基于ABAQUS軟件的高水位下的邊坡穩定性分析

劉 巖

(重慶交通大學 重慶 400074)

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基于ABAQUS軟件的高水位下的邊坡穩定性分析

劉 巖

(重慶交通大學 重慶 400074)

邊坡在水庫高水位的穩定性分析可以利用ABAQUS有限元軟件的流固耦合功能，采用有限元強度折減法，能準確地求得邊坡的安全系數。利用CAE后處理技術，結合邊坡失穩的判斷依據，能直觀的揭示邊坡臨界狀態下最危險滑動面的位置和形狀，為實際工程提供了可靠的依據。

流固耦合；有限元；滲流場；邊坡穩定

一、引言

目前，關于邊坡穩定問題的研究已經很多。張魯渝[1]等論證了有限元強度折減法在邊坡穩定分析中的可行性。陳遠川[2]認為土的內摩擦角φ和黏聚力C對邊張曉詠[3]、章廣成[4]等認為土壤的滲透系數會顯著影響邊坡穩定。復雜的自然條件下的邊坡穩定性計算主要基于強度折減法，該法避免了條分法的缺點，結合計算機技術的興起，使得很多復雜問題得以解決，在CAE后處理中能準確顯示出臨界條件下的滑移面，為工程問題提供了有效的解決手段。在水庫運行的過程中，水位隨時間的變化，在邊坡穩定計算中應考慮水的滲流作用，本文基于ABAQUS計算高水位下的邊坡安全系數，得到水位的升高有利于邊坡的穩定。

二、有限元強度折減法

強度折減法即在理想彈塑性有限元計算中，將邊坡土體的C、φ值同時除以一個折減系數Fv，得到一組新的C′、φ′，然后作為新的參數帶入有限元中進行試算，多次計算后，直到土體達到臨界狀態標準，如式1所示：

(1)

在達到臨界狀態時，趙尚毅等[1]判斷邊坡失穩的標準有以下幾種：

(1)有限元軟件在折減分析步中，土體參數在規定的迭代次數內不能收斂。

(2)超過某一幅值的廣義剪應變或等效塑性應變形成貫通帶。

(3)塑性區由坡腳開展貫通至坡頂。

上述三種方法均可作為判斷邊坡失穩的依據，在實際工程里，大多將三者結合考慮。

三、實例與數據分析

(一)計算實例

某邊坡為均質邊坡，坡高20m，坡比為1:1，填土的內摩擦角為17°，粘聚力為42KPa，彈性模量為10MPa，泊松比為0.3，滲透系數為k=10-7m/s。有限元模型采用孔壓-位移耦合的CPE4P四邊形平面應變單元，假定底部邊界為不透水邊界，兩側為透水邊界，左側水位高度為15m，ABAQUS模型如圖1所示：

圖1 有限元模型網格劃分

(二)數據分析

高水位下的邊坡滲流場如圖2所示：

圖2 模型孔壓等值線云圖

由圖2可知，邊坡的孔壓以15m為分界線，15m-20m處為負壓，且隨著高程的升高，負壓越大；在15m以下，即水體浸潤處，水壓呈線性增大，此時邊坡處于飽和滲流狀態。

當水位處于15m時，圖3為邊坡臨界狀態下等效塑性應變等值云圖，由圖可知，塑性區已經逐步向坡頂貫通，此時邊坡處于臨界失穩狀態，對應的安全系數為1.723。

圖3 等效塑性應變等值云圖

當不考慮滲流場的作用時，計算得到邊坡安全系數為1.574，略低于高水位下的安全系數，這是因為在高水位的時刻，水由坡外向坡內滲流，孔隙水壓力的作用利于邊坡的穩定，使得邊坡的安全系數增加。

四、結論

(1)基于ABAQUS的有限元強度折減法對于邊坡穩定性計算有著良好的適用性，在復雜條件下，依然能有良好的精度。

(2)高水位下的邊坡安全系數與不考慮水位作用時相比略有升高，是因為在高水位的時刻，水由坡外向坡內滲流，孔隙水壓力的作用利于邊坡的穩定，使得邊坡的安全系數增加。

(3)ABAQUS軟件具有優秀的后處理功能，邊坡塑性貫通區能清楚地顯示出來，為工程提供了可靠的依據。

[1]張魯渝,鄭穎人,趙尚毅,等.有限元強度折減系數法計算土坡穩定安全系數的精度研究[J].水利學報,2003,34(1):21-27.

[2]陳遠川.有限元強度折減法計算土坡穩定安全系數的研究[D].重慶交通大學,2009.

[3]張曉詠,戴自航.應用ABAQUS程序進行滲流作用下邊坡穩定分析[J].巖石力學與工程學報,2010,29(s1):2927-2934.

[4]章廣成.水位變化對滑坡穩定性的影響研究[D].中國地質大學,2005.

劉巖(1993-)，男，漢族，湖北武漢人，碩士在讀，重慶交通大學港口、海岸及近海工程專業，研究方向：港口、海岸工程結構及基礎。