應(yīng)變軟化土坡基于分層技術(shù)的有限元計(jì)算

樂巧麗

（貴州民族大學(xué) 建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550000）

對于應(yīng)變軟化邊坡來說，滑動面上各土體的強(qiáng)度不會同時達(dá)到峰值強(qiáng)度，部分土單元先達(dá)到峰值強(qiáng)度，發(fā)生局部破壞，而破壞后的土單元發(fā)生了軟化現(xiàn)象。以H8邊坡為例，利用ABAQUS軟件建立計(jì)算模型，通過分層技術(shù)考慮應(yīng)變軟化性質(zhì)，再采用強(qiáng)度折減有限元法計(jì)算出結(jié)果，與采用峰值強(qiáng)度指標(biāo)和殘余強(qiáng)度指標(biāo)的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，分析評價該邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程概況

H8邊坡坡度為30°～55°，水文地質(zhì)條件較簡單，沒有不良的地質(zhì)現(xiàn)象。該處的地層主要包括：①坡積層，以礫粉質(zhì)黏土為主；②滑坡堆積層，大多數(shù)是粉質(zhì)黏土，結(jié)構(gòu)松散；③沖積層，含有砂黏性土、黏土。

2 模型的建立

根據(jù)H8邊坡的勘察資料，用ABAQUS軟件建立邊坡模型，如圖1所示。模型中的土層參數(shù)為：重度γ=20 kN/m3，E=50 MPa，μ=0.3，cp=20.6 kPa，φp=25°，cr=5 kPa，φr=25°。

3 有限元計(jì)算

3.1 采用峰值強(qiáng)度指標(biāo)的有限元計(jì)算

通過ABAQUS軟件建立如圖1所示的邊坡模型，模擬計(jì)算時將土體強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)置為cp=20.6 kPa，φp=25°，采用摩爾—庫倫模型，采用強(qiáng)度折減有限元法進(jìn)行計(jì)算。

選擇坡頂節(jié)點(diǎn)為分析節(jié)點(diǎn)，模擬結(jié)果顯示，坡頂節(jié)點(diǎn)的總位移U、水平位移U1及豎直位移U2和安全系數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示。

從圖2可知，當(dāng)安全系數(shù)為1.231時發(fā)生了位移突變。利用邊坡失穩(wěn)判據(jù)可知，該邊坡的安全系數(shù)Fs=1.231。

3.2 采用殘余強(qiáng)度指標(biāo)的有限元計(jì)算

同樣，利用ABAQUS軟件建立圖1所示的邊坡模型，模擬計(jì)算時土體強(qiáng)度指標(biāo)采用cr=5 kPa，φr=25°，其余代入的參數(shù)與3.1中的相同，進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)增量步時間t=0.152 s時，模擬計(jì)算就不收斂了，利用計(jì)算不收斂失穩(wěn)判據(jù)，可得該邊坡的安全系數(shù)Fs=0.728。

3.3 考慮應(yīng)變軟化性質(zhì)的有限元計(jì)算

利用ABAQUS軟件建立模型圖，如圖3所示。

圖3 自重作用下邊坡的塑性應(yīng)變圖

模型中參數(shù)的設(shè)置與3.1節(jié)相同，利用有限元模擬出邊坡在自重作用下產(chǎn)生的PEEQ（塑性應(yīng)變）。

PEEQ（Avg：75%）改為塑性應(yīng)變（平均值為75%）

從圖3可看出，局部土體在自重作用下產(chǎn)生了較大的變形，發(fā)生了軟化現(xiàn)象。為了考慮應(yīng)變軟化性質(zhì)對邊坡穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)對發(fā)生了軟化的局部土體進(jìn)行分層處理，如圖4所示。其中，②③層視為軟化層，各層的材料參數(shù)根據(jù)等效塑性應(yīng)變的大小進(jìn)行相應(yīng)的取值，如表1所示。

圖4 分層后的邊坡模型圖

表1 土層的材料參數(shù)

利用強(qiáng)度折減有限元法模擬分析圖4所示的邊坡。坡頂節(jié)點(diǎn)的水平位移U1和安全系數(shù)Fs之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 坡頂節(jié)點(diǎn)的U1和Fs曲線圖

從圖5可看出，在安全系數(shù)為1.187時，坡頂節(jié)點(diǎn)處發(fā)生了位移突變現(xiàn)象，因此可知，該邊坡的安全系數(shù)為1.187。

4 結(jié)論

通過上述的有限元模擬計(jì)算，分別獲得了三種情況下的邊坡安全系數(shù)，如表2所示。從表2看出，采用峰值強(qiáng)度情況計(jì)算得到的安全系數(shù)最大，容易高估邊坡邊坡的穩(wěn)定性；采用殘余強(qiáng)度情況計(jì)算的安全系數(shù)最小，容易低估邊坡的穩(wěn)定；而考慮應(yīng)變軟化情況計(jì)算得到的安全系數(shù)介于兩者之間，與邊坡的實(shí)際情況更相符，可以更好地評價邊坡的穩(wěn)定性。

表2 基于三種情況下的安全系數(shù)