基于场变量的公路边坡稳定分析.pdfVIP

第 3 9卷 第 2 期 2 0 1 4年 4 月 公 路 工 程 Hig h wa y En g in e e r in g Vo 1 3 9 No 2 Ap r 2 0 1 4 基 于场变量的公路边坡稳定分析 黄琼 中冶长天国际工程有 限责 任公 司 市政设计分 院 湖南 长沙4 1 0 0 0 7 摘要 利用 A B A Q U S中场变量对时间增量步控制的优势 提 出了一种 公路 边坡稳 定性分析 新方法一基 于 场变量的强度折减法 对该方法应用于公路边坡稳定性 分析 的可行性进行验证 并 与极 限平衡法 以及二分法计算 得 出的最小安全 系数进行 比较 分析其相对误差 结果表 明 该方法 用于公路 边坡稳 定性分析 是有效 可靠 的 提 高 了计算效率 对于公路 工程边坡稳定性分析具有重要意义 关键词 场变量 强度折减法 公路 边坡稳定分析 安全系数 临界滑移面 中图分类号 U 4 1 6 1 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 2 0 1 4 0 2 0 2 7 4 0 3 S t a b ilit y An a ly s is o f Hig h wa y S lo p e Ba s e d o n Fie ld Va r ia b le s HU ANG Qio n g Z h o n g y e C h a n g t ia n I n t e r n a t io n a l E n g in e e r in g C o L t d C h a n g s h a Hu n a n 4 1 0 0 0 7 C h in a A b s t r a c t U s in g fie ld v a r ia b le p r o v i d e d b y A B A Q U S w h i c h c o u ld t a k e a d v a n t a g e o f c o n t r o llin g t he t ime in c r e me n t a l s t e p t hi s p a p e r c o me u p wi t h a r t e w me t ho d s t r e ng t h r e d uc t io n f i n it e e le me n t me t h o d b a s e d o n fi e l d v a r ia b le s Co mbi n e d wit h s o me li t e r a t u r e s t h e f e a s ib ilit y o f t h is me t h o d f o r s lo p e s t a b ili t y a n a ly s i s h a s b e e n v e r ifi e d a n d t h e mi ni mu m s a f e t y c o e f f ic i e n t o b t a i ne d b y t h is me t h o d h a s b e e n c o mp a r e d wit h t he me t h o d o f limit e q ui lib r i u m a n d d ic h o t o my a n d a n a ly z e d t he r e la t i v e e r r o r s I t a ls o a n a ly z e t he r e lia b ili t y o f t h e h ig h wa y s lo p e s a f e t y c o e f f ic i e n t c a l c u la t io n u nd e r t h e d i f f e r e n t s lo p e a n g le s T he r e s u lt s s h o w t h a t t h e mi n imu m s a f e t y c o e f fic ie n t o b t a i n e d b y t h is me t ho d i s e f f e c t iv e a nd r e li a b le a n d t his c o u ld s imp lif y t he c a l c u la t io na l p r o c e s s s o it is o f g r e a t s ig n ifi c a n c e f o r s l o p e s t a b il it y a na ly s i s i n p r a c t ic a l e ng in e e r i n g Ke y w o r d s fie ld v a r i a b le s s t r e n g t h r e d u c t i o n m e t h o d h ig h w a y e n g in e e r i n g s lo p e s t a b ilit y a n a l y s is s a f e t y c o e f f ic i e n t c r i t ic a l s lip s u r f a c e 1 概述 随着社会经济的 日益蓬勃发展 工程建设向西 部山区延伸 因此出现了越来越多的高陡边坡工程 而每年因滑坡给人民的生命财产安全带来 巨大的损 害 因此 对边坡稳定性进行研究具有非常重要 的现实意义 对于均质土边坡 传统的分析方法主要有 极限 平衡分析法 极限分析法和滑移线场法等 随着 计算技术的发展 有限元强度折减法在边坡稳定性 分析中应运而生 与极 限平衡分析法相 比 强度折 减法不需要作任何假定 便可 自动求得任意形状 的 临界滑移面和相应的最小安全系数 同时还 可反映 坡体失稳过程 然而 强度折减法在操作过程 中 要将折减系数输人到有 限元软件的输入文件中 并 不断进行试算 其计算过程一般较复杂 为了进 一 步简化 程晔等 王一汉等 张士铮 采用二 分法来 求解最小安 全系数 本 文 以 A B A Q U S 软件为依托 在有限元强度折减法基础上通过设置 岩土体黏聚力与内摩擦 角为场变量中增量步时间 t 的函数 从而通过控制增量步时 间 t 来实现对黏聚 力与内摩擦角的 自 一 动折减 经一次计算即可快速求 得边坡的最小安全系数 无需修改折减系数反复试 算 大大提高了计算效率 2 基 于场 变量 的边坡稳定分析方法 2 1计算 原理 建立材料参数与时间增量步的关系 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 0 9 作者简介 黄琼 1 9 8 0 一 女 湖南沅江人 工程师 主要从事的工作或研究方向 公路桥梁设计工作 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 2期 黄琼 基 于场变量 的公路边坡稳定 分析 2 7 5 为了简化计算 选取取线性函数 C i 口一b t C 0 1 t a n q f 口一b t t a n t p 0 2 式中 c f f 分别为随场变量变化的岩土体的粘聚力 内摩擦角 它们是时间的 函数 而 c 分别为岩 土体的初始粘聚力 内摩擦角 此 时 就通过场变量 建立岩土体粘聚力 内摩擦角与增量步时间的关系 折减系数与增量步时间的关系 强度折减法中的折减系数定义为 C o F 3 t a m p i t a m p 0 F 4 式中 为折减系数 由式 1 式 4 可得出 F 5 根据强度折减法安全系数 的定义 安全系数 F 即为折减系数 参数 口 b 的确定 A B A Q U S软件中增量步时间取值范围为 0 t 1 假设 6均为正值 由于折减系数要满足 F 0 因此要 求 a b t 则 的取 值直 接影 响折 减 系数 F 的最小值 a b的大 小直接影 响折减 系数 的最 大 值 在进行边坡稳定计算之前 应先选择满足条件 的 口 b 值 在计算过程 中 A B A Q U S软件 中提供的 场变量相关时间增量步 t 会 自动变化 这样就无需 人工进行修改 实现强度的 自动折减 再根据边坡失 稳判据 通过式 5 得到安全系数 并得到临界滑移 面及变形过程等信息 2 2 在 A B A Q U S中的 实现 由于边坡岩土体的强度参数一般随时间不断降 低 因此 本文 中考虑 F 1 通过对边坡有限元模型施加重力 此时的抗 剪强度参数取实际值来建立第一个分析步 计算得 到相应的位移 应变与应力 设置若干增量步以及每一增量步 的最小时 间增量 t I n 建立第 二个 分析步 假设在第 个增 量步各节点达到平衡 此时的增量步时间为 t 应力 为 公路边坡稳定性分析的计算流程图见图 1 对步骤 所得到的数据进行处理 即可得到 临界状 态下 的安 全 系数 F 滑 移面 和破 坏过 程等 3工程 实例分析 3 1方法的验证 某公路均质土边坡 坡高 h 2 0 m 坡角 4 5 弹 图 1 第 f 到 f 1个增量步计算流 程图 Fig ur e 1 Co mp ut a t ie a l flo w fi g u r e f r o m s t e p i t o i 1 性模量 E 2 0 MP a 泊松 比 0 3 土 容重 1 8 k N m 粘聚力 c 4 2 k P a 内摩擦 角 1 7 采 用本文 中的方法计算边坡安全系数 F 并通过与极 限平衡法以及 二分法计算得到 的安 全系数进行 比 较 分析其相对误差 该公路边坡按照平面应变问题建立有限单元模 型 其边界条件 上部为 自由边界 下部为 固定支座 约束 左 右两 侧为水平 约束 采用 摩尔一库仑准 则 有限元模 型 网格划分采 用边 坡局 部加 密 网格 模型及网格划分见图 2 图 2有限元模 型及 局部加 密网格划分 F ig u r e 2 Finit e e l e me n t mo d e l a n d me s h l o c a l fi n e 计算得到边坡在不同强度折减系数时的塑性区 分布图 如图 3所示 由图 3可知 图3 a 在折系数为 1 1 2 0时 中边 坡的塑性区还未连通 图3 b中边坡的塑性区正好连 通 因此 基于场变量的有限元强度折减法算得