基于ABAQUS软件的高水位下的边坡稳定性分析

刘 岩

(重庆交通大学 重庆 400074)



基于ABAQUS软件的高水位下的边坡稳定性分析

刘 岩

(重庆交通大学 重庆 400074)

边坡在水库高水位的稳定性分析可以利用ABAQUS有限元软件的流固耦合功能，采用有限元强度折减法，能准确地求得边坡的安全系数。利用CAE后处理技术，结合边坡失稳的判断依据，能直观的揭示边坡临界状态下最危险滑动面的位置和形状，为实际工程提供了可靠的依据。

流固耦合；有限元；渗流场；边坡稳定

一、引言

目前，关于边坡稳定问题的研究已经很多。张鲁渝[1]等论证了有限元强度折减法在边坡稳定分析中的可行性。陈远川[2]认为土的内摩擦角φ和黏聚力C对边张晓咏[3]、章广成[4]等认为土壤的渗透系数会显著影响边坡稳定。复杂的自然条件下的边坡稳定性计算主要基于强度折减法，该法避免了条分法的缺点，结合计算机技术的兴起，使得很多复杂问题得以解决，在CAE后处理中能准确显示出临界条件下的滑移面，为工程问题提供了有效的解决手段。在水库运行的过程中，水位随时间的变化，在边坡稳定计算中应考虑水的渗流作用，本文基于ABAQUS计算高水位下的边坡安全系数，得到水位的升高有利于边坡的稳定。

二、有限元强度折减法

强度折减法即在理想弹塑性有限元计算中，将边坡土体的C、φ值同时除以一个折减系数Fv，得到一组新的C′、φ′，然后作为新的参数带入有限元中进行试算，多次计算后，直到土体达到临界状态标准，如式1所示：

(1)

在达到临界状态时，赵尚毅等[1]判断边坡失稳的标准有以下几种：

(1)有限元软件在折减分析步中，土体参数在规定的迭代次数内不能收敛。

(2)超过某一幅值的广义剪应变或等效塑性应变形成贯通带。

(3)塑性区由坡脚开展贯通至坡顶。

上述三种方法均可作为判断边坡失稳的依据，在实际工程里，大多将三者结合考虑。

三、实例与数据分析

(一)计算实例

某边坡为均质边坡，坡高20m，坡比为1:1，填土的内摩擦角为17°，粘聚力为42KPa，弹性模量为10MPa，泊松比为0.3，渗透系数为k=10-7m/s。有限元模型采用孔压-位移耦合的CPE4P四边形平面应变单元，假定底部边界为不透水边界，两侧为透水边界，左侧水位高度为15m，ABAQUS模型如图1所示：

图1 有限元模型网格划分

(二)数据分析

高水位下的边坡渗流场如图2所示：

图2 模型孔压等值线云图

由图2可知，边坡的孔压以15m为分界线，15m-20m处为负压，且随着高程的升高，负压越大；在15m以下，即水体浸润处，水压呈线性增大，此时边坡处于饱和渗流状态。

当水位处于15m时，图3为边坡临界状态下等效塑性应变等值云图，由图可知，塑性区已经逐步向坡顶贯通，此时边坡处于临界失稳状态，对应的安全系数为1.723。

图3 等效塑性应变等值云图

当不考虑渗流场的作用时，计算得到边坡安全系数为1.574，略低于高水位下的安全系数，这是因为在高水位的时刻，水由坡外向坡内渗流，孔隙水压力的作用利于边坡的稳定，使得边坡的安全系数增加。

四、结论

(1)基于ABAQUS的有限元强度折减法对于边坡稳定性计算有着良好的适用性，在复杂条件下，依然能有良好的精度。

(2)高水位下的边坡安全系数与不考虑水位作用时相比略有升高，是因为在高水位的时刻，水由坡外向坡内渗流，孔隙水压力的作用利于边坡的稳定，使得边坡的安全系数增加。

(3)ABAQUS软件具有优秀的后处理功能，边坡塑性贯通区能清楚地显示出来，为工程提供了可靠的依据。

[1]张鲁渝,郑颖人,赵尚毅,等.有限元强度折减系数法计算土坡稳定安全系数的精度研究[J].水利学报,2003,34(1):21-27.

[2]陈远川.有限元强度折减法计算土坡稳定安全系数的研究[D].重庆交通大学,2009.

[3]张晓咏,戴自航.应用ABAQUS程序进行渗流作用下边坡稳定分析[J].岩石力学与工程学报,2010,29(s1):2927-2934.

[4]章广成.水位变化对滑坡稳定性的影响研究[D].中国地质大学,2005.

刘岩(1993-)，男，汉族，湖北武汉人，硕士在读，重庆交通大学港口、海岸及近海工程专业，研究方向：港口、海岸工程结构及基础。