基于abaqus的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)有限元分析

基于abaqus的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)有限元分析

邊坡力學(xué)的研究和實踐取得了重要進展，尤其是在有限或有限面積的研究方面取得了許多成果。例如，傅東生、鄧健、劉寧等采用自己的有限程序研究邊坡可靠性，為邊坡可靠性值方法的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。然而，由于巖石邊坡工程的復(fù)雜性和不確定性，邊坡的可靠性研究非常困難。為了解決這些問題，使用abaqus軟件代替自定義程序進行邊坡分辨率分析，并結(jié)合anfis研究邊坡的可靠性。研究表明,ABAQUS具有分析非線性問題的強大功能,尤其能有效地處理巖體節(jié)理和結(jié)構(gòu)面接觸非線性問題及巖土體材料、幾何及邊界條件非線性問題,解決巖土體裂隙水壓、地應(yīng)力等復(fù)雜荷載的加載問題.由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯推理相結(jié)合而成的自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)ANFIS,具有收斂速度快、穩(wěn)定性好,網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果具有可重復(fù)性等特性.本文利用ABAQUS與ANFIS的各自優(yōu)點,建立了基于ABAQUS-ANFIS的邊坡可靠性分析方法,并對湖南雪峰水泥原料礦山露天礦邊坡進行可靠性分析.結(jié)果表明ABAQUS-ANFIS相結(jié)合的邊坡可靠性分析方法是一種有效的可靠度計算方法.1基于abaqus的有限值測試1.1元分析模型的構(gòu)建(1)幾何參數(shù)的確定根據(jù)實地測量、理論分析和礦區(qū)所屬單位資料室的資料確定該露天礦邊坡穩(wěn)定可靠性分析的幾何尺寸,如圖1所示.(2)材料參數(shù)選取根據(jù)各巖石力學(xué)參數(shù)的分布形式,用Matlab語言中的normrnd函數(shù)直接產(chǎn)生同分布參數(shù)組,從中選取隨機參數(shù)100組,分別針對每一組材料參數(shù)對邊坡進行有限元分析計算.(3)邊坡邊界條件基礎(chǔ)的邊界條件:左右兩個側(cè)面土體邊界的水平位移為0,下部邊界水平豎向位移均為0,其中,邊界條件通過關(guān)鍵字行*boundary實現(xiàn).為了防止在計算過程中邊坡發(fā)生剛體位移而終止計算,在對計算結(jié)果影響不大的地方施加約束限制剛體位移的產(chǎn)生.(4)彈簧單元的定義對該邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面的模擬,首先采用ABAQUS中接觸面模型的主動(master)-被動(slave)面理論,取剛度大的基礎(chǔ)表面為主動面,滑體表面為被動面.其次,采用ABAQUS中的彈簧單元來定義.接觸面之間的摩擦定律采用ABAQUS的“彈性滑移”的罰摩擦公式,摩擦因數(shù)隨材料參數(shù)的變動而改變,接觸面法向接觸關(guān)系采用“軟接觸”公式,接觸面模型的定義主要通過接觸對的定義、接觸表面及接觸表面間的力學(xué)行為的定義來實現(xiàn),其中接觸對通過*ContactPair關(guān)鍵字行定義,接觸表面通過*SurfaceDefinition關(guān)鍵字定義,接觸表面間的力學(xué)行為通過*SurfaceInteraction關(guān)鍵字行定義.彈簧單元的定義主要通過關(guān)鍵字行*Spring來實現(xiàn).(5)地表下的靜、排水系統(tǒng)壓初始地下水位在地表,所以,裂隙水壓力按裂隙高度確定,即考慮自然狀態(tài)下可能的最大靜水壓力,同時,還考慮了滲入的地表水形成的滲水壓及裂隙中的靜水壓,關(guān)于靜、滲水壓主要通過ABAQUS/CAE定義,首先在field中定義兩個壓力場,然后通過pressure荷載形式分別施加荷載,對靜水壓也可以通過hydrystatic直接定義,對水壓的加載如圖2所示.對于自重通過gravity定義即可.(6)出邊界條件采用4節(jié)點4邊形單元對基礎(chǔ)與滑體進行網(wǎng)格劃分,如圖3所示.圖中標(biāo)出邊界條件,1表示在x方向上施加約束,2表示在y方向上施加約束,在滑體上有一點標(biāo)了1,2,6三個方向是為了防止滑體產(chǎn)生剛體位移,箭頭方向為主動面(master)指向被控面(slave)的方向.1.2r,s的值。參數(shù)組的r通過所建立的有限元分析模型,用ABAQUS有限元軟件,求得軟弱結(jié)構(gòu)面上每個單元的應(yīng)力,按式(1),(2)將其分解到滑移面上,求得法向和切向應(yīng)力,然后通過積分運算分別計算出邊坡滑體總的抗滑力和下滑力,最后用式(3)求得R,S的值.得到與輸入?yún)?shù)組對應(yīng)的R,S值,見表1.σ=σx+σy2+σx?σy2cos2(90°?α)?τxysin2(90°?α),(1)τ=σx?σy2sin2(90°?α)?τxycos2(90°?α),(2)R=t∫l0(c?σtanφ)ds,S=t∫l0τds.(3)σ=σx+σy2+σx-σy2cos2(90°-α)-τxysin2(90°-α),(1)τ=σx-σy2sin2(90°-α)-τxycos2(90°-α),(2)R=t∫0l(c-σtanφ)ds,S=t∫0lτds.(3)2巖石力學(xué)特征根據(jù)模糊減法聚類的自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模原理,以所獲得的巖石力學(xué)參數(shù)(彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦因數(shù)、巖石密度等)作為輸入,抗滑力(R)、下滑力(S)分別作為輸出,其中取75組為訓(xùn)練數(shù)據(jù),25組為檢測數(shù)據(jù).根據(jù)自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模原理,得出巖石力學(xué)參數(shù)(輸入?yún)?shù))分別與R,S(輸出參數(shù))的自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,然后根據(jù)該模型研究R,S的統(tǒng)計特征得到可靠性指標(biāo)值.其訓(xùn)練后的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和模糊規(guī)則如圖4所示.考慮到所求可靠度的精度,需對數(shù)據(jù)進行擴充才能滿足要求,根據(jù)文獻(xiàn)的研究成果,確定模擬次數(shù)N=10000.由巖石力學(xué)參數(shù)分布特征及實驗所得參數(shù)的均值與協(xié)方差,隨機產(chǎn)生10000組數(shù)據(jù)作為模型的輸入數(shù)據(jù),求出所對應(yīng)的輸出R,S的數(shù)值,得到R,S的均值和標(biāo)準(zhǔn)差.最終由式(4)得到該露天礦邊坡的破壞概率p*f=1.15%(方差為0.0139%),可靠性指標(biāo)β=2.0812(方差為2.554×10-4).p?f=mN,β=μR?μSσ2R+σ2S√,(4)pf*=mΝ,β=μR-μSσR2+σS2,(4)式中,m為破壞次數(shù);N為模擬次數(shù);μR,μS分別為R,S的均值;σR,σR分別為R,S的標(biāo)準(zhǔn)差.根據(jù)Matlab語言編寫的模糊減法聚類算法實現(xiàn)可靠度的計算程序,為了驗證該程序的可靠性和實用性,在程序編寫的過程中設(shè)置了for循環(huán)語句使程序能自動運算出一組可靠性指標(biāo)和破壞概率值.圖5為循環(huán)100次的破壞概率和可靠性指標(biāo)分布.圖中的點代表每運行一次程序所得到的破壞概率和可靠性指標(biāo)值.由圖5可知,該程序是穩(wěn)定可靠的,模擬次數(shù)選10000能滿足使可靠性指標(biāo)和破壞概率在允許誤差范圍內(nèi).3邊坡可接受的破壞概率對于露天礦邊坡而言,目前還沒有統(tǒng)一的可靠性標(biāo)準(zhǔn),對此類邊坡穩(wěn)定性的評價只能借鑒相關(guān)結(jié)構(gòu)工程及前人對露天礦邊坡的少量研究結(jié)果來確定可接受的邊坡破壞概率和可靠性指標(biāo)的值.據(jù)據(jù)普里斯特等人在秘魯?shù)难芯拷Y(jié)果,對主要運輸線路邊坡和下面有礦山永久性設(shè)備的邊坡可接受破壞概率pf=0.3%(β=2.0).對于端幫邊坡臨時邊坡(不靠近運輸線路)以及臺階邊坡,可接受的概率為pf=10%(β=1.3);美國某大型露天銅礦邊坡分析中確定的可接受破壞概率為pf=3.9%;王四巍等對于礦山邊坡可靠性分析的可靠指標(biāo)提出一個相對穩(wěn)定值域,建議礦山邊坡的安全指標(biāo)3.2～3.5為重要,2.2～2.5為中等,1.6～2.0為一般.可見,該露天礦臺階邊坡的破壞概率p*f=1.15%和可靠性指標(biāo)β=2.0812是可以接受的.故該露天礦邊坡是屬于穩(wěn)定邊坡.4基于anfis的邊坡可靠度分析方法的應(yīng)用(1)ABAQUS中的接觸面模型以及非線性彈簧單元能有效地處理巖體節(jié)理和結(jié)構(gòu)面接觸非線性問題,采用切向彈簧單元模型模擬巖體結(jié)構(gòu)面,大大提高了計算精度和收斂效率.(2)在考慮地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響時,邊坡穩(wěn)定非線性有限元分析中將水的影響以靜、滲水壓的形式加