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摘要：本文简要概述了土石坝稳定性分析的现状，以及强度折减法的原理和采用数值分析时坝体的失稳判据。针对给定的土石坝工程，运用ABAQUS有限元分析软件，采用强度折减法，对土石坝在设计洪水位工况下的应力、位移及稳定性情况进行了分析，得出了各部分的云图，并通过软件计算得出了土石坝的安全系数为1.886。

关键词：ABAQUS，土石坝，强度折减法，稳定性

0 引言

土石坝是当前世界坝工建设中应用最广泛和发展最快的一种坝型，我国兴建的坝共有8.48万多座，其中九成以上是土石坝，足以证明土石坝的应用范围之广。土石坝是指由土、石料等当地材料填筑而成的坝。有可就地取材，节省钢筋水泥和能适应各种不同的地形地质条件，施工技术简单，便于组织机械化快速施工等优点。

土石坝稳定性分析是土石坝设计阶段的重要内容，是确定坝体尺寸、坡面角度和评价坝体安全的重要依据。土石坝坝坡稳定性可采用安全系数来进行评价，其可靠程度及准确性对大坝的经济性和安全性具有重要影响。目前边坡稳定性分析的方法主要有极限平衡法和数值分析法，然而极限平衡法并没有考虑岩土体边坡的变形和应力应变关系。数值分析法中以有限元法的应用最为成熟，它不但可以求出各单元的位移、应力应变及屈服和破坏情况，还可以跟踪土坡内塑性区开展的情况.宋二祥通过逐渐降低土体强度参数的方法使结构达到极限状态，给出了土体的安全系数。连镇营等用强度折减法研究了开挖土坡的稳定性，表明了强度折减法可以应用于开挖边坡的稳定性分析.

强度折减有限元法将强度折减理论与弹塑性有限元方法相结合，在给定判断依据的条件下，通过调整折减系数对边坡的稳定性进行分析，求得边坡的稳定安全系数。本文采用有限元分析软件ABAQUS并结合强度折减法对指定土石坝在设计洪水位作用下的应力、位移及稳定性进行逐一分析。

1 基本理论

1. 1强度折减法

强度折减法将稳定性安全系数定义为：边坡刚好达到临界失稳状态时，对土体的抗剪强度参数进行弱化的程度，即土体的实际剪切强度与临界失稳时的剪切强度之比。影响边坡稳定性的抗剪强度参数是粘聚力c和内摩擦角φ，强度折减法的核心即是由公式（1）、公式（2）来调整。然后对边坡进行数值模拟与结果分析，通过不断地调整折减系数反复计算分析直至边坡岩土体达到临界失稳状态，此时得到的折减系数F即为边坡的稳定性安全系数F。

1.2失稳判据

（1）计算不收敛判据

数值模拟方法通过对强度参数进行折减使边坡达到临界失稳状态，潜在滑动面的位移和塑性应变的大小不再是一个定值且会发生突变，导致程序无法收敛。该判据的思想即是在边坡失稳之前计算可以保证收敛，而破坏之后计算不收敛，表明滑动面此时无限流动。因此可把数值模拟计算是否收敛作为边坡失稳的一个依据。

（2）塑性区贯通判据

塑性区贯通判据认为，边坡失稳可以解释为土体塑性区逐渐扩展、增大直至贯通而进入完全塑性流动状态，塑性区从坡脚到坡顶贯通而无法继续承受荷载的过程。该判据认为随着折减系数的不断增大，坡体内部岩土体将逐步进入塑性，若进入塑性的岩土体区域相互贯通则表示边坡发生整体失稳。

（3）特征点位位移突变判据

边坡进入临界失稳状态后，必然会有一部分岩土体相对于另一部分发生无限制的滑动和偏移，可在特征点上布设监测设施，如果水平位移大于0.3m，此时位移的突变可作为边坡失稳的一种判断标准。

以上三种判据得到的安全系数相差不大。本文依据第二种判据即潜在滑移面塑性区贯通作为土石坝的安全稳定系数。

2 工程实例

2.1工程概况及有限元模型

某均质土石坝，坝高50米，坝顶宽度8米，坝体的上下游边坡的坡比分别为：1：2.5和1：2.0，坝基为完整岩体。（设计洪水位46米，下游水位3.0米，假设坝基高程为0.0）

表1为坝体材料物理力学参数。图1为土石坝的CAD尺寸图， 取土石坝最大横断面为计算的典型剖面。

2.2 计算结果及分析

利用ABAQUS有限元软件， 根据图1建立模型， 进行有限元分析。计算时， 坝基模型的左右边界均采用水平约束，底面采用水平竖向约束。首先对整体模型进行地应力平衡，然后施加静水压力分析坝体的应力及位移情况，最后分析在设计洪水作用下的坝体稳定性。

2.2.1 应力分析

ABAQUS中的小主应力对应于岩土工程中的大主应力。在设计洪水作用以及强度折减作用下土石坝的屈服应力、小主应力等值线云图如图2和图3所示。由图可知，坝体屈服应力及小主应力有较好的分布规律，屈服应力值随坝体断面高程增加而减小，中间区域应力较为集中，而小主应力值随坝体断面高程增加而增大。由图可知坝体小主应力的最大值为9.273Kpa，坝体屈服应力的最大值为319Kpa。

2.2.2位移分析

由图4可知，大坝在地应力和渗透压力作用下，坝体的水平位移呈大致对称分布，各自指向坡外方向;坝体上游洪水位斜坡水平位移明显大于坝体下游位移。这是由于上游面坝体的水位高于下游面坝体，上游坝体的渗透力明显大于下游的。由图5可知，当土坡强度减小时，本身上游高水位的渗透力大，从而导致高水位下的坝体面将出现很大的位移，由中间局部区域扩展到坡脚，从而导致土坡失稳。

2.2.3稳定性分析

通过运用ABAQUS软件，将强度折减分析步中t=0.9242的PEMAG（积分点上的等效塑性应变），PEEQ（累积塑性应变）分别绘制于图6、7中。ABAQUS中PEMAG描述的是变形过程中某一时刻的塑性应变，与加载历史无关; 而PEEQ是整个变形过程中塑性变的累计结果。从图中清楚地表明了在t=0.9242时出现了塑性区的贯通现象，此为前面所述的第二条失稳判据，由图8稳定系数曲线可以得出大坝对应的安全系数为1.886。

3 结论

本文通过利用ABAQUS有限元分析软件，采用强度折减法，分析了指定土石坝在设计洪水位作用下的应力、位移及稳定性情况。得到如下结论：

（1）屈服应力值随坝体断面高程增加而减小，中间区域应力较为集中，而小主应力值随坝体断面高程增加而增大。坝体小主应力的最大值为9.273Kpa，坝体屈服应力的最大值为319Kpa。

（2）当土坡强度减小时，高水位下的坝体面将出现很大的位移，由中间局部区域扩展到坡脚，从而导致土坡失稳。在工程实际中应避免土坡强度衰减。

（3）通过有限元强度折减法得出了土石坝的安全系数为1.886。

参考文献

[1]夏元友，李梅.边坡稳定性评价方法研究及发展趋势[J]岩石力学与工程学报，2002，21 （7） ：1087-1091

[2]宋二祥.土工结构安全系数的有限元计算[J].岩土上程学报，1997，19（2）：1-7

[3]连镇营，韩国城，孔宪京.强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性[J].岩土工程学报，2001，23（4）;407-411.

[4]荆周宝.基于ABAQUS强度折减法的边坡稳定性影响因素分析[J].青海交通科技.2015（2）

[5]张绪涛.ABAQUS强度折减法在边坡稳定分析中的应用[J].人民长江，2009，40（9）：42-45

[6]赵尚毅，郑颖人.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报.2002，24（03）：343-345.

[7]杜明庆，王旭春等.基于ABAQUS强度折减法的边坡稳定性分析[J]青岛理工大学学报.2011，33（4）：10-14

[8]张光斗，王光纶.水工建筑物[M].北京：北京水利水电出版社，1994.