候 玲， 薛海斌， 周澤華， 劉海偉， 潘 峰

(1.西安理工大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安710054；2.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安710048)

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基于ABAQUS二次開發(fā)平臺的邊坡有限元強度折減法研究

候 玲1， 薛海斌2， 周澤華2， 劉海偉2， 潘 峰2

(1.西安理工大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安710054；2.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安710048)

有限元強度折減法在邊坡穩(wěn)定性分析中發(fā)揮著舉足輕重的作用，但通常的有限元強度折減法采用二分法來獲取邊坡的安全系數(shù)，該方法需要多次試算，效率較低。本文借助ABAQUS軟件的二次開發(fā)平臺UFIELD程序，將軟件自帶的場變量定義為折減系數(shù)，建立場變量分別與軟件求解時步和強度參數(shù)的關(guān)系，方便地實現(xiàn)了基于場變量的邊坡有限元強度折減法，此方法僅需一次提交計算分析便可高效地實現(xiàn)邊坡安全系數(shù)的求解；在基于場變量的邊坡有限元強度折減法基礎(chǔ)上，依據(jù)滑面位置處的等效塑性應(yīng)變最大這一基本原理，利用不同垂直剖面逐點搜索法，實現(xiàn)了基于最大等效塑性應(yīng)變的邊坡潛在滑動面位置精細化尋找；最后借助兩個經(jīng)典算例，將此套思路確定的潛在滑動面位置、安全系數(shù)分別與傳統(tǒng)極限平衡M-P法的對應(yīng)結(jié)果進行對比分析，驗證了本文思路和方法的有效性。

邊坡有限元強度折減法； 場變量； 最大等效塑性應(yīng)變； 潛在滑動面

有限元強度折減法在確定邊坡安全系數(shù)的同時還可以方便地確定出邊坡的滑動面位置，是邊坡穩(wěn)定性分析中的一種重要方法。

自從Zienkiewicz O.C.[1]等提出有限元強度折減法以來，唐芬[2]、Yuan W.[3]、薛海斌[4]等提出了不同的強度折減方式；楊光華[5]、薛雷[6]和陳國慶[7]等對邊坡強度折減的范圍進行了研究；張魯渝、鄭穎人[8]等研究了不同屈服準則對強度折減安全系數(shù)的影響，并試圖探討這些安全系數(shù)之間的關(guān)系；鄭宏[9]、張培文[10]、楊光華[11]等分別提出了強度折減過程中其它配套參數(shù)的折減方式；宋二祥[12]、Griffiths D.V.[13]和連鎮(zhèn)營[14]分別提出了三種不同的邊坡失穩(wěn)判據(jù)。總之，國內(nèi)外學(xué)者在強度折減法研究方面取得了豐碩的成果，但是這些學(xué)者大都通過人為地對強度參數(shù)進行折減試算直到邊坡失穩(wěn)來確定邊坡的安全系數(shù)，每次折減都必須提交一次計算分析，過程繁復(fù)。為了在保證計算精度的同時，簡化此計算過程，曹先鋒[15]、李寧[16]等分別提出了邊坡穩(wěn)定分析的溫控參數(shù)折減有限元法和基于優(yōu)化理論中的二分法來確定邊坡的安全系數(shù)。

除邊坡安全系數(shù)的確定之外，邊坡穩(wěn)定性分析的另一個關(guān)鍵問題就是滑面的確定。事實上強度折減法中給出的是滑動面位置所處的范圍而未能精確到一條曲線。在強度折減法計算結(jié)果基礎(chǔ)上，孫冠華等提出了基于等效塑性應(yīng)變的邊坡滑動面搜索方法[17]；李劍在此基礎(chǔ)上借助FLAC3D軟件內(nèi)置的FISH語言實現(xiàn)了基于最大剪應(yīng)變增量的邊坡潛在滑動面搜索方法[18]；這些成果給出了確定滑動面位置的方法，但是很少在非均質(zhì)邊坡工程中應(yīng)用。

本文擬借助ABAQUS的二次開發(fā)平臺UFIELD程序，將軟件自帶的場變量定義為折減系數(shù)，建立場變量分別與軟件求解時步和強度參數(shù)之間的關(guān)系，來實現(xiàn)基于場變量的有限元強度折減法，此方法僅需一次提交計算分析便可確定邊坡的安全系數(shù)，較其它方法大大地提高了有限元強度折減法求解邊坡安全系數(shù)的效率；以此為基礎(chǔ)，依據(jù)滑面位置處的等效塑性應(yīng)變最大這一基本原理，利用不同垂直剖面逐點搜索法，基于等效塑性應(yīng)變對臨界狀態(tài)滑動面位置進行精細化尋找，給出了邊坡滑動面的準確位置；最后借助算例驗證了本文方法的有效性。

1 基于ABAQUS二次開發(fā)平臺的邊坡有限元強度折減法的基本原理

1.1 邊坡有限元強度折減法的基本原理

邊坡有限元強度折減法的基本原理就是通過不斷減小材料強度參數(shù)直到邊坡失穩(wěn)，其臨界狀態(tài)對應(yīng)的折減系數(shù)被定義為安全系數(shù)：

(1)

(2)

式中：SRF為折減系數(shù)；cini和c分別為折減前、后的黏聚力；φini和φ分別為折減前、后的內(nèi)摩擦角。

1.2 基于場變量的有限元強度折減法的基本原理

為了后續(xù)確定邊坡安全系數(shù)的方便，將場變量定義為折減系數(shù):

f=SRF

(3)

上述確定了場變量與折減系數(shù)之間的關(guān)系，于是材料參數(shù)與場變量的關(guān)系如下：

(4)

(5)

定義場變量與當前分析步的時步之間的關(guān)系為：

f=a+bt

(6)

那么，由式(3)可得：

SRF=a+bt

(7)

通常情況下:t取為當前分析步的時步，于是0≤t≤1；a參數(shù)決定著邊坡的初始折減系數(shù)，取為1；a+b參數(shù)決定著折減系數(shù)的范圍，為了計算的方便，b取為1；這樣將折減系數(shù)的范圍限定在[1,2]的閉區(qū)間內(nèi)，但如若想增大折減系數(shù)的范圍則可以通過增大b值來實現(xiàn)，具體a、b的取值視具體情況而定。

通過上述材料參數(shù)、場變量、計算時步及折減系數(shù)之間的相互關(guān)系，將基于場變量的有限元強度折減法基本原理歸納為：通過邊坡彈塑性分析中計算時步的增加，借助計算時步與場變量的關(guān)系，得到場變量，借助場變量與材料參數(shù)之間的關(guān)系來更新材料參數(shù)，通過場變量和折減系數(shù)之間的關(guān)系確定當前的折減系數(shù)，那么邊坡失穩(wěn)時刻的折減系數(shù)即邊坡的最終安全系數(shù)。對于基于場變量的有限元強度折減法，本文采用ABAQUS二次開發(fā)平臺上的UFIELD程序來實現(xiàn)。具體程序接口和變量說明如下：

SUBROUTINE UFIELD(FIELD,KFIELD, NSECPT,KSTEP,KINC,TIME,NODE,

1 COORDS,TEMP,DTEMP,NFIELD)

C

INCLUDE ‘ABA_PARAM.INC’

C

DIMENSION FIELD(NSECPT,NFIELD), TIME(2), COORDS(3), KSTEP, KINC

1 TEMP(NSECPT), DTEMP(NSECPT)

C

user coding to define FIELD

RETURN

END

其中：FIELD表示場變量；KFIELD表示用戶自定義場變量數(shù)；NFIELD表示更新的場變量數(shù)； KSTEP 表示分析步數(shù)；KINC 表示增量步數(shù)；TIME(1)表示當前時間步的時間；TIME(2) 表示總時間步的時間；NODE 表示節(jié)點數(shù)；COORDS 表示存放節(jié)點坐標的數(shù)組；TEMP(NSECPT) 表示所有節(jié)點的當前時刻溫度；DTEMP(NSECPT)表示節(jié)點處的溫度增量。

常規(guī)有限元強度折減法確定邊坡安全系數(shù)的流程見圖1(a)，從流程圖中可以發(fā)現(xiàn)，首先給邊坡賦予初始的抗剪強度參數(shù)，對邊坡進行彈塑性分析，然后判斷邊坡是否失穩(wěn)，如果邊坡失穩(wěn)則減小折減系數(shù)，重復(fù)上一步的計算；如果邊坡未失穩(wěn)則增大折減系數(shù)，重復(fù)上一步計算；如此反復(fù)從而求得邊坡的安全系數(shù)。這樣必須提交n次計算才能獲得邊坡的安全系數(shù)。而基于場變量的有限元強折減法計算邊坡安全系數(shù)的流程如圖1(b)所示，在ti時刻各節(jié)點達到平衡后時間步向前推進，隨著時間步的增加，強度參數(shù)不斷地折減，直到邊坡的塑性區(qū)貫通和特征點水平位移隨時間步的變化曲線出現(xiàn)拐點[19]，最終計算中斷。這樣僅需要一次提交計算便可以求取邊坡的強度折減安全系數(shù)。

圖1 常規(guī)有限元強度折減法和基于場變量的有限元強度折減法確定邊坡安全系數(shù)的對比分析流程圖Fig.1 Flow chart for calculating safety factor of slope using traditional strength reduction FEM and strength reduction FEM based on field variable

2 基于最大等效塑性應(yīng)變的邊坡潛在滑動面精細化尋找方法

在基于場變量的邊坡有限元強度折減方法計算所得等效塑性應(yīng)變的基礎(chǔ)上，依據(jù)滑面位置處的等效塑性應(yīng)變最大這一基本原理，可以實現(xiàn)一次自動搜索出邊坡的潛在滑動面位置。依據(jù)最大等效塑性應(yīng)變尋找邊坡潛在滑動面的方法如下，首先在水平方向布置一系列的垂直線(見圖2中點劃線)，按照一定的空間步長分別在每一條垂直線上尋找等效塑性應(yīng)變的最大值，將每條垂直線上等效塑性應(yīng)變最大值點相對應(yīng)的坐標點記錄(見圖2紅色實心點)，并依次將這一系列點連線從而形成邊坡臨界滑動面的雛形，接著利用6次多項式采用最小二乘法將臨界滑動面進行光滑化處理，便可以得到最終的邊坡潛在滑動面。特別注意上述在等效塑性應(yīng)變插值過程中采用等參元形函數(shù)進行插值，而且水平向與垂直向布點的個數(shù)決定著邊坡滑動面位置的精確程度。實際計算中，可以先擬定出滑動面的大體位置，然后對初擬的滑動面位置附近的搜索步長進行加細，可以起到既節(jié)省時間又提高精度的效果。

圖2 基于最大等效塑性應(yīng)變的邊坡潛在滑動面精細化尋找方法示意圖Fig.2 Potential slip surface of the slope is determined by the maximum equivalent plastic strain

3 有限元強度折減法二次開發(fā)程序的算例驗證及滑動面精細化尋找方法的驗證

本文基于ABAQUS二次開發(fā)平臺UFIELD程序開發(fā)了基于場變量的有限元強度折減法，為了驗證該方法的合理性及其基于最大等效塑性應(yīng)變的滑動面精細化尋找方法的可靠性，分別選取均質(zhì)、非均質(zhì)兩個邊坡作為研究對象，將極限平衡M-P法計算結(jié)果作為衡量計算結(jié)果可靠性的標準。極限平衡M-P法[20]借助Geostudio軟件的SLOPE/W模塊來實現(xiàn)。

3.1 均質(zhì)邊坡算例分析

圖3所示均質(zhì)邊坡坡高20m，坡比為1∶1，模型總高度為40m，總寬度為105m；有限元計算模型共離散為5773個單元，5938個節(jié)點；計算模型兩側(cè)采用水平向約束邊界，模型底部采用全約束邊界[21]。計算中采用考慮Mohr-Coulomb強度準則的理想彈塑性模型,具體計算過程中所采用的材料參數(shù)見表1。

圖3 計算網(wǎng)格圖Fig.3 Discrete grid of the calculation model

從計算結(jié)果表2可見，利用基于ABAQUS二次開發(fā)平臺實現(xiàn)的基于場變量的有限元強度折減法，采用塑性區(qū)貫通與坡腳點水平位移出現(xiàn)拐點作為有限元強度折減法判別邊坡失穩(wěn)的判據(jù)，綜合確定的邊坡安全系數(shù)為1.210，此安全系數(shù)與傳統(tǒng)的有限元強度折減法計算結(jié)果完全一致，并且對應(yīng)安全系數(shù)位于極限平衡M-P法和有限元極限平衡法之間，同時三者安全系數(shù)之間的絕對誤差最大值為0.6%，這說明本文基于ABAQUS二次開發(fā)平臺實現(xiàn)的基于場變量的有限元強度折減法對于均質(zhì)邊坡是有效的。

表2 安全系數(shù)匯總表

從圖4中基于最大等效塑性應(yīng)變搜索得到的滑動面位置與邊坡失穩(wěn)時刻的塑性區(qū)對比分析圖可以看出，基于最大等效塑性應(yīng)變搜索得到的滑動面位置位于等效塑性應(yīng)變等值線密集的滑帶范圍內(nèi)，并且可以清晰地看出塑性應(yīng)變等值線的特征點剛好落在此滑動面上。

圖4 基于最大等效塑性應(yīng)變的邊坡潛在滑動面確定Fig.4 Potential slip surface of the slope is determined by the maximum equivalent plastic strain

從圖5中不同方案確定的邊坡潛在滑動面位置可以看出，離散數(shù)據(jù)點組成的滑動面經(jīng)過光滑處理后與滑動面雛形相近。極限平衡M-P法確定的邊坡滑動面位置與基于最大等效塑性應(yīng)變尋找方法確定的滑動面位置在下半段非常接近，但是在上半段本文方法相對于極限平衡法要深緩，但整體偏差較小。綜上所述可說明基于最大等效塑性應(yīng)變的搜索對均質(zhì)邊坡臨界滑動面的精細化尋找是有效的。

圖5 不同方案確定的邊坡潛在滑動面位置Fig.5 Positions of the potential slip surface of the slope are determined using the different schemes

3.2 非均質(zhì)邊坡算例分析

如圖6所示,非均質(zhì)邊坡取自澳大利亞計算機應(yīng)用協(xié)會(ACADS)的考核題[22]，為了在有限元計算中減小邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，將左側(cè)邊界延伸10m，向下延伸10m。具體模型尺寸為：坡高10m，坡比1 ∶2，模型總高度為25m，總寬度為60m；有限元計算模型共離散為16 556個單元，16 824個節(jié)點；模型兩側(cè)采用水平向約束邊界，模型底部采用全約束邊界。計算采用考慮Mohr-Coulomb強度準則的理想彈塑性模型,具體計算過程中所采用的材料參數(shù)見表3。

圖6 計算網(wǎng)格圖Fig.6 Discrete grid of the calculation model

材料編號土體密度/(kg/m3)彈性模量/MPa泊松比內(nèi)摩擦角/()黏聚力/kPa側(cè)壓力系數(shù)①195010025380065②1950100252353065③1950100252072065

從安全系數(shù)計算結(jié)果匯總表4可以看出，利用本文方法采用塑性區(qū)貫通與坡腳點水平位移出現(xiàn)拐點作為有限元強度折減法判別邊坡失穩(wěn)的判據(jù)，綜合確定的邊坡安全系數(shù)為1.364，此安全系數(shù)位于前人采用傳統(tǒng)的有限元強度折減法確定的安全系數(shù)之間[21,23]，并且多種方法計算所得安全系數(shù)之間的彼此差別不大，這說明本文基于ABAQUS二次開發(fā)平臺實現(xiàn)的基于場變量的有限元強度折減法在確定非均質(zhì)邊坡對應(yīng)安全系數(shù)時也是適用的。

表4 安全系數(shù)匯總表

從圖7中基于最大等效塑性應(yīng)變搜索得到的滑動面位置與邊坡失穩(wěn)時刻的塑性區(qū)對比分析圖可以看出，基于最大等效塑性應(yīng)變搜索得到的滑動面位置位于邊坡失穩(wěn)時刻的塑性區(qū)內(nèi)部，并且基于最大等效塑性應(yīng)變搜索得到的滑動面基本上通過了等效塑性應(yīng)變等值線的特征點。

圖7 基于最大等效塑性應(yīng)變的邊坡潛在滑動面確定Fig.7 Potential slip surface of the slope is determined by the maximum equivalent plastic strain

從圖8中不同方案確定的邊坡潛在滑動面位置可以看出，用極限平衡M-P法確定的邊坡滑動面位置與基于最大等效塑性應(yīng)變尋找方法確定的滑動面位置在滑動面下半段幾乎重合，但在滑動面上半部分有一定的偏差。從本文方法的離散數(shù)據(jù)點明顯可以看出塑性區(qū)在材料邊界處的方向調(diào)整，然而基于極限平衡M-P法確定的邊坡滑動面位置和本文方法擬合曲線均將此信息淹沒。

圖8 不同方案確定的邊坡潛在滑動面位置Fig.8 Positions of the potential slip surface of the slope are determined using the different schemes

但綜合對比分析，兩種方案的計算成果，可以發(fā)現(xiàn)兩種方法確定的邊坡潛在滑動面位置仍然在計算可接受的范圍內(nèi)，說明基于最大等效塑性應(yīng)變的邊坡滑動面精細化尋找方法對于非均質(zhì)邊坡是有效的。

4 結(jié) 論

1) 借助ABAQUS軟件的二次開發(fā)平臺的UFIELD程序，將軟件自帶的場變量定義為折減系數(shù)，建立場變量分別與軟件求解時步和強度參數(shù)之間的關(guān)系，方便地實現(xiàn)基于場變量的邊坡有限元強度折減法。此方法相對于其它方法的優(yōu)勢在于：僅需一次提交計算分析便可高效地實現(xiàn)邊坡安全系數(shù)的求解。

2) 在基于場變量的邊坡有限元強度折減方法計算所得等效塑性應(yīng)變的基礎(chǔ)上，利用不同垂直剖面逐點搜索法，實現(xiàn)了基于最大等效塑性應(yīng)變的邊坡潛在滑動面位置精細化尋找。

3) 通過兩個經(jīng)典算例，展示了此方法和思路進行邊坡穩(wěn)定性分析的效果，同時將此思路確定的潛在滑動面位置、安全系數(shù)分別與傳統(tǒng)極限平衡M-P法的對應(yīng)結(jié)果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)不同方法確定的安全系數(shù)相差不大，兩種方法確定的滑動面位置下半段相近，上半段本文方法確定滑動面相對于M-P法確定滑動面要深緩，但是兩種方法的偏差較小，這說明本文所提方法是有效的。

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YANG Youcheng. Research on applicability of shear strength reduction method in slope stability analysis [D]. Wuhan: China University of Geosciences, 2008.

(責任編輯 楊小麗)

Research on the strength reduction FEM of the slope by applying the secondary development platform of ABAQUS

HOU Ling1， XUE Haibin2， ZHOU Zehua2， LIU Haiwei2， PAN Feng2

(1.School of Sciences，Xi’an University of Technology，Xi’an 710054，China；2.Institute of Geotechnical Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

The strength reduction FEM plays an important role in the slope stability analysis. But the strength reduction FEM often gets the safety factor of slope by the dichotomy, which is less efficient because of its need for trial. With the secondary development platform UFIELD program of ABAQUS, the strength reduction FEM based on the field variable is realized by defining the field variable of the software as the reduction factor and establishing the relationship between the time step and strength parameters and field variable. This method only submits an analysis to calculate the safety factor of the slope effectively. Based on the principle that the equivalent plastic strain of the sliding zone is maximum, the searching for the location of the potential slip surface of the slope is realized using point by point searching method of different vertical profiles. Finally, taking the two typical slope as examples, the comparative analysis of the potential slip surface and safety factor is made by the traditional limit equilibrium method of M-P and the method proposed in this paper. Thus, the validity of the method proposed in this paper is verified.

strength reduction FEM of the slope；field variable；maximum equivalent plastic strain；potential slip surface

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.04.013

2016-02-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(51679199)；水利部公益性行業(yè)科研專項基金資助項目(201501034-04);陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程重點實驗室資助項目(2014SZS15-Z01)

候玲，女，副教授，研究方向為計算力學(xué)。E-mail：houling@xaut.edu.cn

TU43

A

1006-4710(2016)04-0449-06