基于ABAQUS有限元模型的边坡变形破坏规律研究

于明明

(中国地质大学工程学院,湖北武汉 430074)

0 引 言

边坡是工程建设中最常见的工程形式之一,边坡的失稳破坏将严重影响工程建设的正常进行.目前,分析边坡稳定性的方法主要有极限平衡法和数值分析法2种.本研究主要运用ABAQUS有限元数值模拟理论分析边坡在不同的指标参数下的变形失稳规律,力求更加精确地量化分析各个指标对边坡的稳定安全系数的影响程度.

1 影响边坡稳定性因素

影响边坡稳定性的因素有很多,主要有边坡的坡高与坡角、岩土性质、岩层的构造与结构、水文地质条件、风化作用以及地震等,其中,岩土性质主要包括粘聚力及内摩擦角[1-2].

在本研究中,选取坡高、坡角、摩擦角及粘聚力4个影响因素作为边坡稳定性研究的重点.一般来说,坡高与坡角越大,边坡越容易发生失稳破坏,即边坡的稳定安全系数越小;相反,摩擦角与粘聚力越大,边坡越不容易发生失稳破坏,即边坡的稳定安全系数就越大.

2 基于ABAQUS的实例应用

本研究选择了一个典型均质土边坡作为分析算例[3],该典型均质土边坡如图1所示.

边坡的具体参数为:坡高10 m,边坡坡角β=45°,土体容重γ为20 kN/m3,粘聚力C为12.38 kPa,摩擦角φ=20°.以该边坡为算例已经被很多学者用不同方法验证分析过,如用极限平衡法、有限差分法等[4-5],比如,按极限平衡法分析,本算例边坡的稳定安全系数为1.0.

图1 均质边坡坡形示意图

2.1 ABAQUS模拟结果合理性验证

首先,采用ABAQUS软件模拟该典型均质土边坡,并分析其模拟计算结果的合理程度.模拟采用4节点平面应变单元,网格形状为四边形,划分技术为扫描划分[5],各模拟网格密度相同.同时,运用强度折减法原理和理想的弹塑性模型,屈服准则为Mohr-Coulomb判断准则[6],且采用流动法则选取为非关联,即不考虑剪胀角的影响.

其次,在模拟计算的后处理中,利用ABAQUS软件中的Combine函数,绘出常变量FV1与顶部节点的水平位移U1的关系变化图(见图2).

图2 折减系数与水平位移

根据图2判定土质边坡稳定性标准有2种[1]:数值计算不收敛作为判定土质边坡稳定性的评价标准和位移拐点作为判定标准.2种判定标准分别对应于图2上的场变量FV1为1.06和0.99,即对应的安全系数为1.06和0.99,不管采用哪一种标准作为判定准则,得到的安全系数都与运用极限平衡法得出的安全系数极为接近.表明该均质土边坡可以运用ABAQUS软件进行有限元模拟.

2.2 边坡变形破坏规律

本研究在标准算例的基础上采用单值变化的研究方法及位移拐点判断标准,分析坡高、坡角、摩擦角与粘聚力4种因素对边坡稳定性的影响程度,从而得出边坡变形破坏的内在规律.

2.2.1 坡高H对稳定安全系数影响.

在其他数据不变的情况下,分别对土质边坡坡高赋予6 m、8 m、10 m、12 m、14 m数值进行有限元模拟,模拟结果如表1与图3所示.

表1 不同坡高下边坡的稳定安全系数

图3 坡高—安全系数走势

从图3可见,在其他条件不变的情况下,边坡的稳定安全系数随着坡高的增加而减小.6～12 m坡高的稳定安全系数的减小趋势基本呈线性减小,这段坡高对稳定安全系数的影响比重大;12 m之后减小趋于平缓,此时土体的其他指标将对稳定安全系数的影响起到主导作用,边坡高度的影响相对较小.

2.2.2 坡角β对稳定安全系数影响.

在其他数据不变的情况下,分别对土质边坡坡角β分别赋予35°、40°、45°、50°、55°数值进行有限元模拟计算.计算结果如表2与图4所示.

表2 不同坡角下边坡的稳定安全系数

图4 坡角—安全系数走势

由图4可见,在其他条件不变的情况下,边坡的稳定安全系数随着坡角的增加逐渐减小,而减小的幅度随着角度的增加而逐渐增加,当坡角大于50°时稳定安全系数的减小更加明显.

2.2.3 摩擦角Φ对稳定安全系数影响.

在其他数据不变的情况下,对土质边坡摩擦角分别赋予10°、15°、20°、25°、30°数值进行有限元模拟计算.计算结果如表3与图5所示.

表3 不同摩擦角下边坡的稳定安全系数

图5 摩擦角—安全系数走势

由图5可见,其他条件不变的情况下,边坡的稳定安全系数随摩擦角的增加而增加,增加过程中有小幅度波动,但是整个趋势为线性递增关系.

2.2.4 粘聚力C对稳定安全系数影响.

在其他数据不变的情况下,对土质边坡粘聚力分别赋予6.38 kPa、9.38 kPa、12.38 kPa、15.38 kPa、18.38 kPa数值进行模拟计算.计算结果如表4与图6所示.

表4 不同粘聚力下边坡的稳定安全系数

由图6可见,其他条件不变的情况下,边坡的稳定安全系数随着粘聚力的增加而增加,但增加过程中稍有不同,呈小幅度“S”曲线形态,即在粘聚力处于较小值时,稳定安全系数增加较大,粘聚力处于较大值时,稳定安全系数增加较小,这种情况下,可以解释为边坡其他因素对边坡的稳定安全系数影响比重在上升.

图6 粘聚力—安全系数走势

3 结 语

采用ABAQUS有限元分析软件,通过量化的各个边坡指标中各因素对边坡稳定性的影响分析,得出的结论与实际经验中获得的结果趋势一致[2],即随着边坡的坡高、坡角的增加,边坡的稳定安全系数逐渐降低;而随着粘聚力、内摩擦角的增加,边坡的稳定安全系数逐渐增加.

[1]赵明阶,何光村,王多垠.边坡工程处治技术[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]刘佑荣,唐辉明.岩体力学[M].北京:化学工业出版社, 2008.

[3]费康,张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[4]李春忠,陈国兴,樊有维.基于ABAQUS的强度折减有限元边坡稳定性分析[J].防灾减灾工程学报,2006,26(2): 207-212.

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[7]庄茁.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京:清华大学出版版社,2009.