基于强度折减法的边坡稳定性有限元分析

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1、基于强度折减法的边坡稳定性有限元分析浙江省地球物理地球化学勘查院310000摘要：将有限元强度折减法与ABAQUS软件相结合，对夹层和均质边坡进行数值计算，利用软件的后处理功能分析水平位移、塑性区分布和扩展情况，以此来评价该边坡稳定性。并用极限平衡法对强度折减法计算结果进行验证，指出强度折减法的优越性。此外，还分析软弱夹层、泊松比、剪胀角和网格划分技术对边坡在自重应力场作用下强度折减系数的影响。结果表明：含若夹层的强度安全系数比不含弱夹层的边坡安全系数明显减小：若以位移拐点作为边坡稳定的评价标准：强度安全系数几乎不受泊松比的影响；若以数值计算不收敛作为评价标

2、准，则强度安全系数随着泊松比的增大而增大；此外，强度安全系数随着剪胀角的增大而增大。关键词：强度折减法，边坡稳定性分析，极限平衡法0引言边坡稳定性研究一直是岩土工程领域的热点研究问题。正确得对边坡稳定性进行综合评价分析，对高阶工程的经济建设異有重要的指导和实践意义。传统的边坡稳定性分析是极限平衡原理，方法简单，以及容易掌握，但其假设的条件较多，且不能考虑岩土内部的应力应变关系，无法分析边坡破坏发展的过程,且滑动面的确定需要一定经验等缺陷［1-2］。然而，强度折减法概念明确，结果直观，将其与有限元相结合，既保持了有限元在模拟复杂问题上的优点，乂能获得可靠的安全

3、系数结果，在工程上得到了越来越多的应用。如：栾茂田等［3］采用广义塑性应变与塑性开展区作为失稳判据可以比较准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及相应的稳定安全系数，并验证了这种失稳判据的合理性；卜林等［4］应用强度折减法对含软弱结构面岩坡进行稳定性分析，证明了软弱结构面是控制岩质边坡破坏的主要因素。张兽渝等［5】较为全面地分析了土体屈服准则的种类、有限元法自身计算精度以及坡高、坡角、粘聚力和摩擦角对折减系数法计算精度的影响。连镇营等［6】用强度折减有限元方法对开挖边坡的稳定性进行了较为全面的研宄，并指出强度折减有限元方法适用于开挖边坡的稳定性分析。因此，强度

4、折减弹塑性冇限元法是0前在边坡稳定分析中适用性广泛、前景良好的一种数值分析方法。对此，本文采用大型有限元分析软件ABAQUS,并结合强度折减有限元法进行土质边坡稳定性分析，以ABAQUS模拟计算结果，描绘出塑性应变的发展及塑性区的范围，同时详细的分析了弱夹层、泊松比、剪胀角和网格划分技术对边坡稳定性的影响。1强度折减法的概念强度折减法最早是由Zienkiew.cz等［7】在1975年土工弹塑性奋限元数值分析一文中首次提出的,由此所确定的强度储备安全系数与BishoP［8］在极限平衡法中所给的稳定安全系数在概念上是一致的。抗剪强度折减系数定义为：在外荷载保持不

5、变的情况下，边坡内土体所发挥的最大抗剪强度与外荷载所产生的实际剪应力之比。当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相同吋,这种抗剪强度折减系数定义为边坡的整体稳定安全系数，由此所确定的安全系数可以认为是强度储备安全系数。当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相同吋，这种抗剪强度折减系数相当于传统意义上的边坡整体稳定安全系数F。折减后的抗剪强度参数分别为：(1)(2)式中，c和φ是土体所能够提供的抗剪强度；cr和φr是土体实际发挥的抗剪强度；Fr是强度折减系数。2基于abaqus的强度折减法的实现在ABAQUS中，材料的参数是可以随温度或场变量变

6、化的，可以实现强度参数(材料的内摩擦角和黏聚力)的降低，从而导致某单元的应力和强度配套，不能承受的应力将逐渐转移到周围土体单元中去，当出现连续滑动面(屈服点连成贯通面）之后，土体就将失稳。具体步骤为［9】：（1）定义一个场变量，通常就将其取为强度折减系数Fr;（2）定义随场变量变化的材料模型参数；（3）在分析开始指定的场变量的大小，并对模型施加重力（体力）荷载，建立平衡应力状态，为了避免这个时候破坏，Fr可取得较小，如Fr<l.即放大了强度；（4）在后续分析步中线性增强场变量Fr,计算中止（数值不收敛）后对结果进行处理，按照失稳评价标准确。模型采用Mo

7、hr-Coulomb强度准则，即屈服准则为：⑶式中：II、」2分别为应力张量第一不变量和应力偏张量第二不变量；θa为疲力罗德角；c为土的粘聚力；φ为土的内摩檫角。3算例本算例为三层边坡。坡脚为45°,坡高为10m,中间夹层为1.8m,顶层和底层土性相同，并与几何尺寸相同的均质边坡案例进行对比分析。土层的基本力学参数如下表1所示。表i土层基本属性土层γ/kN/m3c/kPaφ/°E/MPaμI、III2012.4200.35II2010151000.35利用ABAQUS有限元软件建立边坡的模型，模型

8、底部设置刚性约束，两侧设置水平约束，对模型只施加体力