基于ABAQUS有限元模型的邊坡變形破壞規(guī)律研究

于明明

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院,湖北武漢 430074)

0 引 言

邊坡是工程建設(shè)中最常見(jiàn)的工程形式之一,邊坡的失穩(wěn)破壞將嚴(yán)重影響工程建設(shè)的正常進(jìn)行.目前,分析邊坡穩(wěn)定性的方法主要有極限平衡法和數(shù)值分析法2種.本研究主要運(yùn)用ABAQUS有限元數(shù)值模擬理論分析邊坡在不同的指標(biāo)參數(shù)下的變形失穩(wěn)規(guī)律,力求更加精確地量化分析各個(gè)指標(biāo)對(duì)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)的影響程度.

1 影響邊坡穩(wěn)定性因素

影響邊坡穩(wěn)定性的因素有很多,主要有邊坡的坡高與坡角、巖土性質(zhì)、巖層的構(gòu)造與結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、風(fēng)化作用以及地震等,其中,巖土性質(zhì)主要包括粘聚力及內(nèi)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(gè)影響因素作為邊坡穩(wěn)定性研究的重點(diǎn).一般來(lái)說(shuō),坡高與坡角越大,邊坡越容易發(fā)生失穩(wěn)破壞,即邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)越小;相反,摩擦角與粘聚力越大,邊坡越不容易發(fā)生失穩(wěn)破壞,即邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)就越大.

2 基于ABAQUS的實(shí)例應(yīng)用

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

邊坡的具體參數(shù)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(jīng)被很多學(xué)者用不同方法驗(yàn)證分析過(guò),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(wěn)定安全系數(shù)為1.0.

圖1 均質(zhì)邊坡坡形示意圖

2.1 ABAQUS模擬結(jié)果合理性驗(yàn)證

首先,采用ABAQUS軟件模擬該典型均質(zhì)土邊坡,并分析其模擬計(jì)算結(jié)果的合理程度.模擬采用4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元,網(wǎng)格形狀為四邊形,劃分技術(shù)為掃描劃分[5],各模擬網(wǎng)格密度相同.同時(shí),運(yùn)用強(qiáng)度折減法原理和理想的彈塑性模型,屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb判斷準(zhǔn)則[6],且采用流動(dòng)法則選取為非關(guān)聯(lián),即不考慮剪脹角的影響.

其次,在模擬計(jì)算的后處理中,利用ABAQUS軟件中的Combine函數(shù),繪出常變量FV1與頂部節(jié)點(diǎn)的水平位移U1的關(guān)系變化圖(見(jiàn)圖2).

圖2 折減系數(shù)與水平位移

根據(jù)圖2判定土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)有2種[1]:數(shù)值計(jì)算不收斂作為判定土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和位移拐點(diǎn)作為判定標(biāo)準(zhǔn).2種判定標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)應(yīng)于圖2上的場(chǎng)變量FV1為1.06和0.99,即對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.06和0.99,不管采用哪一種標(biāo)準(zhǔn)作為判定準(zhǔn)則,得到的安全系數(shù)都與運(yùn)用極限平衡法得出的安全系數(shù)極為接近.表明該均質(zhì)土邊坡可以運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元模擬.

2.2 邊坡變形破壞規(guī)律

本研究在標(biāo)準(zhǔn)算例的基礎(chǔ)上采用單值變化的研究方法及位移拐點(diǎn)判斷標(biāo)準(zhǔn),分析坡高、坡角、摩擦角與粘聚力4種因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度,從而得出邊坡變形破壞的內(nèi)在規(guī)律.

2.2.1 坡高H對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響.

在其他數(shù)據(jù)不變的情況下,分別對(duì)土質(zhì)邊坡坡高賦予6 m、8 m、10 m、12 m、14 m數(shù)值進(jìn)行有限元模擬,模擬結(jié)果如表1與圖3所示.

表1 不同坡高下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)

圖3 坡高—安全系數(shù)走勢(shì)

從圖3可見(jiàn),在其他條件不變的情況下,邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨著坡高的增加而減小.6～12 m坡高的穩(wěn)定安全系數(shù)的減小趨勢(shì)基本呈線性減小,這段坡高對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)的影響比重大;12 m之后減小趨于平緩,此時(shí)土體的其他指標(biāo)將對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)的影響起到主導(dǎo)作用,邊坡高度的影響相對(duì)較小.

2.2.2 坡角β對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響.

在其他數(shù)據(jù)不變的情況下,分別對(duì)土質(zhì)邊坡坡角β分別賦予35°、40°、45°、50°、55°數(shù)值進(jìn)行有限元模擬計(jì)算.計(jì)算結(jié)果如表2與圖4所示.

表2 不同坡角下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)

圖4 坡角—安全系數(shù)走勢(shì)

由圖4可見(jiàn),在其他條件不變的情況下,邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)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(dāng)坡角大于50°時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)的減小更加明顯.

2.2.3 摩擦角Φ對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響.

在其他數(shù)據(jù)不變的情況下,對(duì)土質(zhì)邊坡摩擦角分別賦予10°、15°、20°、25°、30°數(shù)值進(jìn)行有限元模擬計(jì)算.計(jì)算結(jié)果如表3與圖5所示.

表3 不同摩擦角下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)

圖5 摩擦角—安全系數(shù)走勢(shì)

由圖5可見(jiàn),其他條件不變的情況下,邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨摩擦角的增加而增加,增加過(guò)程中有小幅度波動(dòng),但是整個(gè)趨勢(shì)為線性遞增關(guān)系.

2.2.4 粘聚力C對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響.

在其他數(shù)據(jù)不變的情況下,對(duì)土質(zhì)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(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算.計(jì)算結(jié)果如表4與圖6所示.

表4 不同粘聚力下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)

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

圖6 粘聚力—安全系數(shù)走勢(shì)

3 結(jié) 語(yǔ)

采用ABAQUS有限元分析軟件,通過(guò)量化的各個(gè)邊坡指標(biāo)中各因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析,得出的結(jié)論與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中獲得的結(jié)果趨勢(shì)一致[2],即隨著邊坡的坡高、坡角的增加,邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低;而隨著粘聚力、內(nèi)摩擦角的增加,邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增加.

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