（推薦）基于強度折減法的土石壩穩(wěn)定性分析

1、李,憶,1,1、背景介紹,土石壩穩(wěn)定性分析是土石壩設計階段的重要內(nèi)容，是確定壩體尺寸、坡面角度和評價壩體安全的重要依據(jù)。土石壩壩坡穩(wěn)定性可采用安全系數(shù)來進行評價，其可靠程度及準確性對大壩的經(jīng)濟性和安全性具有重要影響。,2,早在上世紀70年代，英國科學家Zienkiewicz就提出了通過增加外荷載或降低巖土強度來計算巖土工程安全系數(shù)的方法，可以看作是巖土工程極限分析有限元法的雛形。近些年來，隨著國內(nèi)外的眾多學者不斷的深入探討和研究，發(fā)現(xiàn)強度折減法能充分利用有限元法的突出優(yōu)勢，并有效克服其他傳統(tǒng)方法的不足。 強度折減法認為邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)時與其相應的折減系數(shù)就是穩(wěn)定性安全系數(shù)。其優(yōu)點在于不需要

2、在計算前進行條分并假定滑動面的位置。雖然與極限平衡法所得到的結(jié)果可能是相同的。但是，強度折減法在穩(wěn)定性分析方面明顯有更好的科學性、先進性和適用性。,因此，本文選用基于ABAQUS計算軟件下的強度折減法對土石壩在設計洪水位作用下的應力、位移及穩(wěn)定性進行了分析。,3,2、計算原理,2.1 有限元強度折減法基本原理,對于強度折減法，主要是將邊坡巖土體的抗剪切強度參數(shù)置于理想彈塑性有限元核算中，使得其逐漸進行降低，直到抵達破壞狀態(tài)。這種破壞狀態(tài)通常采用非線性程序，考察其收斂、位移變化等情況，以此判定邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。,4,5,6,2、計算原理,2.2 屈服準則和流動法則,本文計算采用的是理想彈塑性模型。,

3、7,因為本文在用折減系數(shù)法求解邊坡穩(wěn)定問題時，采用的是理想彈塑性模型，所以在這里選擇MohrCoulomb屈服準則較為可靠。,8,9,2、計算原理,2.3 有限元中邊坡失穩(wěn)的判據(jù),邊坡在產(chǎn)生一定的破壞時，都將會有很大的位移量改變，這時的邊坡將由相對穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)變到不穩(wěn)定（即運動狀態(tài)），邊坡的位移變形量與塑性變形量由常量變?yōu)橐粋€變量，有限元模擬軟件的計算迭代法就是計算出邊坡整體的力學平衡，當整個計算過程中找到一個合適的值就會滿足條件。,10,采用有限元強度折減法分析邊坡穩(wěn)定性的一個關鍵問題，是如何根據(jù)有限元計算結(jié)果來判別邊坡是否處于破壞狀態(tài)。 目前的失穩(wěn)判據(jù)主要有兩類：第一類在采用有限元數(shù)值模擬

4、軟件進行邊坡穩(wěn)定性計算時，將計算過程中邊坡總體的位移或者整體應力參數(shù)折減后的不收斂狀態(tài)作為所研究邊坡的整體失穩(wěn)標志；第二類主要以宏觀意義上的塑性應變（通常是指模擬后處理中的有效應變量以及等效應變量）在從研究邊坡的頂部至邊坡的坡腳處形成一定的貫通變形作為整個邊坡失穩(wěn)的另一個判別標志。,11,3、工程概況及數(shù)值模型,3.1 土石壩模型介紹,12,本次模型中土石壩體采用均質(zhì)體，運用Mohr-Coulomb彈塑性。采用ABAQUS有限元計算軟件, 選取土石壩部位最大橫斷面作為計算的典型剖面，進行二維非線性有限元分析。壩基模型的左右邊界均采用水平約束，底面采用水平和豎向約束。 模型中的荷載包括土石壩體的

5、自重以及設計洪水位46米及下游水位3米的滲透壓力。 首先對整體模型進行地應力平衡，然后施加滲透壓力分析壩體的應力及位移情況，最后分析在設計洪水作用下的壩體穩(wěn)定性。,13,3、工程概況及數(shù)值模型,3.2 強度折減法的運用,14,4、計算成果與分析,4.1 應力分析,由于ABAQUS中應力以拉為正（這與土力學的規(guī)定恰好相反），ABAQUS中的小主應力對應于巖土工程中的大主應力。在設計洪水作用以及強度折減作用下土石壩的屈服應力、小主應力等值線云圖如圖4和圖5所示。由圖可看出壩體屈服應力和小主應力有較好的分布規(guī)律，屈服應力值隨壩體斷面高程增加而減小，中間區(qū)域應力較為集中，而小主應力值隨壩體斷面高程增加

6、而增大。壩體屈服應力的最大值為319Kpa,壩體小主應力的最大值為9.273Kpa。,15,4、計算成果與分析,4.2 位移分析,下圖6(a)、6(b)和圖7(a)、7(b)分別為土石壩在自重、滲透壓力共同作用下的正常和強度折減下的水平位移云圖和矢量圖。位移符號規(guī)定：位移向下為正； 單位：米。,16,由圖6(a)、6(b)可知，大壩在自重和滲透壓力作用下，壩體的水平位移呈大致對稱分布，各自指向坡外方向；壩體上游洪水位斜坡水平位移明顯大于壩體下游位移。這是由于上游面壩體的水位高于下游面壩體，上游壩體的滲透力明顯大于下游的。因此在實際工程中因控制土石壩體所能承受的水位。一旦出現(xiàn)高水位情況，應及時采取相應工程措施（排水）來保護土石壩的穩(wěn)定。,17,由圖7(a)、7(b)可知，當土坡強度減小時，本身上游高水位的滲透力大，從而導致高水位下的壩體面將出現(xiàn)很大的位移，由中間局部區(qū)域擴展到坡腳，從而導致土坡失穩(wěn)。故在工程實際中應避免土坡強度衰減。在衰減的同時，右側(cè)低水位坡面的位移也有減小的趨勢。,18,由圖8可知，在洪水位下，土石壩強度衰減，失穩(wěn)破壞程度相當劇烈，壩頂寬度直接下沉，左側(cè)壩體形成貫穿面，直