于明明

(中國地質(zhì)大學工程學院,湖北武漢 430074)

0 引 言

邊坡是工程建設(shè)中最常見的工程形式之一,邊坡的失穩(wěn)破壞將嚴重影響工程建設(shè)的正常進行.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.本研究主要運用ABAQUS有限元數(shù)值模擬理論分析邊坡在不同的指標參數(shù)下的變形失穩(wěn)規(guī)律,力求更加精確地量化分析各個指標對邊坡的穩(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個影響因素作為邊坡穩(wěn)定性研究的重點.一般來說,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的實例應(yīng)用

本研究選擇了一個典型均質(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)被很多學者用不同方法驗證分析過,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,并分析其模擬計算結(jié)果的合理程度.模擬采用4節(jié)點平面應(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,運用強度折減法原理和理想的彈塑性模型,屈服準則為Mohr-Coulomb判斷準則[6],且采用流動法則選取為非關(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)點的水平位移U1的關(guān)系變化圖(見圖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)定性標準有2種[1]:數(shù)值計算不收斂作為判定土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的評價標準和位移拐點作為判定標準.2種判定標準分別對應(yīng)于圖2上的場變量FV1為1.06和0.99,即對應(yīng)的安全系數(shù)為1.06和0.99,不管采用哪一種標準作為判定準則,得到的安全系數(shù)都與運用極限平衡法得出的安全系數(shù)極為接近.表明該均質(zhì)土邊坡可以運用ABAQUS軟件進行有限元模擬.

2.2 邊坡變形破壞規(guī)律

本研究在標準算例的基礎(chǔ)上采用單值變化的研究方法及位移拐點判斷標準,分析坡高、坡角、摩擦角與粘聚力4種因素對邊坡穩(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,分別對土質(zhì)邊坡坡高賦予6 m、8 m、10 m、12 m、14 m數(shù)值進行有限元模擬,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

從圖3可見,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)的減小趨勢基本呈線性減小,這段坡高對穩(wěn)定安全系數(shù)的影響比重大;12 m之后減小趨于平緩,此時土體的其他指標將對穩(wěn)定安全系數(shù)的影響起到主導作用,邊坡高度的影響相對較小.

2.2.2 坡角β對穩(wěn)定安全系數(shù)影響.

在其他數(shù)據(jù)不變的情況下,分別對土質(zhì)邊坡坡角β分別賦予35°、40°、45°、50°、55°數(shù)值進行有限元模擬計算.計算結(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

由圖4可見,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,當坡角大于50°時穩(wěn)定安全系數(shù)的減小更加明顯.

2.2.3 摩擦角Φ對穩(wěn)定安全系數(shù)影響.

在其他數(shù)據(jù)不變的情況下,對土質(zhì)邊坡摩擦角分別賦予10°、15°、20°、25°、30°數(shù)值進行有限元模擬計算.計算結(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

由圖5可見,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,增加過程中有小幅度波動,但是整個趨勢為線性遞增關(guān)系.

2.2.4 粘聚力C對穩(wěn)定安全系數(shù)影響.

在其他數(shù)據(jù)不變的情況下,對土質(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)值進行模擬計算.計算結(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,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,穩(wěn)定安全系數(shù)增加較大,粘聚力處于較大值時,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

3 結(jié) 語

采用ABAQUS有限元分析軟件,通過量化的各個邊坡指標中各因素對邊坡穩(wěn)定性的影響分析,得出的結(jié)論與實際經(jīng)驗中獲得的結(jié)果趨勢一致[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.

[1]趙明階,何光村,王多垠.邊坡工程處治技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]劉佑榮,唐輝明.巖體力學[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2008.

[3]費康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[4]李春忠,陳國興,樊有維.基于ABAQUS的強度折減有限元邊坡穩(wěn)定性分析[J].防災減災工程學報,2006,26(2): 207-212.

[5]趙尚毅,鄭穎人,時衛(wèi)民,等.用有限元強度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學報,2002,24(3):343-346.

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

[7]莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京:清華大學出版版社,2009.