材料參數變異性對堆渣體沉降變形影響的數值模擬研究

車南雪

(河北省子牙河務中心，河北 衡水 053000)

1 研究背景

水資源短缺和時空分布不均已經成為制約我國經濟社會發展的重要因素。為了解決這一問題，加大水利工程建設力度就成為重要的工程技術措施。顯然，在水利工程建設過程中，一般需要進行大量的土石方開挖，并產生數量巨大的棄渣。棄渣場作為棄渣的集中堆放地就成為水利工程建設的重要配套設施，需要占用大量的土地資源[1]。棄渣場堆積體的坡度越大，其占地面積越小，就可以產生明顯的經濟效益和生態環境效益[2]。當然，棄渣一般是由比較松散的碎石和土體構成，因此，棄渣堆積體的邊坡具有非飽和、欠密實和多孔隙的特點，穩定性差，容易發生滑坡、泥石流等地質災害，并產生嚴重的經濟損失和社會影響[3]。遼寧蒲石河抽水蓄能電站是我國東北地區興建的最大抽水蓄能電站，根據工程設計和施工場地特點，需要進行數量巨大的土石方開挖。為了堆放施工棄渣，工程項目部在上水庫庫盆、下水庫庫盆、六道坎和泉眼溝等地方設置了四處渣場。其中，設計堆渣量最大的是六道坎渣場，預計其堆渣量將達到34.56萬m3，屬于大型渣場，研究堆渣體的穩定性具有十分重要的意義[4]。

隨著計算機技術的迅速發展，數值模擬已經成為邊坡穩定性研究的重要方法，得到了十分廣泛的應用。顯然，數值模擬計算結果的科學性和準確性會受到多種因素，特別是棄渣材料參數的影響。另一方面，對棄渣堆積體邊坡而言，沉降變形又是邊坡變形破壞的重要表征參數，對研究棄渣體邊坡的穩定性具有重要意義[5]。基于此，本研究以六道坎渣場棄渣堆積體邊坡為例，利用數值模擬的方法研究材料參數的變異性對堆渣體沉降變形影響，以期為相關研究和具體的工程設計提供一定的理論借鑒。

2 ABAQUS模型的構建

2.1 計算模型的構建

ABAQUS是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，其解決問題的范圍由相對簡單的線性分析逐步拓展到復雜的非線性問題領域。同時，該軟件還可以根據不同的模型參數對模型進行調整，而不必重新進行計算模型的構建，對此次研究十分有利。因此，選擇ABAQUS軟件進行計算模型的構建。

根據工程渣土場的實際勘測資料，設置二維有限元計算模型的長度為82.78 m，總坡高為45 m。對構建的幾何模型采用CPE4P網格單元劃分[6]，該單元為四節點平面應變四邊形單元，具有雙線性位移和雙線性孔壓，將各邊統一為步種，最終劃分為5827個計算單元，4464個計算節點。

圖1 有限元模型示意圖

在ABAQUS中提供了鄧肯模型、摩爾-庫倫模型等多種土體本構模型，由于摩爾-庫倫模型能夠有效凸顯其抗剪強度的不同，更為貼近渣土材料的屈服特征，因此研究中選擇摩爾-庫倫模型[7]。為了簡化計算模型和考慮計算的效率，僅考慮渣土材料的物理力學性質，其容重為23 kN/m3，泊松比為0.28，黏聚力為22.2 MPa，內摩擦角為27.1°，彈性模量為382 MPa。

2.2 邊界條件和計算荷載

結合工程的實際情況，對構建的各個表面施加如下邊界條件：對模型的兩側施加水平位移約束；對模型的底部施加豎向和水平位移約束[8]。除了施加位移約束之外，在模型的各邊界還需要施加荷載，以準確反映邊坡的初始應力狀態。在荷載施加之后，需要對模型進行初始地應力平衡。首先需要建立靜力分析步，將時間設置為10 h，然后在Load模塊中對分析區域施加10 kN的重力荷載，從而計算構建的模型在重力作用下的應力應變情況，最終完成地應力平衡。

2.3 計算方案

相關研究結果顯示，堆渣體邊坡的豎向位移變形是影響其穩定性的重要表征量。因此，研究中利用構建的有限元模型對不同計算方案下的邊坡豎向位移量進行模擬計算，以獲取模型參數變異系數對邊坡穩定性的影響。結合背景工程的實際情況以及模型參數的特點，研究中保持渣土體材料的容重和泊松比不變，選擇黏聚力、內摩擦角以及彈性模量作為變異參數進行研究。為了表示參數的變異性，對每種參數均設置了0.2、0.4、0.6、0.8和1.0等5個不同的變異系數，利用構建的模型對不同變異系數下的邊坡豎向位移進行模擬計算，根據計算結果，探討參數變異性對豎向位移的影響。

3 計算結果與分析

3.1 彈性模量

利用構建的有限元模型，對不同彈性模量變異系數下的堆渣體邊坡豎向位移進行模擬計算，從計算結果中提取典型高程部位的豎向位移值計算結果，繪制出如圖2所示的不同彈性模量變異系數下的豎向位移變化曲線。由圖2可知，在不同的變異系數下，堆渣體邊坡下部的豎向位移值基本相同，說明材料參數的變異性對邊坡底部的豎向位移影響不大。究其原因，邊坡底部受巖石地基的約束作用較強，豎向位移的變化并不明顯。不同變異系數下沉降位移最大值和變化速率的計算結果如表1所示。由表1中的計算結果可知，當變異系數較小時，其變異性對沉降變形的影響較小，隨著變異系數的增大，沉降值的變化速率也逐漸增大。例如，當變異系數為0.2時，豎向位移的變化速率為5.99%，當變異系數為1.0時，豎向位移的變化速率增加到15.34%。

圖2 不同彈性模型變異系數豎向位移變化曲線

表1 不同彈性模量變異系數豎向位移最大值及變化速率

3.2 內摩擦角

利用構建的有限元模型，對不同內摩擦角變異系數下的堆渣體邊坡豎向位移進行模擬計算，從計算結果中提取典型高程部位的豎向位移值計算結果，繪制出如圖3所示的不同內摩擦角變異系數下的豎向位移變化曲線。由圖2可知，在不同的變異系數下，堆渣體邊坡下部的豎向位移值的變化特征與彈性模量相似，變異系數對邊坡底部豎向位移的影響較小，對邊坡中上部的影響相對較大。不同變異系數下沉降位移最大值和變化速率的計算結果如表2所示。由表2中的計算結果可知，變異系數越大，對邊坡豎向位移的影響也越大。例如，當變異系數為0.2時，豎向位移的變化速率為3.01%，當變異系數為1.0時，豎向位移的變化速率增加到12.50%。此外，與彈性模量的計算結果相比，在相同變異系數條件下，內摩擦角的變異性對邊坡豎向位移的影響相對較小。例如，在彈性模量變異系數為1.0時，豎向位移的變化速率為15.34%，在內摩擦角變異系數為1.0時，豎向位移的變化速率為12.50%。由此可見，豎向位移對內摩擦角的敏感性相對較低。

表2 不同內摩擦角變異系數豎向位移最大值及變化速率

圖3 不同內摩擦角變異系數豎向位移變化曲線

3.3 黏聚力

利用構建的有限元模型，對不同黏聚力變異系數下的堆渣體邊坡豎向位移進行模擬計算，從計算結果中提取典型高程部位的豎向位移值計算結果，繪制出如圖4所示的不同黏聚力變異系數下的豎向位移變化曲線。由圖4可知，在不同的變異系數下，堆渣體邊坡下部的豎向位移值的變化特征與內摩擦角和彈性模量相似，變異系數對邊坡底部豎向位移的影響較小，對邊坡中上部的影響相對較大。不同變異系數下沉降位移最大值和變化速率的計算結果如表3所示。由表3中的計算結果可知，與內摩擦角和彈性模量類似，變異系數越大對邊坡豎向位移的影響也越大。此外，與彈性模量和內摩擦角的計算結果相比，在相同變異系數條件下，黏聚力的變異性對邊坡豎向位移的影響相對較小，三個變量中豎向位移對黏聚力的敏感性最低。

圖4 不同黏聚力變異系數豎向位移變化曲線

表3 不同黏聚力變異系數豎向位移最大值及變化速率

4 結 論

(1)材料的彈性模量、黏聚力和內摩擦角的變異性對堆渣體邊坡下部的豎向位移值影響不大，對中部和上部的位移影響較為顯著。

(2)材料參數的變異系數越大，邊坡豎向位移的變化速率越快，說明材料參數的變異性越大，對邊坡豎向位移的影響也越大。

(3)從彈性模量、黏聚力和內摩擦角對豎向位移的影響對比來看，彈性模量的影響最大，內摩擦角次之，黏聚力的影響最小。