基于ABAQUS有限元模型的邊坡變形破壞規律研究

于明明

(中國地質大學工程學院,湖北武漢 430074)

0 引 言

邊坡是工程建設中最常見的工程形式之一,邊坡的失穩破壞將嚴重影響工程建設的正常進行.目前,分析邊坡穩定性的方法主要有極限平衡法和數值分析法2種.本研究主要運用ABAQUS有限元數值模擬理論分析邊坡在不同的指標參數下的變形失穩規律,力求更加精確地量化分析各個指標對邊坡的穩定安全系數的影響程度.

1 影響邊坡穩定性因素

影響邊坡穩定性的因素有很多,主要有邊坡的坡高與坡角、巖土性質、巖層的構造與結構、水文地質條件、風化作用以及地震等,其中,巖土性質主要包括粘聚力及內摩擦角[1-2].

在本研究中,選取坡高、坡角、摩擦角及粘聚力4個影響因素作為邊坡穩定性研究的重點.一般來說,坡高與坡角越大,邊坡越容易發生失穩破壞,即邊坡的穩定安全系數越小;相反,摩擦角與粘聚力越大,邊坡越不容易發生失穩破壞,即邊坡的穩定安全系數就越大.

2 基于ABAQUS的實例應用

本研究選擇了一個典型均質土邊坡作為分析算例[3],該典型均質土邊坡如圖1所示.

邊坡的具體參數為:坡高10 m,邊坡坡角β=45°,土體容重γ為20 kN/m3,粘聚力C為12.38 kPa,摩擦角φ=20°.以該邊坡為算例已經被很多學者用不同方法驗證分析過,如用極限平衡法、有限差分法等[4-5],比如,按極限平衡法分析,本算例邊坡的穩定安全系數為1.0.

圖1 均質邊坡坡形示意圖

2.1 ABAQUS模擬結果合理性驗證

首先,采用ABAQUS軟件模擬該典型均質土邊坡,并分析其模擬計算結果的合理程度.模擬采用4節點平面應變單元,網格形狀為四邊形,劃分技術為掃描劃分[5],各模擬網格密度相同.同時,運用強度折減法原理和理想的彈塑性模型,屈服準則為Mohr-Coulomb判斷準則[6],且采用流動法則選取為非關聯,即不考慮剪脹角的影響.

其次,在模擬計算的后處理中,利用ABAQUS軟件中的Combine函數,繪出常變量FV1與頂部節點的水平位移U1的關系變化圖(見圖2).

圖2 折減系數與水平位移

根據圖2判定土質邊坡穩定性標準有2種[1]:數值計算不收斂作為判定土質邊坡穩定性的評價標準和位移拐點作為判定標準.2種判定標準分別對應于圖2上的場變量FV1為1.06和0.99,即對應的安全系數為1.06和0.99,不管采用哪一種標準作為判定準則,得到的安全系數都與運用極限平衡法得出的安全系數極為接近.表明該均質土邊坡可以運用ABAQUS軟件進行有限元模擬.

2.2 邊坡變形破壞規律

本研究在標準算例的基礎上采用單值變化的研究方法及位移拐點判斷標準,分析坡高、坡角、摩擦角與粘聚力4種因素對邊坡穩定性的影響程度,從而得出邊坡變形破壞的內在規律.

2.2.1 坡高H對穩定安全系數影響.

在其他數據不變的情況下,分別對土質邊坡坡高賦予6 m、8 m、10 m、12 m、14 m數值進行有限元模擬,模擬結果如表1與圖3所示.

表1 不同坡高下邊坡的穩定安全系數

圖3 坡高—安全系數走勢

從圖3可見,在其他條件不變的情況下,邊坡的穩定安全系數隨著坡高的增加而減小.6～12 m坡高的穩定安全系數的減小趨勢基本呈線性減小,這段坡高對穩定安全系數的影響比重大;12 m之后減小趨于平緩,此時土體的其他指標將對穩定安全系數的影響起到主導作用,邊坡高度的影響相對較小.

2.2.2 坡角β對穩定安全系數影響.

在其他數據不變的情況下,分別對土質邊坡坡角β分別賦予35°、40°、45°、50°、55°數值進行有限元模擬計算.計算結果如表2與圖4所示.

表2 不同坡角下邊坡的穩定安全系數

圖4 坡角—安全系數走勢

由圖4可見,在其他條件不變的情況下,邊坡的穩定安全系數隨著坡角的增加逐漸減小,而減小的幅度隨著角度的增加而逐漸增加,當坡角大于50°時穩定安全系數的減小更加明顯.

2.2.3 摩擦角Φ對穩定安全系數影響.

在其他數據不變的情況下,對土質邊坡摩擦角分別賦予10°、15°、20°、25°、30°數值進行有限元模擬計算.計算結果如表3與圖5所示.

表3 不同摩擦角下邊坡的穩定安全系數

圖5 摩擦角—安全系數走勢

由圖5可見,其他條件不變的情況下,邊坡的穩定安全系數隨摩擦角的增加而增加,增加過程中有小幅度波動,但是整個趨勢為線性遞增關系.

2.2.4 粘聚力C對穩定安全系數影響.

在其他數據不變的情況下,對土質邊坡粘聚力分別賦予6.38 kPa、9.38 kPa、12.38 kPa、15.38 kPa、18.38 kPa數值進行模擬計算.計算結果如表4與圖6所示.

表4 不同粘聚力下邊坡的穩定安全系數

由圖6可見,其他條件不變的情況下,邊坡的穩定安全系數隨著粘聚力的增加而增加,但增加過程中稍有不同,呈小幅度“S”曲線形態,即在粘聚力處于較小值時,穩定安全系數增加較大,粘聚力處于較大值時,穩定安全系數增加較小,這種情況下,可以解釋為邊坡其他因素對邊坡的穩定安全系數影響比重在上升.

圖6 粘聚力—安全系數走勢

3 結 語

采用ABAQUS有限元分析軟件,通過量化的各個邊坡指標中各因素對邊坡穩定性的影響分析,得出的結論與實際經驗中獲得的結果趨勢一致[2],即隨著邊坡的坡高、坡角的增加,邊坡的穩定安全系數逐漸降低;而隨著粘聚力、內摩擦角的增加,邊坡的穩定安全系數逐漸增加.

[1]趙明階,何光村,王多垠.邊坡工程處治技術[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]劉佑榮,唐輝明.巖體力學[M].北京:化學工業出版社, 2008.

[3]費康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[4]李春忠,陳國興,樊有維.基于ABAQUS的強度折減有限元邊坡穩定性分析[J].防災減災工程學報,2006,26(2): 207-212.

[5]趙尚毅,鄭穎人,時衛民,等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數[J].巖土工程學報,2002,24(3):343-346.

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[7]莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京:清華大學出版版社,2009.