浅谈ABAQUS在软土地区河道边坡工程参数反演中的应用

李时岭 汪洪慧 柏茂桂

（1.盐城市水利勘测设计研究院有限公司 盐城 224002 2.盐城市建筑设计研究院有限公司盐城 224007）

1 边坡工程参数反演方法的提出

在软土地区水工结构物边坡的稳定分析中，有时会遇到这样的问题：即使针对不同的工况采用相应的试验方法，并严格按照规范要求来处理数据，模拟计算所得的边坡安全系数却是小于1.0 的，然而多数现状河道边坡都是已经建成并运行多年，一直处于相对稳定状态，可以得出，有时勘察得到的土样参数因为土样受到扰动或其他原因，已经不能完全真实地反映土体的原有抗剪强度特性。岩土工程的一大特点就是涉及到的土层的不均匀性和边界条件的复杂性，如果能考虑到软土边坡的整体性，对多个土层的复杂边坡进行参数反演，无疑能增加这种方法的适用范围。

本文将基于强度折减法的基本原理，用ABAQUS 有限元软件对模拟结果得到安全系数小于1.0 的多土层复杂边坡进行参数反演。假设边坡处于临界状态，其安全系数为1.0，对边坡进行数值模拟，得到土体临界状态的每一层参数值就是最终的结果。

2 基于ABAQUS 软件的强度折减法原理

抗剪强度折减系数的定义为：在外部荷载保持不变的情况下，边坡内土体所能提供的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。如果假定边坡内土体发挥相同的抗剪强度，这时基于有限元的强度折减法与传统意义上的极限平衡法的安全系数的意义相同，又称为强度储备安全系数，这与极限平衡法给出的安全系数FS在概念上是一致的，对于采用摩尔-库伦本构模型的土体强度折减系数的定义表示的推导如下：

故折减后的抗剪强度参数可分别表示为：

式中：c 和φ—土体能够提供的抗剪强度参数；

cm和φm—维持边坡平衡所需要的土体实际发挥的抗剪强度参数；

Ft—强度折减系数。

在计算的过程中，假定不同的强度折减系数，并在模拟时不断增大强度折减系数，根据计算得出折减后的强度参数，再进行有限元计算，寻找到让边坡计算不收敛时所对应的折减系数。

有限元强度折减法的折减过程示意图如图1所示。

图1 有限元强度折减过程示意图

在本文中边坡土体参数的反演是针对边坡稳定系数小于1.0 的边坡反演的，在具体的反演过程中，首先将勘察所得的土体参数输入到有限元软件ABAQUS 进行强度折减分析，这样会得到一个小于1.0 的折减系数，这个折减系数就是软件分析过程中不收敛的响应值，其所对应的土体参数即是使边坡处于极限平衡状态的参数，将得出的参数重新输入有限元软件中，便能得到折减系数为1.0 的结果，这样即得到了参数的最终反演值。综上，反演的核心内容是要运用勘察的土体参数寻找边坡稳定分析的响应值。

3 工程实例

3.1 工程概况

盐城市防洪工程伍龙河闸站位于盐城市区第Ⅵ防洪区的伍龙河和通榆河的交汇处，该区地势低洼，地貌上属于滨海沉积平原，水系发育，自然地面标高在▽+2.50m 左右。本文选择安全性相对较小的路堤一侧河坡作为研究对象。河底高程为▽-1.30m 左右，北侧河坡处于通榆河与伍龙河交汇处。为使边坡的稳定分析更接近于实际情况，在伍龙河河道边坡模型建立过程中，对边坡的分层情况没有做简化，选取围堰内侧的坡顶最高的断面作为边坡最危险断面的计算代表。

在运用ABAQUS 对模型建模的过程中发现，边坡仅在自重作用下就发生了比较大的位移，这与实际情况是不符的。经分析，这是由于模拟过程中地应力不平衡造成的。本文对研究的坡体作地应力平衡，其结果如图2 和图3 所示。

图2 边坡的位移云图

图3 边坡的应力等值线云图

由图可知，地应力平衡后，模型仅在自重作用下位移特别小，满足地应力平衡要求，运用强度折减法对边坡进行稳定分析，并根据位移突变原理，追踪边坡坡顶的水平位移，得出坡顶水平位移与折减系数之间的关系如图4 所示。

图4 水平位移与折减系数之间的关系图

由水平位移与折减系数之间的关系可知，当场变量达到0.83 时出现拐点，之后水平位移开始出现大幅度变化，此时的响应值即为边坡的安全系数0.83。

3.2 边坡参数反演

边坡的安全系数小于1.0，原状边坡处于不稳定状态，然而原状边坡已经运行多年，并未出现滑坡的现象，因此需要对边坡的抗剪强度参数进行反演优化。由于边坡的土层层数较多，要想把土体参数反演后加强的值加权到每一土层上，就需要运用本文提出的反演方法，假设原状边坡处于临界状态，即边坡的安全系数为1.0，根据对原状边坡模拟得出的响应值0.83，反演前后的参数如表1。

表1 反演前后土体的直剪抗剪强度指标参数表

由表1 数据可见，反演优化后的参数相比原参数标准值都有一定程度的增大，而大部分反演后的参数还在勘察得到的土体抗剪强度参数值范围之内，因此优化后的参数是可取的。运用反演优化后的数据，对原状边坡进行数值模拟，同样通过追踪坡顶水平位移，根据位移突变原理，坡体的水平位移和场变量变化关系如图5 和图6 所示，得到的边坡水平位移与折减系数之间的关系曲线如图7，由图可知，当折减系数达到1.02 左右时，边坡水平位移发生明显的变化，则边坡的稳定系数为1.02，因此上述反演优化后的参数是合理的。表1 的数据可用于后续边坡开挖与支护过程中的稳定性分析。

图5 t=7.589 时坡体位移云图

图6 t=9.654 时坡体位移云图

图7 反演后水平位移与折减系数之间的关系图

4 结论与展望

4.1 结论

运用ABAQUS 有限元软件，对边坡进行数值模拟，可以得出边坡的安全系数、滑裂面位置、位移及塑性区开展情况，根据这些数据，能够为边坡的设计提供比较直观的参考。

边坡的稳定分析过程中，基于强度折减法的原理对边坡土层进行反演分析，运用这种方法，在保证工程安全的基础上，可以得出更加符合工程实际的土体参数指标，能提高工程的经济性，对以后软土边坡的设计研究有一定的参考价值。

4.2 展望

关于边坡稳定的研究一直是工程界与学术界热门课题，软土地区边坡的研究也受到越来越多的关注，这方面的工程实践也越来越多，特别是计算机技术的推动下，人们对边坡的稳定分析及计算愈加深入透彻，对于软土与砂性土交互沉积的工况，不可避免地会遇到渗流问题，然而ABAQUS 软件中还没有现成的渗流及荷载的耦合模块，解决渗流对边坡稳定性的影响仍是一个难题■