劉 巖

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

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基于ABAQUS軟件的高水位下的邊坡穩(wěn)定性分析

劉 巖

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

邊坡在水庫高水位的穩(wěn)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(qiáng)度折減法，能準(zhǔn)確地求得邊坡的安全系數(shù)。利用CAE后處理技術(shù)，結(jié)合邊坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)，能直觀的揭示邊坡臨界狀態(tài)下最危險(xiǎn)滑動面的位置和形狀，為實(shí)際工程提供了可靠的依據(jù)。

流固耦合；有限元；滲流場；邊坡穩(wěn)定

一、引言

目前，關(guān)于邊坡穩(wěn)定問題的研究已經(jīng)很多。張魯渝[1]等論證了有限元強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定分析中的可行性。陳遠(yuǎn)川[2]認(rèn)為土的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C對邊張曉詠[3]、章廣成[4]等認(rèn)為土壤的滲透系數(shù)會顯著影響邊坡穩(wěn)定。復(fù)雜的自然條件下的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算主要基于強(qiáng)度折減法，該法避免了條分法的缺點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，使得很多復(fù)雜問題得以解決，在CAE后處理中能準(zhǔn)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(yùn)行的過程中，水位隨時(shí)間的變化，在邊坡穩(wěn)定計(jì)算中應(yīng)考慮水的滲流作用，本文基于ABAQUS計(jì)算高水位下的邊坡安全系數(shù)，得到水位的升高有利于邊坡的穩(wěn)定。

二、有限元強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法即在理想彈塑性有限元計(jì)算中，將邊坡土體的C、φ值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)Fv，得到一組新的C′、φ′，然后作為新的參數(shù)帶入有限元中進(jìn)行試算，多次計(jì)算后，直到土體達(dá)到臨界狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，如式1所示：

(1)

在達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，趙尚毅等[1]判斷邊坡失穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)有以下幾種：

(1)有限元軟件在折減分析步中，土體參數(shù)在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)不能收斂。

(2)超過某一幅值的廣義剪應(yīng)變或等效塑性應(yīng)變形成貫通帶。

(3)塑性區(qū)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(wěn)的依據(jù)，在實(shí)際工程里，大多將三者結(jié)合考慮。

三、實(shí)例與數(shù)據(jù)分析

(一)計(jì)算實(shí)例

某邊坡為均質(zhì)邊坡，坡高20m，坡比為1:1，填土的內(nèi)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(shù)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(yīng)變單元，假定底部邊界為不透水邊界，兩側(cè)為透水邊界，左側(cè)水位高度為15m，ABAQUS模型如圖1所示：

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分

(二)數(shù)據(jù)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(fù)壓，且隨著高程的升高，負(fù)壓越大；在15m以下，即水體浸潤處，水壓呈線性增大，此時(shí)邊坡處于飽和滲流狀態(tài)。

當(dāng)水位處于15m時(shí)，圖3為邊坡臨界狀態(tài)下等效塑性應(yīng)變等值云圖，由圖可知，塑性區(qū)已經(jīng)逐步向坡頂貫通，此時(shí)邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，對應(yīng)的安全系數(shù)為1.723。

圖3 等效塑性應(yīng)變等值云圖

當(dāng)不考慮滲流場的作用時(shí)，計(jì)算得到邊坡安全系數(shù)為1.574，略低于高水位下的安全系數(shù)，這是因?yàn)樵诟咚坏臅r(shí)刻，水由坡外向坡內(nèi)滲流，孔隙水壓力的作用利于邊坡的穩(wěn)定，使得邊坡的安全系數(shù)增加。

四、結(jié)論

(1)基于ABAQUS的有限元強(qiáng)度折減法對于邊坡穩(wěn)定性計(jì)算有著良好的適用性，在復(fù)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(shù)與不考慮水位作用時(shí)相比略有升高，是因?yàn)樵诟咚坏臅r(shí)刻，水由坡外向坡內(nèi)滲流，孔隙水壓力的作用利于邊坡的穩(wěn)定，使得邊坡的安全系數(shù)增加。

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

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

[2]陳遠(yuǎn)川.有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的研究[D].重慶交通大學(xué),2009.

[3]張曉詠,戴自航.應(yīng)用ABAQUS程序進(jìn)行滲流作用下邊坡穩(wěn)定分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(s1):2927-2934.

[4]章廣成.水位變化對滑坡穩(wěn)定性的影響研究[D].中國地質(zhì)大學(xué),2005.

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