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基于ABAQUS的边坡失稳综合判据法

发布者:网络   发布时间: 2011-11-17 浏览次数:

摘要:在分析有限元计算不收敛、坡体位移突变和潜在滑移面塑性区贯通这3种边坡失稳判据优缺点的基础上,提出边坡失稳的综合判据法,即先进行小变形有限元计算,以计算不收敛为边坡失稳判据,后进行大变形有限元计算,以位移突变为判据。采用综合判据法、运用ABAQUS有限元软件对一个标准算例和一个工程实例进行边坡稳定性分析,并与常用的简化Bishop法进行比较,二者所得安全系数接近,证明了边坡失稳综合判据法的合理可行。

1常用边坡失稳判据

采用强度折减有限元法分析边坡稳定性的一个关键问题是如何根据有限元计算结果来判别边坡是否达到极限破坏状态。目前常用的边坡失稳判据主要有:(1)有限元计算不收敛;(2)坡体或坡面位移突变;(3)潜在滑移面塑性区贯通。

采用第1种判据的理由是:有限元计算迭代过程就是寻找外力和内力达到平衡状态的过程,整个迭代过程直到一个合适的收敛标准得到满足才停止,如果边坡失稳破坏,滑面上将产生没有限制的塑性变形,有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力-应变关系和强度准则的解,此时不管是从力的收敛标准,还是从位移的收敛标准来判断,有限元计算都不收敛。这样处理自然可以避开临近极限状态的计算,但采用有限元计算不收敛作为破坏标准包含一定的非确定性人为因素,并且在有些情况下计算结果可能会有较大误差,因为不收敛可由多种原因引起,比如荷载步长过大或体系内不同部分的刚度相差悬殊而使其数值性态较差。另外,有限元数值计算收敛时也不一定表明边坡处于安全状态[1-6],因此将有限元计算的收敛性作为边坡的失稳判据不具备广泛的适用性。

采用第2种判据的理由是:由理想弹塑性材料构成的边坡进入极限状态时,必然是其一部分土体相对于另一部分发生无限制的滑移。尽管各种因素对位移和塑性应变等计算结果有较大影响,但这些因素不能改变边坡濒临破坏时位移突变的本质趋势,因此建议采用特征点处的位移突变作为边坡处于极限状态的判据,这样可以减小非确定性因素对安全系数的影响,但是该方法中特征点的选取对安全系数计算结果的影响较大[7]。

第3种是以边坡的等效塑性应变区从坡脚到

坡顶贯通作为边坡发生整体失稳破坏的判据[8-10]。这种方法物理意义明确,但也有其不精确之处,因为在进入极限状态前,土工结构的塑性区也可能是贯通的,并且区域还可能较大。例如在计算一水平土层的自重应力时,如果土层的泊松比偏小,则开始计算时由于土体内剪应力水平较高,整个土体均处于塑性区。但通过弹塑性计算,土体内水平应力增大,而体系保持稳定并不破坏。所以,由计算显示的塑性区贯通来认定极限状态也是一种近似处理。另外,文献[4]认为,边坡破坏的特征是广义剪应变从坡脚到坡顶上下贯通,其物理意义较明确,但广义剪应变不仅含有塑性分量,而且也包括弹性分量,虽然广义剪应变的大小能够在一定程度上反映土体的剪切破坏状态,但是并不能准确地描述土体塑性区的发生与发展过程。因此,根据广义剪应变来判断塑性区及剪切破坏区的发展,并以此作为判断失稳的指标还是不够合理和准确。

上述3种判据都有其局限性,因此在采用强度折减有限元法计算边坡稳定安全系数时,笔者认为宜联合采用特征点处的位移突变和塑性区是否贯通等作为边坡失稳的判据,并且在用特征点位移突变作为判据时,应尽量在坡顶和坡趾处的特征部位设立多个观察点,以考察其位移与塑性区随强度折减系数的变化规律。

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基于ABAQUS的边坡失稳综合判据法

 

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