地下水滲流作用下邊坡穩定性及變形規律

鄧燕東

摘要： 在進行施工建設中，往往需要開掘，對于這種情況要考慮到地下水滲流對邊坡造成的影響，從而對邊坡進行加固。本文便是通過目前世界范圍內廣泛使用的限元法來對邊坡坡形的變化問題做出解決，同時對以往中此類問題的解決方法給出分析以及結論，并將數學分析的方法與ABAQUS軟件模擬進行結合使用，這是對以往處理方法的改進，能夠幫助我們更清晰、更精確的分析出邊坡因為地下水滲流而造成的邊坡形變情況。以便我們在精確的數據統計情況下對形變問題做出合理解決。

Abstract： In the construction， it is often necessary to dig， for this situation the impact of groundwater seepage on the slope should be taken into account， so as to strengthen the slope. This paper deals with the problem of slope change through the finite element method which is widely used in the world， at the same time gives the analysis and conclusion of the solution to the problem in the past， and combines the method of mathematical analysis and ABAQUS software simulation， which is the improvement of the previous treatment methods， can help us more clearly and accurately analyze the slope deformation caused by groundwater seepage， so that we make a reasonable solution on the deformation in the case of accurate data statistics.

關鍵詞： 地下水位；邊坡；安全系數；位移

Key words： groundwater level；slope；safety factor；displacement

中圖分類號：U416.1+4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）24-0146-02

0 引言

通過實際考察發現，基坑邊坡不穩的情況往往是由多種因素共同影響所造成的，在這些影響因素中，地下水的影響是最為嚴重的。這就涉及到對基坑的排水處理問題，否則會造成基坑不穩，更嚴重的甚至會引發工程事故。所以說對于施工建設中的基坑排水問題處理是關乎整個工程建設的大問題。分析出地下水是以何種形式進行滲透，加強對基坑邊坡的加固以及分析地下水滲流對基坑邊坡穩定性的影響，對于工程建設意義重大。

1 國內外對于滲流理論的研究

1.1 結合工程—實驗方法的初期階段

一九五六年Henry Darcy通過觀察分析出水對于均質砂的滲透規律，并以此總結出Darcy定律，宣告著人們對于滲透理論的研究開始，并為滲透理論奠定了基礎，隨著科研的進步，這種理論漸漸展現出它的不足，穩定滲流理論僅是描述了靜態下水的滲透，并未以時間作為參考線，這使得該理論存在一定的局限性。這屬于古典滲流理論范疇。

1.2 以解析數學方法研究的發展階段

一九零四年起，人們開始使用微積分方程來計算地下水流對于邊坡的影響，直到一九二八年，O.E.Meinzer發現地下水是不穩定的，并且在承壓的部分會含有更多的水分，一九三五年C，V，Theis創造了對于不穩定滲水的計算公式，這些計算方法的更新都意味著人們對滲水有了更深的研究，對滲水而造成的邊坡不穩定奠定了計算基礎。直到今天，人們對于地下水滲流有了更多的數學計算方法，并在工程建設中被廣泛使用。

1.3 通過數學模擬深化研究

隨著數字模擬技術的發展，人們逐漸將這種方法應用于各個領域，在研究地下水滲流中也有應用，通過這種方法，人們能了解到滲流對于邊坡影響的各種細節，并以此來尋找其與邊坡穩定之間的規律，這使得人們在研究地下水滲流作用中取得了巨大成果。

2 對于地下水滲流引起的基坑穩定性研究現狀

在世界范圍內，人們在這方面的研究，已經取得了很好的成績，但國內并未有太多研究結果，沈珠江和張誠厚使用耦合變形分析對邊坡的水滲流進行了相關研究，在一九九六年羅曉輝對定常及非定常情況下水滲流對邊坡影響展開相關研究，而相對于國內，國外的相關研究已經趨于成熟。

3 強度折減有限元法

隨著電子技術的廣泛應用，人們可以應用有限元計算技術來研究邊坡的穩定性。

3.1 強度折減的概念

在當今社會人們常使用的方法是使材料支撐度不變，提高負載，求出支撐度的臨界系數，或者負載不變減少材料的支撐度，這兩種方法的實質是相同的。強度折減方法是在一九七五年被提出，其內容為：在支撐度恒定狀態下，邊坡的抗剪度和實際剪應力的比值。

3.2 強度折減法的原理

其方法原理是把邊坡土質的支撐度C和Φ比上折減系數F，算出比值C′和Φ′，然后將比值使用有限元的方法再進行計算，假如邊坡土質合格，則F就是邊坡的穩定系數極小值，這是土質支撐力的臨界點；C′和Φ′可通過以下公式求得：C′=C/F；Φ=arctan（tanΦ/F）。

4 ABAQUS軟件分析基坑邊坡穩定性

ABAQUS軟件一種常用的工程建設分析軟件，他可以對不同建設工程中復雜的幾何邊緣進行建模，無論是線性或非線性問題，ABAQUS軟件都能進行建模分析。

ABAQUS軟件的使用范圍甚廣，能解決不同條件下的結構問題，其處理結果簡單易懂，當加大邊坡的承壓力時，觀察土質邊坡是否發生破壞，若未發生破壞則繼續加壓，直至土質邊坡產生形變，此時土質邊坡所承受的壓力即為其承壓的臨界點。將ABAQUS軟件應用于土質邊坡承重的研究中，能夠更快捷更方便地發現問題所在點，從而找出解決辦法。在處理土質變形的問題中使用該軟件能夠得到更清晰的分析結果。

5 滲流場和應用力場耦合的有限元分析

土質結構中若存在水分，則會形成水壓，從而造成土質顆粒的不平衡，影響土質結構，這對于工程建設是非常不利的。所以減少建設地周圍的地下水位，改變土質應力，加強土質邊坡結構，這對于基坑的穩定性以及工程建設是非常重要的。

要研究水位變化對于應力場的影響，高度重視水位對應力場造成的變化，記錄數據，通過有限元的方法進行分析。

自一九六零年起，各領域的學者已經開始應用耦合分析的方法來進行土質工程的研究，尤其是在進行水壩建設的過程中，耦合分析法被廣泛使用，這對于保證水壩的堅固度、使用壽命以及工作效率有很大的影響。

在不能完全觀察清楚水流動態的情況下，要采取假想水流的方法來進行研究，通過假想來模擬真正水流的動態，假想水流法兼備下列性質：

第一，通過切面的水流量應該與實際流量相符，而實際流量是可以通過測算得出的。第二，假想水流的切面壓力應該與實際相符，通過檢測可得到真實切面水壓。假想水流在流動過程中所受阻力應與真實情況相符。

符合以上要求的假想水流，才能做到模擬真實，我們將假想水流簡稱為滲流，把假想水流所通過的區域命名為滲流場。

①滲流種類：

1）穩定滲流：這種是針對于水頭以及水流速度，不因時間而變化的情況。2）非穩定滲流：這是區別與穩定滲流的一種情況，其水頭和水流速度均以時間的變化而變化。

②水力梯度。

在出現水流的區域往往不同點的水壓存在差別，水流根據水壓的不同從壓力較高區域流向低壓區域，我們將這種區域間的壓力差稱之為水力梯度。

③滲流量。

滲流量即單位時間內通過水流滲透切面的水流量，我們將之稱為滲流量。

④滲透力。

滲透力簡單來說就是通過滲透面的水壓，在水流通過土質結構顆?？障兜臅r候，會對土質結構形成相應壓力，它的大小與土質結構所產生的阻力相同，我們將這種有由于土質結構對滲透水流所產生的壓力稱之為滲透力。

⑤滲流場與應力場耦合分析。

在進行工程建設中，往往需要降低施工區域水位，在這個過程中滲透力、水力梯度以及其它因素也會隨之而改變，這種變化會導致土質結構的滲流場和應力場隨之改變，面對這種變化，使用滲流場與應力場的耦合分析方法往往會得到更有效的結果。

6 基坑降水滲流場的耦合性狀分析

在水壩建設，工程深挖的問題都能夠使用滲流場的耦合分析來進行解決只有在問題相對容易處理的情況下，我們才會采取其他措施來進行問題的解決，例如穩流狀況。對于許多的工程建設，存在兩種解決方法，一種是使用假設水流的方法，將復雜的實際問題簡化，從而更簡單地對問題進行處理；另一種是通過計算機手段對各種影響因素進行模擬。模擬常使用固定單元模擬或邊界單元模擬的方法，目前使用最為廣泛的是固定單元模擬的方法。

基坑降水所形成的滲流場以及應力場是一種不均勻、不平滑的土質切面，對于這種難以解決的問題，通常要進行ABAQUS軟件模擬。

7 地下水滲流作用下的邊坡穩定性分析

在進行工程挖掘時往往會遇到某些地方地下水位較高的情況，并且高水位會形成較大的滲透力，這會對挖掘區域的應力場造成影響，所以在進行計算的時候要考慮水壓、土壓以及邊坡的側壓力，如果情況嚴重甚至會造成地表下沉。通過分析以往的施工建設事故案例發現，大部分事故都是由于滲流所引起的，因此做好滲流情況的處理對于施工建設的意義重大，盡可能在進行施工之前，對區域內的各種因素進行勘察，以求施工的安全性，減少事故的發生幾率。

現今社會對于滲流分析使用最為廣泛的是數學建模的方法，其方法主要有有限差分法和限元法，在處理坡面條件相對簡單的情況可以使用有限差分法，但在面對坡面條件相對復雜的情況時就要使用限元法來進行解決。本文是結合使用ABAQUS軟件和數學分析的方法對于邊坡穩定情況進行問題的解決，使用這種方法的優點在于方法簡潔、結果明了。

8 結束語

通過本文總結，可以使讀者清晰地了解對于水滲流情況下的邊坡穩定情況，以及這種情況的以往解決辦法和現今的解決辦法，以往的處理辦法主要是針對穩定水流的情況，隨著數學分析的發展以及電子技術的進步，我們有了更理想、更先進的解決辦法，即強度折減有限元法以及應用ABAQUS軟件模擬的方法。對于邊坡的變形規律，我們可以通過軟件模擬來清楚的再現邊坡的變化，從而做到提前防護，施工保護以及時候維護。通過各種先進技術的優勢，在未來的施工環境將會更加安全。

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