应用ABAQUS程序进行渗流作用下边坡稳定分析-张晓咏

第29卷增1岩石力学与工程学报Vol.29Supp.12010年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay，2010收稿日期：2009–01–05；修回日期：2009–06–09基金项目：国家自然科学基金资助项目(50678038)；福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划项目(TM2006–30)作者简介：张晓咏(1982–)，男，2005年毕业于福州大学土木工程学院土木工程专业，现为博士研究生，主要从事边坡稳定分析、滑坡治理等岩土工程方面的研究工作。E-mail：[e-mail]。通讯作者：戴自航(1966–)，男。E-mail：[e-mail]应用ABAQUS程序进行渗流作用下边坡稳定分析张晓咏，戴自航(福州大学岩土工程研究所，福建福州350108)摘要：为进行渗流作用下的边坡稳定性分析，需考虑渗流场与应力场之间的相互耦合作用。ABAQUS有限元程序具有良好的渗流和变形耦合分析功能，能将渗流场和应力场直接进行耦合，故采用ABAQUS有限元程序结合强度折减技术进行稳定渗流作用下边坡稳定分析，得到边坡整体稳定安全系数，且利用该程序强大的后处理功能，可揭示坡体内渗流浸润面和昀危险滑动面的形状和位置，为验证该方法的可靠性，与基于传统极限平衡理论的瑞典条分法和简化的Bishop法进行对比分析。实例计算结果表明，基于ABAQUS的有限元强度折减法克服传统极限平衡法的缺点，计算结果更为合理可靠，是进行渗流作用下边坡稳定这一复杂问题分析的有效方法，可为工程实践提供参考依据。同时，就土体渗透性强弱对渗流浸润面位置及边坡稳定性的影响进行大量的分析和比较，并通过计算表明有限元模型边界的选取对渗流浸润面位置及边坡稳定性都会产生影响，因此有限元建模应合理地选取计算边界。关键词：边坡工程；有限元；渗流；变形；耦合分析；边坡稳定；强度折减技术中图分类号：P642文献标识码：A文章编号：1000–6915(2010)增1–2927–08ANALYSISOFSLOPESTABILITYUNDERSEEPAGEBYUSINGABAQUSPROGRAMZHANGXiaoyong，DAIZihang(InstituteofGeotechnicalEngineering，FuzhouUniversity，Fuzhou，Fujian350108，China)Abstract：Inordertoanalyzetheslopestabilityunderseepage，thecouplingeffectofseepagefieldandstressfieldneedstobeconsidered.TheABAQUSfiniteelementprogramhasgoodcouplinganalysisfunctionofdeformationandseepage，andtheseepagefieldcanbecoupledwiththestressfielddirectly.SotheABAQUSfiniteelementprogramwhichiscombinedwithstrengthreductiontechniquewasusedtoanalyzetheslopestabilityunderseepage，andthesafetyfactorsofslopestabilitywereobtained.TheshapesandpositionsofseepageofsaturatedsurfacesandthemostdangerousslipsurfacescouldberevealedbyusingthestrongpostprocessingfunctionsofABAQUSprogram.Toverifytheaccuracyofthismethod，itwascomparedwiththeSwedenslicemethodandsimplifiedBishopmethodthatbothwerebasedonthetraditionallimitequilibriumtheory.TheengineeringexampleshowedthatthestrengthreductionFEMbasedonthesoftwareABAQUScouldovercomethedisadvantagesofthetraditionallimitequilibriummethods，anditsresultsweremorereasonableandreliable.Thismethodwaseffectivetoanalyzethecomplicatedproblemofslopestabilityunderseepage，andtheconclusionscouldprovidereferencestotheengineeringpractice.Meanwhile，theinfluencesofthepermeabilityofsoilonthepositionsofseepageofsaturatedsurfacesandslopestabilityweremadeamassofanalysisandcomparison，andthe•2928•岩石力学与工程学报2010年calculationindicatedthatchoosingfiniteelementmodelbordersinfluencedthepositionsofseepageofsaturatedsurfacesandslopestability.Sofiniteelementmodelingshouldchoosecalculationbordersreasonably.Keywords：slopeengineering；finiteelements；seepage；deformation；couplinganalysis；slopestability；strengthreductiontechnique1引言边坡的稳定性分析一直是岩土工程中的一个热点问题，正确地分析边坡的稳定性，对于确保生产建设和人民生命财产安全具有十分重要的意义。影响边坡稳定性的因素很多，对有地下水活动的边坡，地下水的渗流作用无疑是影响其稳定性的主要因素之一。目前，国内外的学者对渗流作用下的边坡稳定性问题作了大量的研究工作。汪自力等[1]在饱和–非饱和渗流不动网格有限元计算的基础上，寻求用土体单元所受的渗透力代替其周边的孔隙水压力，以达到利用渗流计算时的剖分网格和计算结果，直接连续进行渗流作用下的边坡稳定分析的目的；唐晓松等[2～4]利用PLAXIS，ADINA等有限元程序对渗流作用下边坡的稳定性问题进行了分析；C.S.Desai[5]将有限元应用到坡体承受库水瞬态下降的稳定分析中，用有限元确定坡体中不同时刻浸润面的位置，然后用瑞典圆弧法分析了密西西比河河岸的稳定性；D.V.Griffiths和P.A.Lane[6]研究了库水位作用下的边坡稳定性，采用自编程序，应用有限元强度折减法，通过算例计算得到的边坡安全系数与传统方法计算得到的安全系数较好地吻合，但均未能显示出滑裂面。考虑渗流(本文主要讨论稳定渗流)作用下边坡稳定性分析是一个比较复杂的问题。目前主要有极限平衡法、有限差分法和有限元法。传统的极限平衡条分法根据取隔离体的方法不同又可分为2种计算方法[7]：一种是将土骨架与孔隙流体当成整体取隔离体，进行力的平衡分析；另一种是将土骨架作为稳定分析的隔离体，渗透水流以渗透力的形式作用在土骨架上。严格地说，这2种方法均需要绘制渗透流网，前者需由流网等势线确定各条块底滑面中心处的孔隙水压力水头，后者须用流网分块计算渗透力，这都是比较繁琐的，特别是后者，在实践中较少应用，而前者在应用中，常采用重度替代法来近似，以避免繁琐的流网绘制过程，无疑，这种简化处理难免给安全系数的计算结果带来一定误差。而有限元法克服了极限平衡法中将土条假设为刚体的缺点，考虑了土体的弹塑性本构关系，以及变形对应力的影响，能模拟边坡的失稳过程及滑移面的形状，可适用于任意复杂的边界条件，求解安全系数时，可以不需要假定滑移面的形状，也不需要进行条分，因此，有限元方法得到了广泛的应用。近年来，有限元强度折减法[8～10]被认为是边坡稳定分析中适用广泛、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，求得边坡的昀小稳定安全系数。特别是近些年来多场耦合有限元方法的发展，为渗流作用下边坡的稳定性分析这一复杂问题合理解决提供了有效手段。事实上，渗流作用下边坡稳定性分析里面包含着复杂的渗流、变形及稳定三大问题，理想的分析方法应该是将渗流场的计算、土体的变形分析以及稳定性预测采用统一的一套有限元技术。2ABAQUS程序简介ABAQUS[11]是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析。ABAQUS为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问题可以通过选项块的第29卷增1张晓咏，等.应用ABAQUS程序进行渗流作用下边坡稳定分析•2929•不同组合很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构件问题的模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中，ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度。它不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以确保求解精度。用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。3流固耦合分析有限元强度折减法3.1基本思路岩土体渗流场和应力场之间是相互作用、相互影响的，其实质为应力场作用于岩土体上，使岩土体变形，从而改变岩土体的渗流特性，渗流场因此发生变化，渗流场的变化又会引起水头分布的改变，使岩土体的有效应力和作用在岩土体的渗流力发生改变，即应力场发生改变。因此，为了分析稳定渗流下边坡稳定性，必须考虑渗流和应力的耦合。ABAQUS程序可以对土中水的渗流和土体变形进行耦合分析，对于饱和土和非饱和土均适用：浸润面以下，土体饱和，浸润面以上，土体非饱和，即毛细区。岩土材料(骨架)可采用任何一种线性、非线性岩土材料或用户自定义的材料，孔隙水的属性主要由渗透系数来定义。本文首先应用ABAQUS软件按照强度折减法分析渗流作用下边坡的稳定性，得出稳定渗流时浸润面的位置及临界状态下的安全系数和昀危险滑动面的位置，然后与传统的瑞典条分法和简化的Bishop法的计算结果进行对比分析。3.2ABAQUS流固耦合分析的基本原理对于流体–固体组成的多相系统[11]，由于多孔介质中孔隙结构的复杂性，很难用精确的表达式将流、固两相加以区别。当采用连续介质方法时，就可以将固体相和流体相视为相互重叠在一起的连续体，用一个理想的连续系统来代替起初的多孔介质系统。该方法忽略了多孔介质在微观水平上所发生的现象，但能够用一些可以测定的变量来描述多孔介质中流体的流动过程，使渗流和变形耦合问题的控制方程能够建立在具体的物理现象上。ABAQUS软件正是采用这种方法建立控制方程[12]的。固相材料的应力平衡可以由虚功原理表示，某体积域内在t时刻构形的虚功原理为f()dddVSVuVSVσχε′−:δ=δ+δ+