岳夢(mèng)蕾,劉光漢,歐陽(yáng)天云,余紅兵

(貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司, 貴州貴陽(yáng) 550002)

基于ABAQUS的邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

岳夢(mèng)蕾,劉光漢,歐陽(yáng)天云,余紅兵

(貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司, 貴州貴陽(yáng) 550002)

為了分析不同因素與邊坡穩(wěn)定性的相互關(guān)系,借助了ABAQUS有限元模擬軟件通過(guò)強(qiáng)度折減法,采用控制變量的方法建立了仿真模型,分析了彈性模量、容重、邊坡高度、坡面角、粘聚力以及內(nèi)摩擦角單因素變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,得到了不同參數(shù)下安全系數(shù)隨影響因素?cái)?shù)值變化的規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明:彈性模量的變化對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響不大,巖土的容重、邊坡高度和坡面角與邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)呈線性負(fù)相關(guān),巖土的粘聚力和內(nèi)摩擦角與邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)呈線性正相關(guān)。

邊坡穩(wěn)定性;強(qiáng)度折減法;ABAQUS;控制變量法

0 引 言

邊坡穩(wěn)定性研究一直是巖土工程領(lǐng)域復(fù)雜的綜合性工作。受到多種內(nèi)外因素的影響,如何對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性的各因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),進(jìn)而指導(dǎo)工程實(shí)際,對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和工程經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義[1-2]。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算是指用量化指標(biāo)評(píng)定邊坡的穩(wěn)定與否,并對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),以及可能變化發(fā)展的趨勢(shì),通過(guò)量化指標(biāo)對(duì)邊坡的工程設(shè)計(jì)提出指導(dǎo)性意見(jiàn)。之前學(xué)者一般采用極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性,該方法易于掌握,計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單快捷,但需預(yù)先假定滑動(dòng)面所處的工況條件,同時(shí)不能考慮巖土實(shí)際應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系,不能分析滑體內(nèi)的應(yīng)力、變形分布狀況,具有較大的局限性。后期學(xué)者提出基于強(qiáng)度折減法的有限元邊坡穩(wěn)定分析方法,能夠分析巖體本身的變形對(duì)邊坡變形計(jì)穩(wěn)定性的影響,同時(shí)能夠考慮巖土的非線性本構(gòu)關(guān)系,還能模擬邊坡的滑坡過(guò)程及其滑移面形狀以及巖土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用[3-5]。

本文將建立基于工程實(shí)例的ABAQUS有限元模型,對(duì)可能影響邊坡穩(wěn)定的6個(gè)因素(彈性模量、容重、粘聚力、內(nèi)摩擦角、邊坡高度、坡面角)通過(guò)強(qiáng)度折減法進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)值仿真模擬,進(jìn)而得出各個(gè)因素對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響,為邊坡的合理建設(shè)、穩(wěn)定性預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)[6-7]。

1 基于強(qiáng)度折減法的有限元基本原理

基于有限元基本原理,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在強(qiáng)度折減法中定義為巖土的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)折減后剪切強(qiáng)度的比值。即定義安全系數(shù)可以通過(guò)調(diào)整巖土的強(qiáng)度指標(biāo)C和φ,如公式(1)、公式(2)所示(式中,CF為折減后的粘結(jié)力,φF為折減后的摩擦角,Ftrial為折減系數(shù)),對(duì)折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行模擬仿真計(jì)算,當(dāng)剛好達(dá)到邊坡臨界破壞極限時(shí)的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)Fs。此種工況下,邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài),安全系數(shù)數(shù)值等于對(duì)巖體的抗剪強(qiáng)度所進(jìn)行的折減系數(shù)。本文以有限元數(shù)值迭代不收斂為主要判據(jù),輔以塑性區(qū)貫通為補(bǔ)充,用邊坡安全系數(shù)為判據(jù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 數(shù)值仿真模擬

2.1 模型建立

圖1為某工程施工中一勻質(zhì)的簡(jiǎn)單土質(zhì)邊坡,坡高為10m,坡角為45°,坡腳以下土層厚度為5 m,巖土材料服從Mohr－Coulomb破壞準(zhǔn)則,根據(jù)工程試驗(yàn)取巖土容重為20kN/m3,彈性模量為100 MPa,泊松比為0.35,粘聚力c＝12.38kPa,內(nèi)摩擦角φ＝20°,減脹角φ＝0°,建立計(jì)算模型,模型中單元采用8節(jié)點(diǎn)的平面應(yīng)變縮減單元(CPE8R),基于ABAQUS模擬計(jì)算團(tuán)建采用平面應(yīng)變有限元理論通過(guò)強(qiáng)度折減法對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

圖1 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

本文利用特征點(diǎn)位移來(lái)確定安全系數(shù),選取坡頂靠近邊坡的頂點(diǎn)作為特征點(diǎn),得到其位移隨折減系數(shù)的關(guān)系(見(jiàn)圖2),圖中當(dāng)折減系數(shù)為0.5～0.99區(qū)間內(nèi)變化時(shí),邊坡頂點(diǎn)未發(fā)生明顯變化,當(dāng)折減系數(shù)為0.99～1.02區(qū)間內(nèi)變化時(shí),邊坡頂點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)生下滑,折減系數(shù)為1.03時(shí),頂點(diǎn)位移急劇增加,此時(shí)邊坡的的塑性區(qū)已貫穿,如圖3所示,表征邊坡已失去穩(wěn)定。通過(guò)塑性區(qū)形態(tài)和坡頂點(diǎn)位移與折減系數(shù)的關(guān)系,綜合得出該邊坡的安全系數(shù)為1.03。

圖2 坡頂點(diǎn)位移與折減系數(shù)的關(guān)系

圖3 折減系數(shù)為1.03時(shí)的塑性區(qū)

3 模擬不同因素對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響

采用控制變量法,在其他條件不見(jiàn)得情況下,模擬單因素變化對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響,以彈性模量、容重、邊坡高度、坡面角、粘聚力、內(nèi)摩擦角為影響因素,分別取40%、70%、100%、130%、160%作為單因素變化率,計(jì)算不同參數(shù)下模型的安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 單因素變化對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

根據(jù)表1分別畫(huà)出不同參數(shù)工況下對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律曲線,見(jiàn)圖4～圖9。

圖4 彈性模量對(duì)安全系數(shù)影響

圖5 容重對(duì)安全系數(shù)影響

圖6 邊坡高度對(duì)安全系數(shù)的影響

圖7 坡面角對(duì)安全系數(shù)影響

圖8 粘聚力對(duì)安全系數(shù)影響

圖9 內(nèi)摩擦角對(duì)安全系數(shù)的影響

由圖4～圖9可以看出:

(1)安全系數(shù)不隨彈性模量的變化而發(fā)生明顯的變化,在一般的工程實(shí)例中,由于巖土的彈性模量均在一定取值范圍內(nèi),而彈性模量表現(xiàn)為應(yīng)力與應(yīng)變的比值,其變化會(huì)影響變形,但不會(huì)影響應(yīng)力場(chǎng),而安全系數(shù)只依賴于應(yīng)力場(chǎng),表面彈性模量的大小并不能影響應(yīng)用強(qiáng)度折減法求得的安全系數(shù);

(2)隨著容重的增加,邊坡安全系數(shù)線性減小,這是因?yàn)楫?dāng)巖土容重增加時(shí),坡體的重力增加,沿坡向的下滑力也隨著增加,從而穩(wěn)定性降低,安全系數(shù)減小;

(3)隨著邊坡高度的增加,邊坡的安全系數(shù)線性減小,這是由于當(dāng)邊坡高度增加時(shí),坡體的重力增加,其下滑力也必然增加,從而穩(wěn)定性降低,安全系數(shù)減小;

(4)隨著坡面角的增加,邊坡的安全系數(shù)線性減小,這是由于,當(dāng)坡面角增大后,沿坡向的下滑力增加,剪應(yīng)力增大,邊坡的穩(wěn)定性降低,安全系數(shù)線性減小;

(5)隨著粘聚力和內(nèi)摩擦角的增加,邊坡的安全系數(shù)線性增大,這是由于隨著巖土粘聚力的增加(內(nèi)摩擦角的增加),巖土的抗剪能力增大,抵抗滑坡的能力增加,安全系數(shù)增大。

4 結(jié) 論

巖土的彈性模量對(duì)邊坡的穩(wěn)定性基本無(wú)影響,巖土的容重、邊坡高度和坡面角的量化值與邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)性呈線性負(fù)相關(guān),巖土的粘聚力和內(nèi)摩擦角的量化值與邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)性呈線性正相關(guān)。在實(shí)際施工中,路基填土應(yīng)盡量選擇容重小的巖土,并盡量降低邊坡的高度,條件允許的前提下巖土應(yīng)使坡面角盡可能小,以及選擇強(qiáng)度高的巖土,對(duì)類此邊坡工程實(shí)例中考慮不同邊坡穩(wěn)定性影響因素的權(quán)重大小分析中提出了指導(dǎo)意義。

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2017-03-18)

岳夢(mèng)蕾(1971－),貴州貴陽(yáng)人,工程師,從事爆破事業(yè)管理工作,Email:602574716＠qq.com。