滑体。图4为在正常状态下考虑土体自重作用，采用无压入渗形式，非饱和土体岸坡结构滑体表面节点和接触面节点的总位移值对比图。

图4 正常状态下下滑体总位移的对比图(mm)

从图4看出，在土体自重荷载作用下，非饱和土体边坡滑体表面各节点和接触面各节点的运动趋势是相同的，最大位移值均位于岸坡坡面的最顶端，逐渐减小，直至最低端的位移值最小，因此岸坡顶端是最危险的。由图4数据得知，在土体自重作用下，非饱和土体岸坡结构滑体表面最大位移值为0.10174 mm，位于顶端处，滑体与岩石接触面最大位移值为0.10375 mm，位于接触面5号节点的位置，说明非饱和土由于自身重力作用下，在滑体前部分的位移较大。

3 本章小结

本文基于有限元理论，利用ANSYS软件对自重荷载荷载作用下的非饱和土体边坡结构进行力学响应分析,主要内容如下：

(1) 非饱和土体边坡结构为连续、均质、各向同性的材料，其中结构各层平面无限大，滑坡表面有一定的厚度，基岩为半无限弹性体；各层水平无限远处和底基层无限深处应力分量为零。

(2) 以岸坡结构的滑坡为研究对象，采用的荷载作用形式为垂直入渗作用形式以及无压入渗过程进行计算。

(3) 构建几何模型，分配材料属性，通过比对岸坡结构的变形图和位移矢量图，验证松浦大桥非饱和土体边坡结构的有限元模型是合理有效的。