2014~2015 年英國哈伯里區(qū)域一鐵路邊坡發(fā)生大型滑坡（滑坡位置見圖 1），該區(qū)域曾有滑坡的歷史，于 2014 年 2 月邊坡失穩(wěn)后，采用削坡加固的方式進(jìn)行了補(bǔ)救工作。2014 年 11 月 23日，在修復(fù)工程期間，邊坡再次發(fā)生了約 40 米長的破壞。2015 年 1 月 31 日，西側(cè)坡面發(fā)生大規(guī)?；拢⒓催M(jìn)行了補(bǔ)救工作。

 

 

圖 1 滑坡位置圖

 

滑坡區(qū)域由裸露的泥巖和下部石灰?guī)r地層構(gòu)成，上部區(qū)域存在豎直分布的淤泥斷層（見圖

2），勘測開裂區(qū)域位于斷層處（見圖 3）。實(shí)際地勘資料表明強(qiáng)降雨導(dǎo)致的地下水位抬高導(dǎo)致上部泥巖邊坡發(fā)生了沿石灰?guī)r上表面的滑動，進(jìn)而造成淤泥層破壞是本次滑坡的主要誘因，但仍需通過流固耦合模型[1~3]進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

 

本文根據(jù)滑坡調(diào)查報(bào)告數(shù)據(jù)，采用 ABAQUS 有限元軟件建立了邊坡的流固耦合模型，采用收斂性強(qiáng)、精度高的主面-從面接觸算法模擬泥巖-石灰?guī)r之間的相互作用，使用強(qiáng)度折減法計(jì)算正常運(yùn)行工況和地下水位抬升工況下邊坡的安全因子，定量分析淤泥斷層土強(qiáng)度和泥巖-石灰?guī)r之間的摩擦系數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響，并依據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證了地勘報(bào)告關(guān)于滑坡成因的結(jié)論。

 

 

圖 2 淤泥斷層示意圖

 

 

圖 3 開裂位置

 

2.邊坡流固耦合模型

2.1 模型基本假定

計(jì)算模型的建立是一個(gè)考慮多方面因素的綜合問題，本文計(jì)算模型有如下假定：

（1）土體為各向同性彈塑性材料，采用 Mohr—Coulomb 模型為其本構(gòu)模型。

（2）采用接觸算法模擬泥巖和石灰?guī)r之間的相互作用。

（3）采用有限元強(qiáng)度折減法分析邊坡的穩(wěn)定性，安全因子由特征點(diǎn)橫向位移 U1 和折減系

數(shù) FV1 關(guān)系曲線的拐點(diǎn)確定。

（4）沿著長度方向結(jié)構(gòu)截面尺寸基本不變，視為平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析計(jì)算。

（5）采用瞬態(tài)滲流分析模擬地下水位抬高的現(xiàn)象。

 

2.2 模型參數(shù)

本文采用 Mohr—Coulomb 本構(gòu)模型[4]來描述土體的塑性行為（所需物理參數(shù)見表 1）。瞬態(tài)滲流需考慮土體非飽和特性，采用非飽和算法[5]來模擬土體浸潤線以上區(qū)域的滲流現(xiàn)象（基質(zhì)吸力曲線見圖 4）

 

表 1 土體物理參數(shù)

 

 

 

圖 4 非飽和土體基質(zhì)吸力曲線

 

2.3 模型邊界條件

合理地定義模型邊界條件對數(shù)值分析結(jié)果的精確性與可靠性影響較大。依據(jù)實(shí)際工程勘測資料，確定模型幾何尺寸，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，模型側(cè)面限制橫向位移，底面限制橫向與豎向位移。模型外荷載為土體自重W，初始地下水位Z1設(shè)置為模型內(nèi)高度12m。

 

2.4 網(wǎng)格劃分

流固耦合模型的網(wǎng)格劃分方案是決定分析精度與計(jì)算收斂性關(guān)鍵點(diǎn)，合理的網(wǎng)格劃分方案應(yīng)綜合考慮計(jì)算機(jī)的硬件能力與計(jì)算分析的時(shí)間分配，并避免“沙漏現(xiàn)象”。參考前人經(jīng)驗(yàn)，本文模型的網(wǎng)格劃分方案采取關(guān)鍵部位加密劃分，非關(guān)鍵部位適當(dāng)放寬密度的網(wǎng)格劃分方案，土體單元選取在流固耦合分析中有著較強(qiáng)收斂性的孔壓單元 CPE6MP，（具體網(wǎng)格劃分見圖 5）。

 

 

圖 5 網(wǎng)格劃分示意圖

 

2.5 相互作用模擬

相互作用是巖土工程數(shù)值模擬的關(guān)鍵問題，選擇合適的接觸模式與合理的接觸算法能夠有效提高數(shù)值分析的精確性和收斂性。本文采用收斂性強(qiáng)、精度高的主面-從面接觸算法模擬泥巖-石灰?guī)r之間的相互作用[6]，取摩擦系數(shù)μ=tan(0.75φ)較為合理，即μ=0.384（其中φ為上部泥巖摩擦角）。接觸算法設(shè)置為罰函數(shù)法。求解巖土問題時(shí)，結(jié)構(gòu)的位移通常較大，需在起始地應(yīng)力分析步中打開大變形開關(guān)。將接觸的跟蹤算法設(shè)置為有限滑移法（finite sliding），接觸面設(shè)置為切向“彈性滑移變形”，法向“默認(rèn)硬接觸”。

 

ABAQUS 分析計(jì)算是根據(jù)用戶設(shè)置的步長依次計(jì)算每一個(gè)分析步的每一幀，在任一次計(jì)算前，ABAQUS 都會調(diào)用上一次計(jì)算得到的數(shù)據(jù)庫中各從面節(jié)點(diǎn)到主面的距離參數(shù)（COPEN），并判斷 COPEN 的值，若 COPEN 大于零，則表明此處從面節(jié)點(diǎn)與主面脫開，不存在接觸；若小于零，則主面與從面間存在接觸，若主-從面之間發(fā)生了相對滑動或存在發(fā)生滑動的趨勢，則根據(jù)摩擦定律r=uo計(jì)算沿著兩面切線方向的接觸力。

 

3.邊坡穩(wěn)定性分析

本次研究采用大型通用有限元軟件 ABAQUS 建立了流固耦合模型，采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算了邊坡的安全因子，分析了夾層土體粘聚力 c、內(nèi)摩擦角φ泥巖和石灰?guī)r之間的摩擦系數(shù)μ以及地下水位差值?z 對邊坡穩(wěn)定性的影響。并依據(jù)分析結(jié)果提出了相應(yīng)的建議，以供工程設(shè)計(jì)參考。

 

3.1 正常運(yùn)行期穩(wěn)態(tài)滲流分析

3.1.1 滲流分析

強(qiáng)降雨前，采用穩(wěn)態(tài)滲流分析邊坡內(nèi)部的流場情況，此時(shí)邊坡的安全因子代表著正常運(yùn)行期工況下邊坡的穩(wěn)定性。正常運(yùn)行期邊坡的穩(wěn)定性分析能為后文地下水位抬升時(shí)瞬態(tài)滲流工況下邊坡的穩(wěn)定性分析提供對比與驗(yàn)證，進(jìn)而論證“邊坡失穩(wěn)由地下水位抬高引起”這一根本觀點(diǎn)。

 

提取流固耦合模型的滲流場（見圖 6）。由圖 6 可知，ABAQUS 計(jì)算的滲流場較為合理，浸潤線為飽和土與非飽和土的分界線，基質(zhì)吸力曲線能夠合理地反映土體的非飽和特性。

 

 

（a）孔隙水壓力分布

 

 

（b）浸潤線

 

（c）飽和度

圖 6 滲流場

 

3.1.2 穩(wěn)定性分析

以下部邊坡坡頂為特征點(diǎn)，繪制特征點(diǎn)橫向位移 U1 和折減系數(shù) FV1 的關(guān)系曲線（見圖 7）。

 

由圖 7 可知，當(dāng)折減系數(shù)逐漸增大，特征點(diǎn)的橫向位移 U1 逐漸增大，當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到某一臨界值時(shí)，斷層土體進(jìn)入塑性破壞階段，U1～FV1 曲線出現(xiàn)陡降，此時(shí)的折減系數(shù) FV1=1.460 即為邊坡的安全因子，大于規(guī)范允許值，表明邊坡處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

 

 

圖 7 U1~FV1關(guān)系曲線

 

提取結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)的位移圖（見圖 8）和塑性區(qū)域云圖（見圖 9）。由圖 8、9 可知，隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增大，斷層土體迅速進(jìn)入塑性破化階段，土體變形急劇增大，左下方泥巖沿著石灰?guī)r上表面發(fā)生了近似剛體的橫向滑動。

 

 

（a）位移云圖

 

 

（b）位移矢量圖

圖 8 位移圖

 

 

圖 9 塑性區(qū)域云圖

 

3.2 地下水位抬高瞬態(tài)滲流分析

3.2.1 滲流分析

地下水位抬升會改變邊坡孔隙水壓力分布，進(jìn)而對邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響。建立不同地下水位差時(shí)的流固耦合模型，依據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，繪制地下水位差?z=1.0m 和 3.5m 時(shí)邊坡的滲流場（見圖 10、11）。由圖 10、11 可知，地下水位抬高對邊坡滲流場存在較大影響，差值越大，邊坡內(nèi)部浸潤線高度越高，飽和區(qū)域越大，最大孔隙水壓力越大。

 

 

圖 10 地下水變動后孔隙水壓力云圖

 

 

 

 

圖 11 地下水變動后飽和度云圖

 

3.2.2 穩(wěn)定性分析

地下水位抬升后，邊坡內(nèi)飽和區(qū)域范圍擴(kuò)大，孔隙水壓力提高，這對邊坡土體有兩方面影響。首先是飽和區(qū)域擴(kuò)大導(dǎo)致土體重度增大，下滑力提升。其次 ABAQUS 采用有效應(yīng)力法計(jì)算流固耦合模型，有效應(yīng)力對土體的強(qiáng)度指標(biāo)存在影響，而有效應(yīng)力σ=σs-σp（σs 為土內(nèi)應(yīng)力、σp為孔隙水壓力）。即相同土體參數(shù)下，地下水位越高，飽和區(qū)域越大，有效應(yīng)力越小，安全因子越低。

 

以下部邊坡坡頂為特征點(diǎn)，繪制 U1~FV1 關(guān)系曲線（見圖 12）；繪制安全因子與水位差值的關(guān)系曲線（見圖 13）。由圖 12、13 可知，地下水位差值對邊坡穩(wěn)定性存在影響，水位抬高后，邊坡內(nèi)部浸潤線升高，飽和區(qū)域增大，孔隙水壓力增加。進(jìn)而導(dǎo)致有效應(yīng)力減小，土體重度增大。

 

邊坡穩(wěn)定性與地下水位差值呈反比，地下水位差值越大，U1～FV1 曲線出現(xiàn)陡降現(xiàn)象越早，安全因子越低。

 

 

圖 12 不同地下水漲幅 U1~FV1 關(guān)系曲線

 

 

圖 13 安全因子與地下水位差值?z 關(guān)系曲線

 

提取地下水各差值下邊坡的位移矢量圖（見圖 14）;提取不同地下水位差值下邊坡的最大位移和最大塑性應(yīng)變（見表 2）。由圖 14 和表 2 可知，通過接觸算法來模擬泥巖和石灰?guī)r之間的相互作用較為合理，地下水位抬升后，邊坡發(fā)生了沿石灰?guī)r上表面的滑動，邊坡的變形與實(shí)際勘察報(bào)告一致。地下水位抬高前后差值對邊坡變形存在較大影響，當(dāng)差值增大，坡內(nèi)飽和區(qū)域變大，孔隙水壓力提高，導(dǎo)致土體重度增大、有效應(yīng)力減小，邊坡位移和塑性應(yīng)變明顯增大。

 

 

 

 

 

 

圖 14 地下水位變動后位移矢量圖

 

表 2 地下水位抬高后邊坡最大位移

 

 

3.3 斷層土體參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

前文計(jì)算結(jié)果表明，邊坡失穩(wěn)時(shí)的塑性破壞區(qū)域位于斷層處，斷層土體強(qiáng)度很大程度上決定了邊坡的穩(wěn)定性。本節(jié)采用定量分析方法分析夾層土體粘聚力 c、內(nèi)摩擦角φ以及泥巖和石灰?guī)r之間的摩擦系數(shù)μ對邊坡穩(wěn)定性的影響。

 

3.3.1 粘聚力影響分析

建立不同粘聚力時(shí)邊坡的流固耦合模型，以下部邊坡坡頂為特征點(diǎn)，繪制特征點(diǎn)橫向位移U1 和折減系數(shù) FV1 的關(guān)系曲線（見圖 15）；繪制安全因子與粘聚力的關(guān)系曲線（見圖 16）。由圖 15、16 可知，當(dāng)折減系數(shù)增大，土體強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)斷層土體大范圍進(jìn)入塑性破壞后，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生滑動失穩(wěn)，位移急劇增大，U1~FV1 曲線出現(xiàn)陡降現(xiàn)象。粘聚力 c 是土抗剪強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性存在較大影響。粘聚力 c 越高，土體抗剪強(qiáng)度越大，邊坡安全因子越高，U1~FV1 曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)越晚。邊坡安全因子與粘聚力近似呈線性正相關(guān)關(guān)系，隨著粘聚力增大，安全因子逐漸提高，邊坡趨于穩(wěn)定。

 

 

 

3.3.2 內(nèi)摩擦角影響分析

建立不同內(nèi)摩擦角下邊坡的流固耦合模型，繪制特征點(diǎn)橫向位移 U1 和折減系數(shù) FV1的關(guān)系曲線（見圖 17），繪制邊坡安全因子與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線（見圖 18）。由圖 17 可知，各摩擦角下 U1~FV1 曲線拐點(diǎn)較為接近，對邊坡安全因子影響較小。但摩擦角φ越大，拐點(diǎn)過后曲線越上揚(yáng)，表明邊坡破壞失穩(wěn)后，摩擦角控制著邊坡的位移大小。摩擦角越大，邊坡位移越小，摩擦角φ和橫向位移 U1 呈反比例關(guān)系。由圖 18 可知，摩擦角增大，土體抗剪強(qiáng)度增加，安全因子提升。

 

 

 

3.4 摩擦系數(shù)影響分析

本文采用接觸算法模擬泥巖和石灰?guī)r之間的相互作用,石灰?guī)r所提供的摩擦力抵抗了邊坡的整體滑動，對整體穩(wěn)定性起提升作用。計(jì)算不同摩擦系數(shù)下邊坡結(jié)構(gòu)的流固耦合模型，以下部邊坡坡頂為特征點(diǎn)，繪制特征點(diǎn)橫向位移和折減系數(shù)FV的關(guān)系曲線(見圖19);繪制安全因子與摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線(見圖20)。

 

由圖19可知，當(dāng)折減系數(shù)增大，土體強(qiáng)度降低，斷層土體逐漸進(jìn)入塑性破壞階段，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生滑動失穩(wěn)，位移急劇增大，~FV曲線出現(xiàn)陡降現(xiàn)象。ABAQUS根據(jù)摩擦定律T=LO 計(jì)算沿著兩面切線方向的接觸力,作用在接觸面上某點(diǎn)的法向應(yīng)力。等價(jià)于接觸面法線方向的土壓力。由土力學(xué)可知，當(dāng)土體物理參數(shù)相同時(shí)，不同摩擦系數(shù)下的邊坡土體在同一深度處土壓力基本相同，摩擦系數(shù)"決定了石灰?guī)r所提供摩擦力的上限，而摩擦力的上限決定了最大抗滑力。即摩擦系數(shù)μ越高，石灰?guī)r提供的摩擦力越大，U~F曲線陡降段出現(xiàn)越晚。

 

由圖20可知，邊坡安全因子與摩擦系數(shù)近似呈線性正相關(guān)。當(dāng)摩擦系數(shù)增大，石灰?guī)r上表面提供的摩擦力增大，對下滑力的抵抗作用提高，邊坡趨于穩(wěn)定，安全因子提升。當(dāng)摩擦系數(shù)從μ=0.224增大到0.424，邊坡安全因子從0.468增大到0.801，安全因子的提高較為顯著。

 

 

 

4.結(jié)論

本文運(yùn)用 ABAQUS 軟件建立了哈伯里滑坡的流固耦合模型，采用接觸算法模擬泥巖與石灰?guī)r之間的相互作用。使用強(qiáng)度折減法分析了正常運(yùn)行期和地下水位變動期邊坡的穩(wěn)定性，并采用定量分析的方法，開展了斷層土的粘聚力和摩擦角、泥巖與石灰?guī)r之間的摩擦系數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響研究。得到以下重要結(jié)論：

 

（1）邊坡在正常運(yùn)行期間的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求（Fs=1.460），有限元強(qiáng)度折減法能較好地運(yùn)用于邊坡穩(wěn)定性分析中。

 

（2）此次滑坡的主要原因是降雨引起的坡內(nèi)地下水位抬高，當(dāng)?shù)叵滤粡某跏?12m 位置抬升至 13m 時(shí)，安全因子 Fs 降至 0.94，邊坡趨于滑動失穩(wěn)狀態(tài)。地下水位漲幅對邊坡穩(wěn)定性存在較大影響，當(dāng)漲幅提高，邊坡安全因子迅速降低。

 

（3）斷層土體參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性存在較大影響，粘聚力對邊坡安全因子的影響較摩擦角更

為明顯。當(dāng)粘聚力增大，邊坡安全因子迅速提高。斷層土體在后期的修復(fù)加固時(shí)可選擇粘聚力較高的土體換填。

 

（4）本文所采用的接觸算法模擬泥巖與石灰?guī)r之間的相互作用合理可行，地下水位抬高后，

左下方泥巖發(fā)生了沿石灰?guī)r上表面的滑動，邊坡整體的變形趨勢與實(shí)際勘測資料較為一致。泥巖與石灰?guī)r之間的摩擦系數(shù)對邊坡穩(wěn)定性存在較大影響，當(dāng)摩擦系數(shù)增大，石灰?guī)r提供的摩擦力上限提高，對邊坡整體下滑里的抵抗作用提升，邊坡趨于穩(wěn)定。

 

資料來源：達(dá)索官方