1、边坡工程数值分析报告题 目： 边坡稳定性分析模拟学 院： 土木工程学院专 业： 建筑与土木工程学 生： 学 号： 指导教师： XXXX 年 XX 月 XX 日目 录一、前言二、工程概况三、本构关系四、计算模型五、计算结果及分析六、结论一、 前言边坡稳定性研究是岩土工程领域一个经典的课题，至今已出现数十种分析方法。目前应用较广的主要是极限平衡分析法和有限单元法，前者计算简单，易为广大工程技术人员掌握应用，但该法没有考虑土体本身的应力应变关系和实际工作状态，滑动面的合理确定需要较多的经验。有限单元法全面满足静力许可、应变相容和应力应变本构关系，可以处理复杂的边界条件以及材料的非均匀性和各向异性，对
2、边坡的应力分布、塑性区范围和位移进行有效的模拟。随着计算机的计算速度和存储能力的飞速发展以及计算方法的日益完善，数值模拟方法已经成为研究未知领域的强有力的工具。在岩土工程计算与分析中数值分析方法也发展很快。特别是有限元的发展，促进了岩土工程研究、工程预测、优化设计和计算机辅助设计等的发展。与传统的方法相比，有限元方法的优点在于以下几点:（1）能够对具有复杂地貌、地质的边坡进行计算；（2）考虑了土体的非线性弹塑性木构关系，以及变形对应力的影响;；(3)能模拟出边坡的失稳过程，以及滑移而得形状；(4)能模拟土体与义护的共同作用； 5)求解安全系数时可以不需要假定滑移面的形状，也无需条分。强度折减弹
3、塑性有限元法是目前在土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。目前对于采用有限儿强度折减法进行边坡失稳破坏分析的判断标准主要有以下几类：收敛性判据(如规定迭代次数内不收敛)；能量判据；突变性判据(如最大位移突变、广义剪应变或屈服区贯通等)。二、 工程概况2.1 工程介绍某二级公路的某段路基边坡为土质边坡，地貌上属低山丘陵地带，地形起伏较大。本路段属开挖放坡路段，左侧原边坡高度约 15m，原边坡坡度约为1:2，设计路基路面宽度为 10m，在原路基基础上进行
4、放坡拓宽，放坡后的边坡坡度为 1:1，高度为 4m，边坡上厚约 0.51.5m 厚度夹杂碎石，碎石直径约1cm，含量约 5%。2.2 地质参数根据地质勘察报告，本工点边坡地层土层主要是黄色粉质粘土，土质较均匀，为方便分析，取土体为均值土体考虑，土体的主要参数为：土的重度为 20KN，内摩擦角 为 22 度，粘聚力 c 为 20KN，弹性模量 E 为 100MPa，膨胀角为 22 度，泊松比为 0.3。2.3 数值分析中强度折减过程如下：（1）模拟边坡土体在自重作用下的应力场；（2）模拟边坡土体在强度折减作用下的应力场；三、本构关系土体的应力应变关系特性非常复杂的，通常具有非线性、弹塑性、剪胀性
5、和各向异性等。迄今为止，还没用一种本构模型能全而正确表示任何加载条件下各类土体的本构特性:或者有些模型虽然理论上很严密，但参数往往不容易准确取得，从而使得计算结果可能会出现一些不合理的现象。因此，在选择本构模型时，通常在精确性和可靠性之间找到一个平衡点，即本构模型既要能反映所关心的土体某方而的特性，又要便于测定参数。影响土坡失稳破坏的关键因素是土体的抗剪强度，当最大剪应力达到破坏极限时，土坡将失稳破坏。基于此，本文在用折减系数法求解边坡稳定问题时，采用的是理想弹塑性模型，屈服准则采用 Mohr-Coulomb 破坏准则。 ，但 Mohr-Coulomb 缺点是在三维应力空间中的屈服面存在尖顶和
6、棱角的不连续点，ABAQU S 软件中采用了扩展的 Mohr-Coulomb 准则，即 Mohr-Coulomb Plasticity，偏应力空间中无拐角，流动势是完全光滑的，只有唯一的塑性流动方向。摩尔库伦材料模型包含六个材料参数，即摩擦角、粘聚力、膨胀角、杨氏模量、泊松比、土的容重。杨氏模量和泊松比属于变形参数，同边坡的变形关系密切，但对边坡的破坏影响不大，膨胀角直接影响土体屈服过程中体积的改变，但在一般边坡稳定性分析中，通常不考虑土体屈服中体积的变化。因此在数值分析方法模拟边坡破坏过程中以及求解安全系数时，只考虑三个材料参数，即摩擦角、粘聚力以及材料重度。四、计算模型4.1 本工况中，不
7、考虑边坡上的支护结构对边坡的影响，仅考虑材料的强度折减对边坡稳定性的影响。4.2 模拟过程。Abaqus 数值计算的过程如下：1） part 部分。其中边坡的形状位置和尺寸如下图 4-1 所示：图 4-1 边坡的形状和尺寸2） property 部分。本模型的 proprety 设置采用 Mohr-Coulomb Plasticity，勾选 ，其材料的内摩擦角、粘聚力随强度折减系数（安全系数）的变化如下表 1 所示:表 1.材料折减表内摩擦角 剪胀角 折减系数 粘聚力 剪胀角 折减系数22.000000 0.00 1.00 20000.000000 0.00 1.0021.046070 0.0
8、0 1.05 19047.619048 0.00 1.0520.168111 0.00 1.10 18181.818182 0.00 1.1019.357760 0.00 1.15 17391.304348 0.00 1.1518.607789 0.00 1.20 16666.666667 0.00 1.2017.911921 0.00 1.25 16000.000000 0.00 1.2517.264691 0.00 1.30 15384.615385 0.00 1.3016.661321 0.00 1.35 14814.814815 0.00 1.3516.097620 0.00 1.40
9、 14285.714286 0.00 1.4015.569899 0.00 1.45 13793.103448 0.00 1.4515.074901 0.00 1.50 13333.333333 0.00 1.5014.609743 0.00 1.55 12903.225806 0.00 1.5514.171860 0.00 1.60 12500.000000 0.00 1.6013.758970 0.00 1.65 12121.212121 0.00 1.6513.369031 0.00 1.70 11764.705882 0.00 1.7013.000214 0.00 1.75 11428
10、.571429 0.00 1.7512.650877 0.00 1.80 11111.111111 0.00 1.8012.319541 0.00 1.85 10810.810811 0.00 1.8512.004869 0.00 1.90 10526.315789 0.00 1.9011.705653 0.00 1.95 10256.410256 0.00 1.9511.420796 0.00 2.00 10000.000000 0.00 2.003） assembly 部分。4） step 部分，按照模拟过程，如下图 4-2 所示：图 4-2 step 步骤5） load 部分。在 loa
11、d 部分，在 X 方向设置为 XSYMM，Z 方向为 ZSYMM，Y 方向ENCASTER。预定义场设置如下图 4-3 所示：6） mesh 部分。土体采用的单元类型为 C3D20。网格在基坑附近密度较大，随着水平竖直方向距离的增加，网格密度逐渐减小。该模型中共有 12750 个节点，9768 个单元。采用扫掠网格划分法，单元形状为六面体。五、计算结果及分析5.1 通过建模，建立 job 后，通过后处理 result 分析，其中在 primary 选项中，输出结果为模型不收敛的结果。1）Mises 应力分布如下图 5-1-1 所示：图 5-1.1 Mises 应力分布图云图2）最大的位移分布如
12、下图 5-1-2 所示：图 5-1.2 最大的位移分布云图从云图可以看出，该边坡从强度折减到最终破坏的过程中，最大的应力在左下角，最大的位移如图中所示，最大的位移为 33.5cm。5.2 随着强度折减系数的增大，其塑性区的变化如下图所示1）在 Fs=1 时，塑性区如下图 5-2-1 所示：图 5-2-1 Fs=1 时塑性区云图2）在 Fs=1.2 时，塑性区如下图 5-2-2 所示：图 5-2-2 Fs=1.2 时塑性区云图3）在 Fs=1.426 时，塑性区如下图 5-2-3 所示：图 5-2-3 Fs=1.426 时塑性区云图5.3 边坡位移最大点处的位移时程曲线如下图 5-3 所示：图
13、5-3 位移-时间时程曲线从该曲线可以看出，当折减系数（安全系数）达到 Fs=1.42 时，边坡沿着塑性区发生破坏。六、总结本文采用大型有限元分析软件 ABAQUS，并结合强度折减有限元法进行土质边坡稳定性分析，以 ABAQUS 模拟计算结果的动态显示技术，描绘出塑性应变的发展及塑性区的范围，以此作为评判依据评价边坡的稳定性。可以得出如下结论：该点的位移时程曲线1. 该边坡为稳定边坡，边坡的稳定系数为 1.426.2. 该边坡在内摩擦角为 16 ，粘聚力为 14MPa 的时候发生破坏，其破坏的塑性贯通区如图 5-2-3 云图所示。基于强度拆减有限元法基本原理，采用非线性有限元分析软件 Abaqus 对土质边坡的稳定性进行了计算分析。由该法所确定的临界稳定安全系数与应用应力平衡法所得结果很吻合，表明该方法是合理可行的。由于 Abaqus 在动态模拟方面具有巨大优势，必将在复杂的岩土工程领域发挥更大的作用。
