abaqus在岩土工程中的应用-边坡稳定分析

ISSN1671 -2900CN 43-134 7/TD采矿技术第17卷第4期Mining Technology,Vol.17 ,No.42017年7月July 2017基于A B A Q U S的边坡稳定性影响因素分析岳梦蕾，刘光汉，欧阳天云，余红兵(贵州新联爆破工程集团有限公司，贵州贵阳550002)摘要：为了分析不同因素与边坡稳定性的相互关系，借助了 A B A Q U S有限元模拟软件通过强度折减法，采用控制变量的方法建立了仿真模型，分析了弹性模量、容重、边坡高度、坡面角、粘聚力以及内摩擦角单因素变化对边坡稳定性的影响，得到了不同参数下安全系数随影响因素数值变化的规律。

计算结果表明：弹性模量的变化对边坡的稳定性影响不大，岩土的容重、边坡高度和坡面角与边坡安全稳定系数呈线性负相关，岩土的粘聚力和内摩擦角与边坡安全稳定系数呈线性正相关。

关键词：边坡稳定性；强度折减法；A B A Q U S;控制变量法0引百边坡稳定性研究一直是岩土工程领域复杂的综合性工作。

受到多种内外因素的影响，如何对影响边坡稳定性的各因素进行综合评价，进而指导工程实际，对人民生命财产安全和工程经济建设具有重要意义[12]。

边坡稳定性计算是指用量化指标评定边坡的稳定与否，并对其进行危险性评价，以及可能 变化发展的趋势，通过量化指标对边坡的工程设计提出指导性意见。

之前学者一般采用极限平衡法分析边坡稳定性，该方法易于掌握，计算过程简单快捷，但需预先假定滑动面所处的工况条件，同时不能 考虑岩土实际应力一应变关系，不能分析滑体内的应力、变形分布状况，具有较大的局限性。

后期学者提出基于强度折减法的有限元边坡稳定分析方法，能够分析岩体本身的变形对边坡变形计稳定性的影响，同时能够考虑岩土的非线性本构关系，还能模拟边坡的滑坡过程及其滑移面形状以及岩土与支护结构的共同作用[35]。

本文将建立基于工程实例的A B A Q U S有限元模型，对可能影响边坡稳定的6个因素（弹性模量、容重、粘聚力、内摩擦角、边坡高度、坡面角）通过强度折减法进行独立的数值仿真模拟，进而得出各个因素对边坡稳定的影响，为边坡的合理建设、稳定性 预测提供科学依据[67]。

基于ABAQUS的边坡变形及加固研究摘要：边坡稳定性问题是岩土工程建设中的重要问题，抗滑桩作为有效的边坡加固措施，在滑坡治理中占有重要地位。

文章利用 ABAQUS 有限元软件模拟三维边坡，通过强度折减法，分析边坡安全系数以及滑面形成过程，然后分析抗滑桩加固后的边坡稳定性。

研究表明：抗滑桩的挡土作用比较明显，可以提升边坡的稳定性。

关键词：边坡稳定性；ABAQUS；强度折减法；抗滑桩；安全系数边坡稳定性是工程建设中的重要问题，边坡失稳会造成崩塌、滑坡等地质灾害。

2020年，中国发生的地质灾害点有7840处，其中滑坡就有4810处，为主要地质灾害类型，其次是泥石流和崩塌。

利用有限元软件对边坡进行分析，得出结果判断土坡稳定性并提出边坡加固措施，对防治滑坡具有十分重要的意义。

抗滑桩作为有效的边坡加固措施，在滑坡治理中占有重要地位。

因此，本文基于ABAQUS有限元软件对抗滑桩提升边坡的稳定性进行了数值模拟研究。

1 分析方法边坡稳定性分析主要可分为两大类：极限平衡法和强度折减法。

采用有限元强度折减法计算边坡稳定性的关键在于确定边坡是否处于极限平衡破坏状态，目前存在的用于判断边坡是否处于失稳状态的判据主要有三种[1]：以数值计算结果收敛与否作为评价标准，；以特征部位的水平位移关于强度折减系数关系曲线图上的位移拐点作为评价标准；以塑性应变等值线云图中的滑动破裂面是否形成连续贯通区域作为评价标准。

夏园园[2]通过算例分析表明：以坡体顶点位移拐点和塑性区贯通为评价标准求得的安全系数与极限平衡法所得结果比较接近。

本文采用边坡顶部一点位移突变作为判别依据，方便与抗滑桩加固后的边坡稳定性进行比较。

2 边坡稳定性分析以某三维匀质边坡为例，采用有限元分析软件 ABAQUS 分析土坡应力应变等情况，判断土坡稳定性。

边坡坡高为10m,坡度为1:1.5,坡脚距边坡模型前沿的水平距离为10m,坡顶距边坡后缘的水平距离15m,边坡后缘的上顶点距下顶点的垂直距离为20m,边坡的宽度为20m[3]边坡上部为滑体,材料为不稳定土,下部为滑床,材料为稳定土。

1引言土石坝稳定性分析常用的方法主要是极限平衡法和有限元法。

极限平衡法以毕肖普法、摩根斯顿-普赖斯法、Spencer法、Sarma法、楔形体法等[1-4]为代表，有限元法以强度折减法[5]为代表。

随着土地本构模型（摩尔库仑模型、邓肯张模型、Drucker-Prager模型等）理论应用成熟和有限元软件开发应用，强度折减法越来越多地应用到工程实际，为工程设计提供印证，如边坡、坝坡、隧道、基坑等有限元分析，并趋于成熟。

近年来，国内学者对强度折减法的应用开展了大量工作：李小春[6]采用强度折减法对边坡的多滑面进行了模拟，认为该方法得到的多级滑动面与现场监测数据吻合较好。

王曼等[7]采用ABAQUS软件的强度折减法分析了边坡的稳定性，确认其计算结果的合理性。

王作伟等人[8]采用强度折减方法计算了边坡的极限上限，对比验证强度折减法与传统极限平衡法具有良好的适应性。

雷艳等[9]采用强度折减法对土石坝坝坡进行稳定分析，得出的安全系数与塑型区域可为工程提供借鉴。

以上研究均取得了较好的研究成果，表明强度折减法用于工程实际分析边坡、坝坡稳定性是可行合理的。

故本文基于以上研究，采用ABAQUS软件结合强度折减法对某均质土石坝进行稳定性分析计算，并从水利工程建设管理的角度，浅析建设管理对工程质量的控制。

2强度折减法所谓强度折减法是指给一强度折减系数F r[10]，采用公式（1）和（2）将土体抗剪强度指标进行降低，导致土体逐渐失稳，土体单元发生塑性变形，当临界失稳时，折减系数就是边坡对应的安全系数。

具体公式如下所示：c m=c/F r（1）φm=arctan（tanφ/F r）（2）式中，c和φ为土体的抗剪强度指标（粘聚力和内摩擦角）；c m和φm是折减后的抗剪强度；F r是强度折减系数。

强度折减法精髓在于降低土地的抗剪强度指标，使土地单元应力不能配套而失稳。

3土石坝稳定性分析某均质土石坝，最大坝高100m，正常蓄水位在坝高90m处，坝顶宽8m，上下游坡比为1∶3√，坝体材料密度为2200kg/m3，强度参数如表1所示。

ABAQUS强度折减法在边坡稳定性分析中的应用闫俊维;王曙光;陈静瑜【摘要】文章依托某边坡工程实例,基于ABAQUS软件,以塑性区贯通为失稳判据,构建综合运用岩土数值模拟和强度折减技术的边坡稳定性分析模型,对坡体失稳滑动面的形状和位置,以及岩土抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角(φ)对边坡稳定性影响进行计算分析,并与已有研究成果进行对比,验证了ABAQUS有限元强度折减法边坡稳定性分析理论和方法的正确性和有效性.研究成果可为边坡工程设计与施工提供一定的参考.【期刊名称】《西部交通科技》【年(卷),期】2015(000)008【总页数】4页(P21-24)【关键词】边坡工程;稳定性分析;ABAQUS软件;强度折减法;抗剪强度参数【作者】闫俊维;王曙光;陈静瑜【作者单位】贵州高速公路集团有限公司,贵州贵阳550000;贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州贵阳550000;华东交通大学轨道交通学院,江西南昌330000【正文语种】中文【中图分类】U416.1+4闫俊维(1987—)，助理工程师，主要从事公路建设管理工作；王曙光(1983—)，工程师，主要从事公路路基设计及地质勘察工作。

边坡工程一直以来都是岩土工程中的重要研究领域。

早期对边坡稳定性分析评价，大都基于实践经验，运用工程类比法进行主观判定[1]。

随后，随着土力学极限平衡理论的发展，运用条分法计算极限平衡状态边坡整体稳定性的极限平衡法可得到边坡稳定性安全系数，但不能考虑土体内部应力应变关系，且无法准确描述边坡的失稳过程[2]。

近年来，随着计算机技术的普及和发展，通过研究坡体内部的应力应变特征，进而分析坡体内部形变和稳定问题的有限元数值方法在边坡稳定性分析中也得到了蓬勃发展[3]。

然而，以往有限元数值分析无法直接评价边坡稳定性，大多是通过分析坡体位移场、应力场、塑性区等参数来间接评价边坡稳定性，或者是根据有限元分析得到最危险滑动面之后，再利用极限平衡分析方法计算安全系数。

abaqus在岩土工程中的应用案例文件abaqus是一款常用的有限元分析软件，广泛应用于岩土工程中。

下面列举了岩土工程中abaqus的应用案例，包括地基工程、边坡稳定性分析、挡土墙设计等方面。

1. 地基工程地基工程是岩土工程的核心内容之一，abaqus可以用于地基的承载力和沉降分析。

通过建立地基模型，考虑不同荷载情况下的土体性质，可以计算地基的承载力和变形情况，进而指导实际工程设计。

例如，可以通过abaqus模拟地基基坑开挖对周围土体的影响，预测地基下沉的情况，为地下结构的设计提供依据。

2. 边坡稳定性分析边坡稳定性是岩土工程中的重要问题，abaqus可以用于边坡的稳定性分析。

通过建立边坡模型，考虑不同荷载、土体参数和边坡几何形状等因素，可以计算边坡的稳定性指标（如安全系数）和发生滑移的位置。

例如，可以通过abaqus模拟陡坡下雨后的渗流和剪切破坏，评估边坡稳定性，并提出相应的加固措施。

3. 挡土墙设计挡土墙是岩土工程中常见的结构，abaqus可以用于挡土墙的设计和分析。

通过建立挡土墙模型，考虑土体参数、结构形式和荷载情况等因素，可以计算挡土墙的稳定性和变形情况，指导挡土墙结构的设计。

例如，可以通过abaqus模拟挡土墙的荷载响应和土体变形，评估挡土墙的稳定性，并确定合适的尺寸和材料。

4. 地铁隧道分析地铁隧道是岩土工程中的典型工程，abaqus可以用于地铁隧道的分析。

通过建立隧道模型，考虑地下水、土体参数和开挖方式等因素，可以计算隧道的稳定性和变形情况，指导隧道的设计和施工。

例如，可以通过abaqus模拟隧道开挖对周围土体的影响，评估隧道的稳定性和地表沉降情况，并提出相应的支护措施。

5. 岩石力学分析岩石力学是岩土工程中的重要分支，abaqus可以用于岩石的力学分析。

通过建立岩石模型，考虑岩石的本构关系和荷载情况，可以计算岩石的应力分布、变形情况和破坏机制，指导岩石工程的设计和施工。

例如，可以通过abaqus模拟岩石的加载过程和破坏模式，评估岩石的强度和变形特性，为岩石工程提供依据。

高等土力学边坡稳定分析专业：岩土工程姓名：XXX指导老师：XXX学号：XXX1.前言边坡稳定分析是边坡设计的前提，它决定着边坡是否失稳以及边坡失稳时存在多大推力，以便为支护结构设计提供科学依据。

然而这个问题至今仍未得到妥善解决，因为解决这一问题必须先要查清坡体的地质状况及其强度参数，同时又要有科学合理的分析方法［1］。

对于均质土坡，传统方法主要有：极限平衡法，极限分析法，滑移线场法等，就目前工程应用而言，主要还是极限平衡法，但需要事先知道滑动面位置和形状。

对于均质土坡，可以通过各种优化方法来搜索危险滑动面，但是对于岩质边坡，由于实际岩体中含有大量不同构造、产状和特性的不连续结构面，传统极限平衡方法尚不能搜索出危险滑动面以及相应的稳定安全系数。

边坡稳定分析涉及复杂的地质地形边界条件、材料的应力-应变的非线性行为、初始地应力、水压力、地震荷载的耦合分析等等，多数情况下不能获得解析解。

在计算机和计算方法不断发展的背景下，以有限元为代表的数值分析方法在20世纪70年代已逐步在岩土工程中推广应用，并发展成为一种强有力的计算分析工具。

然而传统的数值分析方法一般只是得出边坡应力、位移、塑性区等，不能直接与边坡稳定建立定量关系。

随着计算机技术的发展，有限元强度折减法近来在国内外受到关注［2〜12］，对于均质土坡已经得到了较好的结论，但尚未在工程中实用，本文采用有限元强度折减法，对均质土坡进行了系统分析，证实了其实用于工程的可行性，得到了节理岩质边坡坡体的危险滑动面和相应的稳定安全系数。

该方法可以对贯通和非贯通的节理岩质边坡进行稳定分析，同时可以考虑地下水、施工过程对边坡稳定性的影响，可以考虑各种支挡 结构与岩土材料的共同作用，为边坡稳定分析开辟了新的途径2•有限元强度折减法原理c = c /， tan 二 tan 厂这种方法早在70 年代就提出来了。

1975年Zienkiewize 就利 用有限元进行边坡稳定分析，但是由于受计算条件的限制，此法一直 没有流行起来。

Abaqus报告目录1.简支梁 (3)1.1问题描述 (3)1.2结果比较 (3)1.2.1理论值计算 (3)1.2.2简支梁不同建模方式的结果比较 (4)1.2.3简支梁划分不同网格密度的结果比较 (8)1.3结论 (10)2.受拉矩形薄板孔口应力集中问题 (11)2.1问题描述 (11)2.2理论值计算 (11)2.3数值解答及误差 (11)3.矩形荷载作用下地基中的附加应力分布 (13)3.1问题描述 (13)3.2计算过程 (13)3.3结果分析 (16)4.Mohr-Coulomb材料的三轴固结排水试验模拟 (16)4.1问题描述 (16)4.2理论值计算 (17)4.3数值解答及误差 (17)5.二维均质土坡稳定性分析 (19)5.1问题描述 (19)5.2计算过程 (19)5.3结果分析 (20)6.不排水粘土地基中竖向受荷桩 (23)6.1问题描述 (23)6.2计算过程 (23)6.3结果分析 (25)6.3.1屈服区分布 (25)6.3.2桩的受力分析 (26)6.3.3桩侧摩阻力分布 (27)1.简支梁1.1问题描述一个长度为1.5m，横截面为0.2m×0.2m的简支梁，受大小为500kPa的均布荷载。

假设材料的弹性模量E=220GPa,泊松比ν=0.3，比较在abaqus中不同建模方式（实体模型和二维模型）及划分不同网格密度下的内力数值、支反力及挠度大小。

1.2结果比较1.2.1理论值计算根据材料力学知识，均布荷载作用下简支梁的跨中挠度用下式计算：ω=5ql4 384EI其中EI=112×0.24×220×109=29333333.33m4故跨中挠度为：ω=5ql4384EI=5×100×103×1.54384×29333333.33×103=0.2247mm跨中弯矩为：M=18×100×1.52=28.125kNm1.2.2简支梁不同建模方式的结果比较1.2.2.1模型概况图一实体建模图二二维建模1.2.2.2内力数值比较使用切片方法，选取60个截面进行内力图形的绘制。