基于ABAQUS的邊坡穩定性影響因素分析

岳夢蕾,劉光漢,歐陽天云,余紅兵

(貴州新聯爆破工程集團有限公司, 貴州貴陽 550002)

基于ABAQUS的邊坡穩定性影響因素分析

岳夢蕾,劉光漢,歐陽天云,余紅兵

(貴州新聯爆破工程集團有限公司, 貴州貴陽 550002)

為了分析不同因素與邊坡穩定性的相互關系,借助了ABAQUS有限元模擬軟件通過強度折減法,采用控制變量的方法建立了仿真模型,分析了彈性模量、容重、邊坡高度、坡面角、粘聚力以及內摩擦角單因素變化對邊坡穩定性的影響,得到了不同參數下安全系數隨影響因素數值變化的規律。計算結果表明:彈性模量的變化對邊坡的穩定性影響不大,巖土的容重、邊坡高度和坡面角與邊坡安全穩定系數呈線性負相關,巖土的粘聚力和內摩擦角與邊坡安全穩定系數呈線性正相關。

邊坡穩定性;強度折減法;ABAQUS;控制變量法

0 引 言

邊坡穩定性研究一直是巖土工程領域復雜的綜合性工作。受到多種內外因素的影響,如何對影響邊坡穩定性的各因素進行綜合評價,進而指導工程實際,對人民生命財產安全和工程經濟建設具有重要意義[1-2]。邊坡穩定性計算是指用量化指標評定邊坡的穩定與否,并對其進行危險性評價,以及可能變化發展的趨勢,通過量化指標對邊坡的工程設計提出指導性意見。之前學者一般采用極限平衡法分析邊坡穩定性,該方法易于掌握,計算過程簡單快捷,但需預先假定滑動面所處的工況條件,同時不能考慮巖土實際應力－應變關系,不能分析滑體內的應力、變形分布狀況,具有較大的局限性。后期學者提出基于強度折減法的有限元邊坡穩定分析方法,能夠分析巖體本身的變形對邊坡變形計穩定性的影響,同時能夠考慮巖土的非線性本構關系,還能模擬邊坡的滑坡過程及其滑移面形狀以及巖土與支護結構的共同作用[3-5]。

本文將建立基于工程實例的ABAQUS有限元模型,對可能影響邊坡穩定的6個因素(彈性模量、容重、粘聚力、內摩擦角、邊坡高度、坡面角)通過強度折減法進行獨立的數值仿真模擬,進而得出各個因素對邊坡穩定的影響,為邊坡的合理建設、穩定性預測提供科學依據[6-7]。

1 基于強度折減法的有限元基本原理

基于有限元基本原理,邊坡穩定安全系數在強度折減法中定義為巖土的實際抗剪強度與臨界破壞時折減后剪切強度的比值。即定義安全系數可以通過調整巖土的強度指標C和φ,如公式(1)、公式(2)所示(式中,CF為折減后的粘結力,φF為折減后的摩擦角,Ftrial為折減系數),對折減后的粘聚力和內摩擦角進行模擬仿真計算,當剛好達到邊坡臨界破壞極限時的折減系數即為邊坡的安全系數Fs。此種工況下,邊坡剛好達到臨界破壞狀態,安全系數數值等于對巖體的抗剪強度所進行的折減系數。本文以有限元數值迭代不收斂為主要判據,輔以塑性區貫通為補充,用邊坡安全系數為判據對邊坡穩定性進行分析。

2 數值仿真模擬

2.1 模型建立

圖1為某工程施工中一勻質的簡單土質邊坡,坡高為10m,坡角為45°,坡腳以下土層厚度為5 m,巖土材料服從Mohr－Coulomb破壞準則,根據工程試驗取巖土容重為20kN/m3,彈性模量為100 MPa,泊松比為0.35,粘聚力c＝12.38kPa,內摩擦角φ＝20°,減脹角φ＝0°,建立計算模型,模型中單元采用8節點的平面應變縮減單元(CPE8R),基于ABAQUS模擬計算團建采用平面應變有限元理論通過強度折減法對該邊坡進行穩定性分析。

圖1 計算模型

2.2 計算結果分析

本文利用特征點位移來確定安全系數,選取坡頂靠近邊坡的頂點作為特征點,得到其位移隨折減系數的關系(見圖2),圖中當折減系數為0.5～0.99區間內變化時,邊坡頂點未發生明顯變化,當折減系數為0.99～1.02區間內變化時,邊坡頂點質點開始發生下滑,折減系數為1.03時,頂點位移急劇增加,此時邊坡的的塑性區已貫穿,如圖3所示,表征邊坡已失去穩定。通過塑性區形態和坡頂點位移與折減系數的關系,綜合得出該邊坡的安全系數為1.03。

圖2 坡頂點位移與折減系數的關系

圖3 折減系數為1.03時的塑性區

3 模擬不同因素對邊坡穩定的影響

采用控制變量法,在其他條件不見得情況下,模擬單因素變化對邊坡穩定的影響,以彈性模量、容重、邊坡高度、坡面角、粘聚力、內摩擦角為影響因素,分別取40%、70%、100%、130%、160%作為單因素變化率,計算不同參數下模型的安全系數。計算結果如表1所示。

表1 單因素變化對邊坡安全系數的影響

根據表1分別畫出不同參數工況下對邊坡安全系數的影響規律曲線,見圖4～圖9。

圖4 彈性模量對安全系數影響

圖5 容重對安全系數影響

圖6 邊坡高度對安全系數的影響

圖7 坡面角對安全系數影響

圖8 粘聚力對安全系數影響

圖9 內摩擦角對安全系數的影響

由圖4～圖9可以看出:

(1)安全系數不隨彈性模量的變化而發生明顯的變化,在一般的工程實例中,由于巖土的彈性模量均在一定取值范圍內,而彈性模量表現為應力與應變的比值,其變化會影響變形,但不會影響應力場,而安全系數只依賴于應力場,表面彈性模量的大小并不能影響應用強度折減法求得的安全系數;

(2)隨著容重的增加,邊坡安全系數線性減小,這是因為當巖土容重增加時,坡體的重力增加,沿坡向的下滑力也隨著增加,從而穩定性降低,安全系數減小;

(3)隨著邊坡高度的增加,邊坡的安全系數線性減小,這是由于當邊坡高度增加時,坡體的重力增加,其下滑力也必然增加,從而穩定性降低,安全系數減小;

(4)隨著坡面角的增加,邊坡的安全系數線性減小,這是由于,當坡面角增大后,沿坡向的下滑力增加,剪應力增大,邊坡的穩定性降低,安全系數線性減小;

(5)隨著粘聚力和內摩擦角的增加,邊坡的安全系數線性增大,這是由于隨著巖土粘聚力的增加(內摩擦角的增加),巖土的抗剪能力增大,抵抗滑坡的能力增加,安全系數增大。

4 結 論

巖土的彈性模量對邊坡的穩定性基本無影響,巖土的容重、邊坡高度和坡面角的量化值與邊坡的穩定性安全系數性呈線性負相關,巖土的粘聚力和內摩擦角的量化值與邊坡的穩定性安全系數性呈線性正相關。在實際施工中,路基填土應盡量選擇容重小的巖土,并盡量降低邊坡的高度,條件允許的前提下巖土應使坡面角盡可能小,以及選擇強度高的巖土,對類此邊坡工程實例中考慮不同邊坡穩定性影響因素的權重大小分析中提出了指導意義。

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2017-03-18)

岳夢蕾(1971－),貴州貴陽人,工程師,從事爆破事業管理工作,Email:602574716＠qq.com。