基于ABAQUS数值模拟法降雨条件下的边坡稳定性分析.pdf

江西建材岩土工程与勘察1522023年7 月基于 ABAQUS数值模拟法降雨条件下的边坡稳定性分析刘仁兵1,许 巧21.中大智能科技股份有限公司，湖南 长沙 410036；2.长沙理工大学，湖南 长沙 410114摘 要：针对现场勘察常见的滑坡问题，文中以室内试验测定的力学参数为基础，通过 ABAQUS模拟软件建立滑坡地质力学模型，研究滑坡过程中力学特性，针对天然情况以及暴雨状态下边坡的稳定性以及滑动区岩土体的位移场、塑性区进行边坡的稳定性分析。结果表明，以坡顶处位移突变和塑性区是否贯通为评价标准时，边坡稳定安全系数最贴近实际工况，降雨后的安全系数急剧下降说明边坡有必要进行支护。关键词：数值模拟；ABAQUS；降雨；边坡稳定中图分类号：TU444 文献标识码：B文章编号：1006-2890（2023）07-0152-04Slope Stability Analysis under Rainfall Conditions Based on ABAQUS Numerical Simulation MethodLiu Renbing1，Xu Qiao21.Zhongda Intelligent Technology Co.Ltd.,Changsha,Hunan 410036;2.Changsha University of Science&Technology,Changsha,Hunan 410114Abstract:In view of the common landslide problems in the field survey,based on the mechanical parameters measured in the laboratory test,the geological and mechanical model of the landslide was established through ABAQUS simulation software,and the mechanical characteristics in the landslide process were studied.The stability of the slope under natural conditions and rainstorm conditions,as well as the displacement field and plastic zone of the rock and soil mass in the sliding zone,were analyzed for the stability of the slope.The results show that the Factor of safety of slope stability is most close to the actual working condition when the sudden change of displacement at the top of the slope and whether the plastic zone is connected are the evaluation criteria.The sharp decline of the Factor of safety after rainfall indicates that the slope is necessary to be supported.Key words:Numerical simulation;ABAQUS;Rainfall;Slope stability0 引言21世纪以来，我国基础建设快速发展，大量资金投入道路、桥梁、水利工程中。岩土边坡稳定性和后续维护，直接影响到人员和工程安全，是当前建设的关键问题。深入研究岩土边坡力学特性、地质条件和周边环境等影响因素，可以揭示其变形与破坏机制；对岩土边坡稳定性进行综合分析评价，可以预测潜在灾害风险，采取相应防护措施，二者有助于优化设计方案、提高施工效率，降低事故风险，保障施工安全。此外，合理评估岩土边坡稳定性可以为工程建设提供可靠的技术支持，提高项目质量，确保按时交付。近年来，边坡稳定性分析多采用有限元强度折减法与极限平衡法。极限平衡法就是把边坡条分出来，把分出来的土条看作刚体，再建立土条之间的力学平衡方程求解滑坡安全系数1。假定滑坡最小安全系数滑动面为边坡真实滑动面。相比极限平衡法，有限元强度折减法可以选取任意形状边坡进行分析，得到最小安全系数。同时，有限元数值模拟法可以非常直观真实地反映边坡位移、塑性区的变化过程2。极限平衡法遇到特殊复杂土体时，往往无法考虑土体内部的应力应变情况，需要更加精准地分析边坡，这时可利用数值模拟软件的强度折减法模拟滑坡坡体内部的应力应变。为分析各种方法之精确度，张鲁等3对大量实例加以研究，确认不同方法推算的最小安全系数较为相近。郑颖人等4研究了有限元强度折减法的计算效果及精确度，并就提高精确度给出了具体措施。赵尚毅等5采用强度折减法进行节理岩质边坡非线性有限元建模分析，得出节理岩质边坡滑动面及边坡稳定系数。有限元强度折减法理论由 Zienkiewicz O.C6提出。强度折减法主要用于非均匀材料，例如土体破坏的研究，还可应用于边坡的稳定性的研究分析7。Griffiths D.V等8提出了边坡失稳的依据。SHI等9利用等效塑性应变带的连接作为破坏准则。本文在现场边坡调查研究的基础上，结合室内试验建立边坡滑动地质力学模型，以土体地质力学参数为依据，运用ABAQUS数值模拟软件建模分析边坡稳定性，对暴雨条件及天第一作者：刘仁兵（1992-），男，湖南耒阳人，硕士，工程师，主要研究方向为桥梁检测和道路检测。江西建材岩土工程与勘察1532023年7 月然状态下坡体稳定性进行了分析，并对坡体位移场及塑性区等方面进行了分析与研究。1 工况背景施工现场所处地区为低山丘陵地貌单元，坡体自然坡度为45，坡高为20 m，坡底土层厚度为10 m。土的干密度为1.4，有效黏聚力15 kPa，有效内摩擦角为30，变形模量为40 MPa，泊松比为0.3，饱和渗透系数0.018 m/h，初始孔隙比为1。边坡失稳原因是连续长时间降雨使得雨水下渗，雨水不断在坡体下部聚集，使得土体达到饱和状态，抗剪强度急剧降低，导致坡体下部破坏。下部土体发生滑移，上部在下部的牵引下发生滑移，最终造成整个坡体的失稳破坏。由此可见，降雨因素影响很大，有必要对此边坡的稳定性进行分析。2 计算理论和计算方法2.1 ABAQUS软件介绍ABAQUS数值模拟软件是一种功能强大的非线性有限元分析软件，能对十分复杂的结构体系进行模拟，在非线性岩土材料处理中也凸显了其优越性。ABAQUS数值模拟软件能够对不同材料进行计算，模拟不同荷载作用下的工程，处理多种接触条件下非线性组合问题，还可以进行非常强大的后处理。ABAQUS数值模拟软件使用简单，可以解决复杂建模问题且具有较高精度，在工程界应用广泛。其包含海量单元库，可模拟任意形状，建立几何模型，同时包含海量材料模型库，可对各种典型材料进行性能模拟。处理结构接触面非线性问题及几何边界条件非线性问题，地应力平衡及其他复杂外荷载作用有较好的效果。采用有限元强度折减法前，我们有必要先界定坡顶是否满足临界破坏评价标准。本文以坡体塑性区贯通与否、坡顶位移出现拐点、ABAQUS软件结果收敛与否等，作为土体边坡失稳破坏的评判标准。2.2 强度折减法应用有限元模拟软件模拟边坡，通常情况下，边坡最小安全系数采用强度折减法计算。强度折减有限元法是对土体力学参数进行连续折减，如有效黏聚力 c，有效内摩擦角 等。采用 ABAQUS数值模拟软件对达到一定判别标准极限破坏状态时的滑坡破坏面进行计算，获得边坡折减系数，如式（1）所示10。（1）（2）式中，c为土体能够提供的抗剪强度（MPa），为土体能够提供内摩擦角（），cr为折减的黏聚力（MPa），r为折减的内摩擦角（），Fs为折减系数。2.3 数值模拟计算模型实践中，边坡受力较为复杂，通常需要三维空间力学计算和分析。然而，众多工程要使边坡分析过程简化，就必须把三维力学归结为二维力学问题。二维有限元计算分析很大程度上降低了三维有限元计算分析中求解的复杂程度，还可以满足对精度的要求。文中选取了该滑坡剖面，对边坡稳定性进行分析。ABAQUS有限元计算模型网格划分见图1。图1 有限元网格划分示意图为有效计算和分析边坡模型，应约束模型两侧水平位移、固定模型底部位移，满足两种边界条件。ABAQUS有限元模拟软件需采用具体计算单元分析模拟边坡稳定性，文中选用了4 个节点平面应变单元，所建边坡模型有网格1 300 个，节点1 381 个。2.4 边坡失稳判断分析边坡产生不稳定的本质是土体边坡内滑面整体剪切破坏。当处于极限平衡状态时，坡体外只需受到微小的干扰即可打破原平衡状态，继而破坏坡体。近年来，判断边坡失稳主要有以下几种类型：（1）数值模拟有限元软件在计算时如果不收敛，就可以判定边坡处于失稳状态；（2）有限元模拟软件计算过程中，滑移面塑性区如果从坡脚处贯通至坡顶处，此时，边坡体就处于整体性失稳状态；（3）将边坡体滑动面应变及一些特殊点位置发生突变视为边坡体失稳依据。3 强度折减有限元法计算3.1 分析边坡的滑移体的塑性区ABAQUS有限元软件模拟边坡时，选择强度折减系数0.52.0 进行计算。折减系数继续增大时，边坡体强度有效内摩擦角、有效黏聚力两项指标将得到控制，而后降低。设置降雨速率为0.02 m/h，降雨时间为120 h，总降雨量为2 400 mm，属于特大暴雨。观察对比滑坡的塑性区变化过程，当塑性区贯通或者即将贯通时，则可判定边坡处于即将失稳状态。塑性区由坡脚处向坡顶贯穿时，坡面发生失稳现象，这时 ABAQUS软件包在运行过程中产生不收敛现象，进入无限流动破坏状态，计算完成后观测此时强度折减系数。对比降雨前后的塑性区贯通时的强度折减系数，则可掌握降雨对边坡稳定性的影响。图2 降雨前塑性区/m江西建材岩土工程与勘察1542023年7 月图3 降雨后塑性区/m从图2 可以看出，降雨前塑性区贯通的强度折减系数 Fs为0.88；从图3 可以看出，降雨后塑性区的强度折减系数 Fs为1.16。3.2 确定安全系数运用 ABAQUS软件数据处理功能 Operate on XY data的Combine函数，绘制强度折减系数 F随坡体顶点水平位移 U1 变化而发生变化的曲线图，如图4 所示，分别是降雨前、后变化关系曲线。若以数值计算结果未收敛为评价标准进行土坡稳定性分析，则降雨前安全系数为1.16，降雨后安全系数0.88。如果以位移拐点作为边坡稳定性的评价标准，降雨前安全系数F=1.18，降雨后安全系数 F=0.98。图4（a）降雨前 FS随 U1 的变化曲线图图4（b）降雨后 FS随 U1 的变化曲线图若以塑性区贯通与否判断安全系数大小，利用 ABAQUS，对边坡在天然状态下的失稳破坏过程进行仿真分析，得出塑性区发展受折减系数变化影响，详见图2。同时，应用 ABAQUS模拟边坡，经过120 h强降雨后，失稳破坏过程中塑性区的变化过程如图3 所示。数值模拟计算结果不收敛，得到降雨前的安全系数为1.16，降雨后的安全系数为0.88；塑性区完全贯通时降雨前的安全系数为1.17，降雨后的安全系数为0.99；以坡顶处位移的拐点为评价参照，降雨前的安全系数为1.18，降雨后的安全系数为0.98；通过对比可知，以坡顶处的位移拐点和塑性区的贯通为标准，评价坡体是否失稳时的安全系数较为接近。这两种边坡失稳的情况是同时发生的，导致两种评价标准下的安全系数较为接近，数值模拟计算结果未收敛导致坡体失稳破坏评价标准安全系数存在很大差异。总之，所得结论可用于实际工程，观察塑性区贯通和坡顶位移拐点情况，据此评判边坡失稳情况，判定边坡整体处于稳定状态。3.3 位移场分析图5 是边坡在天然工况下的整体位移变形云图；图6 观测到，滑坡降雨前位移可忽略。降雨后滑坡前缘位移最大为2.38 cm；滑体后缘处存在小段滑移，大小约0.95 cm，边坡的滑移状态主要表现为后缘滑体带动前缘滑体滑移。边坡为滑移-拉裂型滑动模型，这与现场实际勘察情况相吻合。暴雨条件下滑坡的最大位移出现在坡体前缘，受降雨影响滑体处于饱和状态，与天然状态相比自重增大，故下滑力增大；土体饱和抗剪强度的降低使得降雨后滑体位移比天然状态下的大。图5 降雨前位移/m图6 降雨后位移/m4 结语本文根据室内试验力学参数，通过 ABAQUS数值模拟软件对边坡进行研究，探讨天然状态与暴雨条件下的边坡稳定性，得到了土体边坡在自然状态和暴雨状态下发生失稳的安全系数。土体边坡在自然情况下，安全系数为1.18，塑性区完全贯通的土体边坡处于欠稳定状态。由位移场可得，滑坡的滑动方式为滑移-拉裂型。与天然状态相比较，暴雨状态时塑性区由坡脚向坡顶贯穿，坡体位移显著增加，边坡出现显著滑动，这时安全系数达到0.98，判定边坡失稳。对比分析三种评价边坡是否发生失稳破坏标准下的安全系数发现，以坡顶处位移突变和塑性区是否贯通为评价标准时，安全系数与实际工程更加贴合。边坡模拟分析可观测滑坡在两种不同条件下的变形和破坏过程，在持续暴雨条件下，滑坡随时可能产生显著滑移，因此，采取加固措施十分必要。（下转第157页）江西建材岩土工程与勘察1572023年7 月算公式为：（2）式中，Fs为安全系数，mi为计算系数，i为内摩擦角（），R为滑面半径（m）。该场地地震烈度为7度，地震作用综合系数为0.25，地震作用重要性系数为1.0，条分法土条宽度取2.0 m，当土条重切向分力与滑动方向相反时，视作抗滑力处理。根据土工试验结果并结合地区岩土设计参数经验值进行调整，选取最终计算参数值，具体参数见表3。3.2 计算结果分析将计算参数进行分析计算，可得最不利滑动面计算结果，如表4 所示。表4 最不利滑动面计算结果计算工况自然状态降雨状态滑动圆心（以坡脚为原点）/m2.057,22.6802.057,22.680滑动半径（以坡脚为原点）/m22.77322.773滑动截面积/m282.86782.867总的下滑力/kN755.653867.982总的抗滑力/kN1 200.5151 081.798滑动安全系数1.5891.246由计算结果可知，边坡在自然状态下的安全系数为1.589，满足边坡规范对二级边坡（采用圆弧滑动法）稳定安全系数的要求（1.25）。在降雨饱和状态下，安全系数降为1.246，处于临界稳定状态，但安全储备较少，不满足规范稳定安全要求。由于边坡表层砼护面未设置泄水孔，持续强降雨后，边坡体内地下水位升高，且无正常途径排泄，水、土压力极易在坡脚处形成应力集中区域。由于坡脚护脚毛石墙厚度较薄，埋深较浅，在上述压力作用下，其易发生倾覆变形，从而导致墙身开裂、坡脚地面变形，潜在地质灾害隐患大，需尽快组织边坡治理加固工作。4 结语本文通过对岩土工程勘察技术的综合应用与分析，针对研究对象得出以下结论。（1）该边坡工程地质环境中等，研究区域内有2 条断裂但未见断层通过，地质结构稳定，水文地质条件简单。（2）场地内目前尚未发生崩塌、滑塌等地质灾害，已发不良地质现象为挡墙开裂、地面变形及砼护面老化，预测地质灾害为边坡失稳，表现形式为滑坡。参考文献 1 罗元冲.关于复杂地质条件下岩土工程勘察的应用研讨J.世界有色金属，2017（5）：144-146.2 田敏辉.基于复杂地形地质条件下岩土工程勘察技术的研究 J.建材与装饰，2017（33）：233-234.3 岳小飞.复杂地质条件下岩土工程勘察技术的运用J.有色金属设计，2022，49（3）：117-120.4 陶忠平.复杂地形地质条件岩土工程勘察实践与探索J.岩土工程学报，2007（8）：1178-1183.5 鄢油纤，丛沛桐，侯剑山.地质雷达在地面沉降探测中的应用 J.陕西水利，2021（1）：22-24.6 王强，于雷.地质雷达在软土地区基坑监测中的应用J.建筑技术开发，2019，46（2）：153-154.表3 稳定计算参数值地层名称及成因代号天然抗剪强度饱和抗剪强度天然重度/（kN m-3）黏聚力 c/kPa内摩擦角/饱和重度/（kN m-3）黏聚力 c/kPa内摩擦角/含砾粉质黏土21.02225241921粉质黏土202024221720参考文献 1 钟志辉.基于应力场和变形场的边坡稳定性研究D.武汉：武汉大学，2016.2 王杜，王朦，李者，等.含软弱夹层路堑边坡开挖变形及稳定性分析J.交通科学与工程，2022（3）：26-32.3 夏梓强，王新.基于局部强度折减法和本构模型的非均质边坡稳定分析J.云南水力发电，2022，38（11）：64-67.4 郑颖人，赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用J.岩石力学与工程学报，2004（19）：3381-3388.5 赵尚毅，郑颖人，邓卫东.用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析J.岩石力学与工程学报，2003（2）：254-260.6 Zienkiewiccz O C，Humpheson C，Lewis R W.Associated visco-plasticity and plasticity in soil 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