楊杰

（塔里木河流域喀什管理局，新疆莎車 844700）

1 概述

目前，用于邊坡開挖處理穩(wěn)定性分析準則主要分有Mohr Coulomb（MC）準則和Drucker Prager（DP）準則[1-4]。MC準則既能反映土體不同的抗壓強度，還能反應對靜水壓力的敏感性，且土體參數(shù)可通過常規(guī)試驗測定。而DP準則也在數(shù)值計算中得到廣泛運用，但如果該準則的參數(shù)選取不當，可能導致預測與試驗結果之間不一致。對此，有關學者在計算時一般沒有指出采用哪種準則進行計算，事實上，采用準則不同，其計算結果也會不同，選用更合適的準則對工程進行模擬具有重要意義。ABAQUS是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，本文借助ABAQUS商業(yè)模擬軟件，在2種準則下采用降強法對沙洋大碑灣泵站巖質(zhì)邊坡進行了穩(wěn)定性分析，MC模型可以直接采用密度、彈模、泊松比，摩擦角，粘聚力強度等材料參數(shù)直接進行計算，而線性DP模型參數(shù)需要根據(jù)MC模型材料參數(shù)進行轉(zhuǎn)換，MC模型屈服面為正六邊形，而DP模型屈服面為圓形。MC屈服準則方程為由式子可知，材料參數(shù)為?和c，而線性DP模型屈服面在子午平面上是一條直線，其方程式為F=t-由方程式可知，在ABAQUS中確定DP模型的屈服面材料參數(shù)為β和d，對平面應變問題，其關聯(lián)流動線性MC模型和DP模型間材料轉(zhuǎn)換關系為綜合考慮上述2種模型，選用更合適的模型模擬邊坡穩(wěn)定性分析具有重要意義[6-7]。

2 穩(wěn)定性安全評價方法

巖質(zhì)邊坡開挖后穩(wěn)定性分析問題的過程可以總結為滿足特定邊界條件下的靜力平衡方程、材料非線性本構關系、變形協(xié)調(diào)條件和合適的強度準則[7]。在確定的荷載邊界條件下求得應力應變場和相應的位移場，其通過降低粘聚力強度等材料參數(shù)的不同倍數(shù)，得到邊坡的總位移分布、水平向位移分布、豎直向位移分布和等效塑性應變等分布規(guī)律，以及特征點位置處位移和應變分布隨降強倍數(shù)的變化規(guī)律，分析該巖質(zhì)邊坡開挖后的失穩(wěn)破壞狀態(tài)，找出開挖后巖質(zhì)邊坡強度穩(wěn)定處于極限狀態(tài)下的材料降強倍數(shù)，其稱之為該巖質(zhì)邊坡的安全系數(shù)，以此評價巖質(zhì)邊坡開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)。

3 邊坡開挖處理工程模型簡介

沙洋大碑灣泵站巖質(zhì)邊坡高185 m，經(jīng)過開挖處理后，邊坡呈分段多臺階狀。采用ABAQUS/CAE對此巖質(zhì)高邊坡建模，開挖邊坡模型高185 m，底寬125 m，向左延伸255 m，向右延伸170 m，向下延伸100 m。對開挖邊坡二維模型進行細致化有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格剖分控制設置只有四邊形單元，模型共有3 032個節(jié)點、2 915個單元，模型的邊界采用法向約束，施加重力荷載。根據(jù)前述公式對模型參數(shù)進行換算，2種模型計算參數(shù)見表1。

4 邊坡開挖穩(wěn)定性分析

假設模型的摩擦角保持38°不變，只降低粘聚力強度（1.0，0.8，0.6，0.4，0.2 MPa），計算開挖邊坡的穩(wěn)定性，根據(jù)上述二維計算模型條件，通過長變量輸出，可得到邊坡的總位移分布、水平向位移分布、豎直向位移分布和等效塑性應變分布圖，由于計算結果規(guī)律相似，這里只展示摩擦角為38°、粘聚力強度為1.0 MPa工況時的計算結果，其計算結果見圖1，2。

表1 2種模型計算參數(shù)表

圖1 MC模型計算結果圖

圖2 DP模型計算結果圖

由計算結果的水平向和豎直向位移分布圖可知，在粘聚力強度大于0.6 MPa時，整個截面的位移是連續(xù)光滑分布的，當粘聚力強度小于0.6 MPa時，在邊坡附近位移出現(xiàn)突變，這與屈服區(qū)滑動面相對應。粘聚力強度c=0.2 MPa時，計算總時步達0.912 8就不收斂，可判斷此時邊坡失穩(wěn)。保持粘聚力強度0.2 MPa不變，摩擦角由50°減小到38°，可知，隨著摩擦角的減小，屈服區(qū)范圍逐漸增加，屈服區(qū)滑動面傾角變緩。MC模型計算規(guī)律與DP模型計算規(guī)律相似。

5 結語

采用降強法分析巖質(zhì)邊坡在自重作用下的穩(wěn)定性，在重力荷載作用下，巖質(zhì)邊坡的破壞屬于漸進式破壞，其破壞一般是從坡腳處開始發(fā)展，塑性應變慢慢向上延伸，最終邊坡坡腳與坡頂?shù)乃苄詰冃纬韶炌?。對比MC模型和DP模型計算的結果可知，2種模型中邊坡的屈服滑動面形態(tài)和傾角接近，一般而言，MC模型計算得到的屈服略大于DP模型的結果，當粘聚力為0.2 MPa時，MC模型在基礎右側(cè)深處發(fā)生較嚴重屈服，而DP模型在該處則沒有發(fā)生屈服，這可能是由于MC模型假定破壞與中主應力無關，DP模型的屈服考慮中主應力的影響帶來的差異。此外，MC模型屈服面存在轉(zhuǎn)角點，計算收斂性較差，而DP模型屈服面光滑，計算收斂性較好，可為其他邊坡開挖處理工程提供借鑒。

［參 考 文 獻］

［1］王吉亮，楊靜，陳又華，黃孝泉，白偉，魏雨軍.復雜層狀高陡巖質(zhì)邊坡變形與穩(wěn)定性研究［J］.水利學報，2015（12）：1414—1422.

［2］劉金，李勤昌，馬秀媛.有限元強度折減法在邊坡穩(wěn)定分析中的應用［J］.山東大學學報(工學版)，2016（04）：83—88.

［3］王英，戰(zhàn)永亮.關于基坑邊坡穩(wěn)定性計算的思考［J］.水利建設與管理，2003（05）：23-24.

［4］黃強，黃宜勝，肖志勇，陳招軍，龔家偉，章朝峰.ANSYS中強度折減法等效DP-MC準則二次開發(fā)［J］.人民黃河，2016（04）：94—96.

［5］甄田田，榮傳新，程樺，劉小慶.論D-P系列強度準則邊坡安全系數(shù)的轉(zhuǎn)換本質(zhì)［J］.科學技術與工程，2016，22：231—234+239.

［6］喻梅，茅獻彪，胡新宇.基于ANSYS的強度折減法強度準則轉(zhuǎn)換關系［J］.煤炭技術，2016（09）：123—126.

［7］戴妙林，李同春.基于降強法數(shù)值計算的復雜巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性安全評價分析［J］.巖石力學與工程學報，2007（S1）：2749—2754.