基于ABAQUS的边坡稳定性强度折减有限元分析

以大型通用有限元分析软件ABAQUS作为平台,以迭代不收敛作为边坡失稳判据,通过二次开发建立了能够自动搜索安全系数与相应失稳机构的边坡稳定性强度折减弹塑性有限元计算模型,针对成层黏性土边坡、多级边坡等复杂情况进行了稳定性分析。并论证ABAQUS中所采用的Mohr-Coulomb破坏准则与传统的Mohr-Coulomb破坏准则的一致性。     

基于强度折减原理的地下洞室群整体安全系数计算方法探讨

为解决大型地下洞室群的整体稳定性评价这一难题,吸收边坡强度折减有限元的优点,提出了基于强度折减技术的地下洞室群整体安全系数求解方法。该方法采用Mohr-Coulomb屈服准则,以洞室之间的等效塑性应变贯通作为洞室群整体失稳的临界判据。洞群整体安全系数计算是通过搜索折减系数F,将岩土材料的力学强度参数（黏聚力c和内摩擦角?）按F值折减代入数值计算中,使计算模型的洞室间正好出现明显的贯通性等效塑性应变来实现。拉西瓦水电站地下发电枢纽洞室群和锦屏二级水电站A、B辅助洞两个典型工程实例的整体安全系数计算表明,该方法可以便捷、客观地获得洞室群的整体安全系数,可为大型地下多洞室的稳定性评价和开挖与支护设计提供定量指标和科学依据。     

基于有限元修正节理岩质边坡稳定性计算的解析解

采用有限元方法探讨在人工开挖或自然侵蚀环境下,岩质边坡体内应力场的变化及节理发育形成机理,并采用有限元强度折减法对后缘具有张节理边坡的稳定性影响因素进行敏感性对比分析,进而得出具有非贯通节理边坡稳定性计算的修正解析解。结果表明：卸荷及风化作用导致边坡体由表及里出现应力重分布及应力集中的现象,使边坡后缘由顶部向下发育一簇竖直向下或略向临空面倾斜的张节理,当张节理与下部的缓倾剪节理贯通时,边坡发生破坏;边坡稳定性最敏感的影响因素为受剪节理的倾角及贯通度,其次是节理的强度参数;可将工程中较难调查的节理贯通度转化为节理的强度参数来等效表达,并根据Mohr-Coulomb强度准则推导得到适用于具有非贯通节理的岩质边坡稳定性的修正解析解。     

基于Barton-Bandis准则的锚固边坡稳定性分析

结合岩石节理面非线性Barton-Bandis破坏准则,探讨了将Barton-Bandis破坏准则参数转化为线性Mohr-Coulomb破坏准则抗剪强度参数的两种常用方法,通过实例分析了各方法的优劣。推导了加锚单岩石节理面控制的平面滑动岩体边坡抗滑稳定性安全系数计算式,开展了锚固参数分析。研究表明：相对于采用等效线性拟合法或切线等效法获取Mohr-Coulomb抗剪强度参数而言,直接应用Barton-Bandis破坏准则计算节理面控制的岩石边坡稳定性更为直观和简便;随着结构面基本摩擦角、结构面粗糙度系数和结构面壁面有效抗压强度的增大,边坡安全系数逐步提高,且结构面基本摩擦角和粗糙度系数对边坡安全系数的影响程度更为显著;锚索锚固力越大,边坡抗滑稳定性越好,而锚索设置角度越大,边坡抗滑稳定性越低,锚索角度设置不当将明显减小锚固效应的有效性。     

边坡失稳的仿真模拟分析

利用ANSYS仿真模拟平台,配合滑动方向准则及临界滑动面的寻求模式对边坡稳定性进行分析.分析过程中,考虑了边坡失稳过程中的应力重分布,由此引起了临界滑动面的改变,真实地反映了边坡失稳是一个逐步发展的过程,并以算例对边坡失稳的过程进行了仿真模拟分析.     

基于H-B准则的各向异性边坡岩体强度参数修正研究

在岩质边坡的稳定性计算分析中,各向异性岩体抗剪强度参数的合理取值直接决定了分析成果的可靠性。为充分考虑岩体各向异性对边坡工程的影响,本文基于H-B强度准则,利用边坡岩体质量分类体系CSMR替代RMR,对参数m_b、s进行修正,并由此进一步计算得到各向异性边坡岩体的等效M-C强度参数。通过工程实例,计算比较了金沙江某水电站导流洞出口边坡在相同基岩条件、不同开挖设计方案下强度参数修正前后的边坡稳定安全系数。研究结果表明,岩体各向异性对边坡稳定性影响较大,未考虑岩体各向异性的岩体参数用于边坡稳定性计算时不能准确反映边坡的实际稳定性状态;而经过各向异性修正后,导流洞出口边坡两种设计方案下的整体稳定安全系数计算结果分别为1.11和1.70,与工程地质定性、半定量评价结果基本相符。通过本文提出的方法对边坡各向异性岩体参数进行修正,并在此基础上对边坡整体稳定性进行计算分析是可行的。     

基于Hoek-Brown准则的三维边坡变形稳定性分析

采用Hoek-Brown准则,分析三维边坡在开挖扰动下的变形稳定性。以某露天矿边坡为工程背景,利用快速拉格朗日差分法(FLAC3D)建立三维数值分析模型,并在边坡中布置若干监测点,利用FISH语言编制相应位移插值程序,探讨边坡开挖引起的动静态位移响应,从宏观角度揭示出边坡开挖后,不同区域的变形,为工程实践提供指导;介绍了强度折减技术在Hoek-Brown准则中的实施方法,采用计算不收敛失稳判据,计算边坡安全系数,从而进一步推广Hoek-Brown强度折减法在三维边坡稳定性分析中的应用。     

基于SLFT的边坡强度折减法失稳判据

强度折减法在评价边坡稳定性时不需要假设和搜索临界滑裂面,相对于其它方法具有一定优势,但失稳判据尚无明 确标准。滑移线场理论（SLFT） 可以计算得到的极限状态下的边坡坡面曲线（简称极限坡面曲线）,已有研究表明极限坡 面曲线与边坡坡面的相对位置关系可以判断边坡稳定性。基于该结论提出一种边坡强度折减法失稳判据：不同折减系数计 算得到不同的强度参数,因此滑移线场理论计算得到的极限坡面曲线将发生变化,当极限坡面曲线与边坡坡面在坡底相离 时,判断边坡为稳定状态;当极限坡面曲线与边坡坡面相交于坡脚时,判断边坡为极限平衡状态;当极限坡面曲线与边坡 坡面相交时,判断边坡为失稳状态。对标准边坡考题的计算结果表明：提出的失稳判据收敛性较好,安全系数计算结果与 标准答案和已有失稳判据分析结论相差较小;传统失稳判据收敛指标的确定没有明确标准,当位移突变曲线光滑时很难找 到突变点,很难准确计算对应的安全系数,更重要的是传统失稳判据判断边坡极限状态受到人为主观因素的影响,而提出 的失稳判据可以实现失稳判据的客观标准化;确定的临界滑裂面形状以及在边坡中的位置都与标准答案基本一致,提出的 失稳判据适用于强度折减法。     

基于SLFT的边坡强度折减法失稳判据

强度折减法在评价边坡稳定性时不需要假设和搜索临界滑裂面，相对于其它方法具有一定优势，但失稳判据尚无明 确标准。滑移线场理论（SLFT） 可以计算得到的极限状态下的边坡坡面曲线（简称极限坡面曲线），已有研究表明极限坡 面曲线与边坡坡面的相对位置关系可以判断边坡稳定性。基于该结论提出一种边坡强度折减法失稳判据：不同折减系数计 算得到不同的强度参数，因此滑移线场理论计算得到的极限坡面曲线将发生变化，当极限坡面曲线与边坡坡面在坡底相离 时，判断边坡为稳定状态；当极限坡面曲线与边坡坡面相交于坡脚时，判断边坡为极限平衡状态；当极限坡面曲线与边坡 坡面相交时，判断边坡为失稳状态。对标准边坡考题的计算结果表明：提出的失稳判据收敛性较好，安全系数计算结果与 标准答案和已有失稳判据分析结论相差较小；传统失稳判据收敛指标的确定没有明确标准，当位移突变曲线光滑时很难找 到突变点，很难准确计算对应的安全系数，更重要的是传统失稳判据判断边坡极限状态受到人为主观因素的影响，而提出 的失稳判据可以实现失稳判据的客观标准化；确定的临界滑裂面形状以及在边坡中的位置都与标准答案基本一致，提出的 失稳判据适用于强度折减法。     

基于Hoek-Brown准则的非等比强度折减方法

针对节理岩质边坡稳定性分析问题,开展了基于Hoek-Brown破坏准则的强度折减法研究。边坡的失稳过程是一个渐进累积破坏过程,破坏过程中各强度参数的衰减程度不同,在强度折减法中对应的折减系数也不同,不同折减系数间关系的确定及其综合安全系数的定义值得深入探讨。首先从岩体材料软化（硬化）特性出发,根据岩体强度参数从峰值强度到残余强度的变化规律,推导了Hoek-Brown破坏准则中3个强度参数折减系数间的数学关系式,然后以折减前后滑面上抗滑力之比定义综合安全系数来评价边坡的稳定性,最后结合算例验证了该方法的合理性,可有效应用于节理岩体边坡的稳定性分析。     

非轴对称荷载下圆形隧洞围岩弹塑性分析解析解

考虑岩石材料的应变软化及扩容效应,采用岩石材料的弹性-塑性软化-塑性残余三线性应力-应变软化模型和莫尔-库仑屈服准则,推导了非轴对称荷载下圆形隧洞围岩弹性区、塑性软化区和塑性残余区的应力场、应变场、位移场和塑性区半径的近似解析解,适用于围岩塑性区较大且侧压力系数1≤λ<3的情况。该近似解析方法与有限元法的计算结果较为接近,可代替有限元方法进行简单的圆形隧洞围岩弹塑性分析。     

弹塑性无厚度接触面单元的本构积分算法及验证

对基于理想弹塑性理论框架、屈服准则为Mohr-Coulomb准则、采用非关联流动法则的无厚度接触面单元的本构积分算法进行了探讨,引入非关联的伪屈服函数和伪势函数,提出了将超出屈服面、处于角点应力区的试应力双向返回到屈服面的本构积分算法。据此编制了ABAQUS用户单元子程序,进行了算例验证。结果表明,提出的算法可以较好地实现土与结构物共同作用的有限元数值模拟。     

Implicit integration algorithm for Hoek-Brown elastic-plastic model

A realistic strength criterion often used to describe the yielding behaviour of a jointed rock mass at a continuum level is the well-known Hoek and Brown criterion. This paper is concerned with a 3-D stress generalization of the Hoek-Brown failure criterion by means of an elliptical functional which leads to a smooth deviatoric trace in the stress space. For its incorporation into a finite element analysis involving plasticity calculations, the formulation of an implicit stress integration algorithm is presented. The key computational methodology alludes to the notion of consistent tangent modulus and implicit return mapping schemes (radial and closest point return) for stress integration in a finite element analysis. Within the context of non-linear elastoplastic analysis, it is found that formulation of such consistent modulus and success into achieving numerical efficiency are closely intertwined. Indeed, the procedure results into accurate and rapid convergence of the displacement finite element scheme during the search for equilibrium. This means that considerable savings in computational time can be achieved for large scale problems. Numerical examples which focus on the Hoek-Brown plasticity model are presented in order to fully appreciate the robustness of the algorithm, and hence the viability of such method to practical problems.     

An adaptive finite element model for wellbore breakout simulation

A finite element formulation is proposed and implemented for analysing the stability of excavated wells using the DiMaggio-Sandler constitutive elastoplastic model with a typical carbonate reservoir configuration. The quality of the finite element approximation is ensured by applying smooth curved elements adapted to the wellbore geometry, and h − p adaptive finite element meshes in the plastic zone. General purpose procedures are defined to transfer the elastoplastic deformation history to newly created integration points. A breakout damage criterion is proposed based on the second invariant of the deviatoric plastic deformation tensor. This damage criterion is used to apply a mesh movement algorithm to represent material collapse. The automatic successive application of the breakout damage criterion results in elliptical realistically looking geometries obtained in experiments reported in the literature.     

某水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析

采用有限元方法反演某水电站地下厂房厂区初始地应力场。采用Zienkiewicz-Pande的双曲线屈服准则,对某水电站地下厂房洞室群的开挖过程进行了三维弹塑性有限元模拟。为反映锚固支护对围岩的加固作用和评价地下厂房洞室群支护参数的合理性,提出了可以考虑抗剪作用的隐式锚杆单元和可以考虑预应力效果隐式锚索单元。计算结果表明,该洞室群在洞室布局、开挖顺序和支护参数等方面是合理的,各主要洞室群的稳定性总体较好。     

砂土边坡深埋桩变形破坏的三维数值分析

利用三维弹塑性有限元,对砂土斜坡上刚性深埋桩水平载荷时的变形破坏进行了解析.在有限元解析中,考虑了砂土材料的低抗拉特点.结果表明,有限元计算所得到的桩基水平荷载与水平位移关系与现场实测值基本一致.此外,还利用三维有限元的解析结果,对深埋桩基随深度方向的土压与位移分布以及受压、受拉破坏的渐进性状态进行了合理的分析.     

非均质黏土地基中平面应变隧道最小支护压力数值模拟

土体由于沉积而具有天然的非均质性,但关于非均质地基中隧道开挖面稳定性的研究却很稀少,在实际盾构隧道工程中均按均质地基对待。但这一简化并没有考虑非均质性对保持开挖面稳定所需最小支护压力的有利作用,以及对破坏模式的影响。故文中采用基于tresca准则的弹塑性有限元法来研究黏聚力随深度线性变化的纯黏土地基中平面应变隧道的开挖面稳定性,模拟了土体失稳渐进破坏的全过程。最终验证了无量纲化的有效性,得到了各种工况时保持土体稳定的最小支护压力值,并发现了黏聚力线性变化斜率对深埋隧道破坏模式的影响,可为理论分析和工程实践提供依据。     

Adaptive finite element analysis of cone penetration in clay

This paper presents a numerical technique for the analysis of the cone penetration test by means of the commercial finite element code ABAQUS. The von Mises yield criterion with its associated flow rule is assumed to model the plastic behaviour of elastoplastic undrained clays. An explicit finite element scheme is used to efficiently perform a large number of loading increments and to simplify the treatment of contact. An Arbitrary Langrangian–Eulerian (ALE) scheme is adopted to preserve the quality of mesh throughout the numerical simulation. A volumetric weighting algorithm adjusts the relative positions of nodes after each loading increment. This prevents mesh over distortion and allows the simulation to run continuously. The variation of the cone resistance is examined in relation to various parameters such as the in situ stress state, shaft and cone face roughness, and the material strength when steady state conditions have been reached. The trends of these variations are highlighted and compared with those found by other researchers. This technique can be extended to analyse the plastic behaviour of elastoplastic sands often modelled using either the Drucker–Prager yield criterion or a critical state model.     

水布垭特大断面导流洞围岩稳定性分析

湖北清江水布垭导流洞采用矿山法施工,为确保施工安全,以三维有限元对该隧洞处于断层破碎带的进口渐变段的施工过程进行了计算模拟,并根据计算结果确定了合理的施工方案.根据地下结构设计理论中的地层结构法,选用连续体计算模型,对围岩材料和混凝土材料的本构关系分别作理想弹塑性应力-应变关系和线弹性本构关系的简化,并采用摩尔-库仑屈服准则,分析了初期支护结构的受力特点、围岩塑性区的深度和范围以及洞周围岩位移的发展规律.结果显示,围岩塑性区深度较大,而且初期支护结构承受的最大拉、压应力均略大于混凝土的强度极限,指出该区段初期支护结构在采用钢筋格栅喷混凝土的基础上,应加强长、短系统锚杆进行围岩加固.     

偏压分岔隧道施工过程损伤破坏分析与优化研究

正在施工的沪蓉西高速公路八字岭分岔隧道属于偏压隧道,而且分岔隧道包括连拱段和小净距段,施工过程转换复杂,因此,采用正确的施工方案对于隧道的稳定性非常重要。为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤耦合模型,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM。建立了分岔隧道大型三维数值模型,采用弹塑性损伤有限元D-FEM模拟了分岔隧道不同的施工过程,通过分析施工过程中隧道围岩的位移、应力和损伤屈服区,最终确定采用左洞超前右洞32 m,左右洞同步开挖的施工方法。