浅谈基于ABAQUS软件的土石坝坝坡稳定分析

浅谈基于ABAQUS软件的土石坝坝坡稳定分析摘要将ABQAQUS软件与强度折减有限元法相结合，对土石坝坝坡进行稳定性分析。通过实例分析，表明该法可得到坝坡稳定安全系数以及以较准确形象地预测坝坡潜在滑裂面的位置及评价边坡的稳定性，在实际工程中对坝坡稳定性分析是简便实用的。关键词土石坝ABAQUS软件渗流边坡稳定分析土石坝坝坡稳定分析是岩土工程中理论性和实践性很强的问题，也是经典力学最早试图解决而至今仍不能圆满解决的问题，是一个古老而又复杂的课题。用于土石坝坝坡稳定性分析的方法较多，大体上包括极限平衡法、极限分析法、有限元法和极限分析法等，其中应用最广泛的是前两种方法。近年来，随着计算机技术的发展，有限元法已作为一种强有力的数值计算方法被引入到土石坝坝坡稳定分析中。与基于塑性极限平衡原理的传统方法相比，有限元法全面满足了静力许可，应变相应和应力-应变之间的本构关系，在理论上是完备的；有限元法又是数值分析方法，不受几何形状的不规则、边界条件的多样性和材料的不均匀性的限制，更重要的是有限元法可以分析变形与应力变化的过程，真实地反应坝坡的受力状态；有限元法不但能考虑坝坡沿软弱结构面的破坏，而且能分析坝坡的整体破坏，在土石坝坝坡的稳定分析中得到了广泛的应用。强度折减弹塑性有限元法是目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，它将强度折减技术与弹塑性有限元方法相结合，在给定的评判指标下，通过调整折减系数对边坡的稳定性进行分析，求得边坡的最小稳定安全系数。本文采用大型有限元分析软件ABAQUS，定义温度场使材料强度参数随着温度场的变化而变化，结合强度折减有限元法对土石坝坝坡进行稳定性分析，得到安全系数。一、强度折减的基本概念极限平衡法将边坡稳定安全系数定义为沿整个滑移面的抗剪强度与实际抗剪强度之比，以此来分析边坡的稳定性。有限元强度折减系数法基本思想与此一致，它将极限平衡法的安全系数定义与有限元相结合，按照某一系数Fs逐步将土的实际抗剪强度参数进行折减。用折减后的抗剪强度进行一系列的有限元分析，直至所选定的强度折减系数Fs使得边坡达到临界失稳状态，此时的Fs即为安全系数。有限元强度折减系数法的基本原理是：将坡体强度参数黏聚力c′和内摩擦角φ′值同时除以强度折减系数Fs，然后用折减后的虚拟强度指标、值作为新的材料参数输入，再进行计算，直到边坡达到极限状态为止，对应的Fs被称为边坡的安全系数。此时边坡达到极限状态，发生剪切破坏，同时可得到临界滑动面。由此可见：有限元强度折减法与极限平衡法中所定义的边坡稳定安全系数在本质上是一致的，都具有强度贮备的意义。二、强度折减有限元法在ABAQUS中的实现ABAQUS是世界上先进的大型通用有限元分析软件之一。它在材料、几何与接触非线性方面的分析能力居世界领先水平，其涵盖丰富的材料模型库，可以更准确地模拟土体这种特殊材料。在解决岩土力学中复杂的非线性问题方面优势显著，故在岩土工程分析中得到了广泛的应用。1.屈服准则的选取。有限元强度折减法在求解实际坝坡稳定问题时，通常将土体假设成理想弹塑性体。因为土石坝坝坡的稳定问题都是力和强度问题，而不是位移问题，因而对本构关系的选择不十分严格，可选用简单的理想弹塑性模型，不考虑材料的硬化与软化。但对强度准则的选取则有严格的要求，以前该法计算精度不高，多数是由于强度准则选取不当所致。岩土材料常用的准则有Mohr-Coulomb（MC）准则，Drucker-Prager（DP）准则以及摩尔-库仑等面积圆准则。在本文的有限元计算中采用岩土工程中最常用的MC准则作为屈服准则。对有限元计算中的极限状态的确定，不同的研究者有着不同的方法。Dawson等、郑颖人等认为解的不收敛即为极限状态；Griffiths等通过绘制边坡内某一点的位移与强度折减系数之间的关系来判定极限状态，从而确定边坡的安全系数；栾茂田等认为随着材料强度的降低，塑性区会有一个自由面向另一个自由面贯通，此时为极限状态。本文通过跟踪坝坡控制点，分析其位移-时间关系曲线、监视结构中等效塑性应变分布的发展过程并结合计算的敛散性，从多个角度判定结构的极限状态。三、算列分析1.计算模型。某黏土心墙坝，坝顶高程2254.0m，上设防浪墙，坝顶宽8.0m，最大坝高45.0m；上游坝坡坡比为1:2.5，在高程2237.6m处结合上游围堰留有38.7m的平台；下游坝坡坡比为1:2.0，在高程2238.0m处设有宽为8.0m的马道。黏土心墙为对称心墙，位于坝基混凝土垫层上；心墙顶高程2251.0m，顶宽3.0m，最大底宽28.2m，最大高度42.0m，心墙上、下游侧坡比为1:0.3；心墙两侧设反滤层及反滤过渡层：心墙下游设两层，第一层为砂反滤层，第二层为混合沙砾料，都为3.0m宽。取土石坝河床部位最大横断面为计算的典型剖面，进行有限元分析，得到坝体在不考虑渗流作用下的竣工期的坝坡稳定安全系数和滑裂面形状和位置。计算时基底采用刚性边界，两侧为水平约束，上部自由。2.计算成果分析。在本文计算工况下，可计算出下游坝坡坡顶节点水平位移与加载时间步t的关系曲线。根据本文建议的综合考虑特征点的位移突变、等效塑性应变发展以及计算的敛散性，通过计算分析得到坝体失稳的安全系数为Fs=1.724。另外，在整个强度折减过程中，计算在t=0.466时下游坝体刚好发生塑性区贯通，同时说明坝体在计算不收敛前已经发生屈服。可以判定t=0.466坝体坝坡处于极限状态，结构的安全系数Fs=1.724。对本算例，同时按照简化Bishop条分法进行极限平衡分析，计算得到的安全系数为1.71。以本文算法求得的安全系数比Bishop法高出0.82%，幅度在10-3数量级，此误差在可接受范围内，表明本文建议的方法是合理、可行的。四、结束语本文将ABAQUS软件中材料参数是可以随温度变化的功能与强度折减有限元法相结合，提出了以综合考虑特征点的位移突变、计算的敛散性和塑性区贯通为坝体的极限状态的批判依据，形象地描绘出坝坡失稳形态、滑裂面破坏位置，为准确判定坝坡的真实受力状态提供可靠依据。算例分析表明，由此方法所确定的临界稳定安全系数与简化Bishop法所得结果吻合，说明计算结果可信、本文方法合理可行；该法还可以较准确形象地预测坝坡潜在滑裂面的位置及评价边坡的稳定性，在实际工程中对坝坡稳定性分析是简便实用的。