基于abaqus的边坡稳定状态有限元分析

基于abaqus的边坡稳定状态有限元分析

边坡力学的研究和实践取得了重要进展，尤其是在有限或有限面积的研究方面取得了许多成果。例如，傅东生、邓健、刘宁等采用自己的有限程序研究边坡可靠性，为边坡可靠性值方法的研究奠定了坚实的基础。然而，由于岩石边坡工程的复杂性和不确定性，边坡的可靠性研究非常困难。为了解决这些问题，使用abaqus软件代替自定义程序进行边坡分辨率分析，并结合anfis研究边坡的可靠性。研究表明,ABAQUS具有分析非线性问题的强大功能,尤其能有效地处理岩体节理和结构面接触非线性问题及岩土体材料、几何及边界条件非线性问题,解决岩土体裂隙水压、地应力等复杂荷载的加载问题.由人工神经网络和模糊逻辑推理相结合而成的自适应神经模糊推理系统ANFIS,具有收敛速度快、稳定性好,网络训练结果具有可重复性等特性.本文利用ABAQUS与ANFIS的各自优点,建立了基于ABAQUS-ANFIS的边坡可靠性分析方法,并对湖南雪峰水泥原料矿山露天矿边坡进行可靠性分析.结果表明ABAQUS-ANFIS相结合的边坡可靠性分析方法是一种有效的可靠度计算方法.1基于abaqus的有限值测试1.1元分析模型的构建(1)几何参数的确定根据实地测量、理论分析和矿区所属单位资料室的资料确定该露天矿边坡稳定可靠性分析的几何尺寸,如图1所示.(2)材料参数选取根据各岩石力学参数的分布形式,用Matlab语言中的normrnd函数直接产生同分布参数组,从中选取随机参数100组,分别针对每一组材料参数对边坡进行有限元分析计算.(3)边坡边界条件基础的边界条件:左右两个侧面土体边界的水平位移为0,下部边界水平竖向位移均为0,其中,边界条件通过关键字行*boundary实现.为了防止在计算过程中边坡发生刚体位移而终止计算,在对计算结果影响不大的地方施加约束限制刚体位移的产生.(4)弹簧单元的定义对该边坡软弱结构面的模拟,首先采用ABAQUS中接触面模型的主动(master)-被动(slave)面理论,取刚度大的基础表面为主动面,滑体表面为被动面.其次,采用ABAQUS中的弹簧单元来定义.接触面之间的摩擦定律采用ABAQUS的“弹性滑移”的罚摩擦公式,摩擦因数随材料参数的变动而改变,接触面法向接触关系采用“软接触”公式,接触面模型的定义主要通过接触对的定义、接触表面及接触表面间的力学行为的定义来实现,其中接触对通过*ContactPair关键字行定义,接触表面通过*SurfaceDefinition关键字定义,接触表面间的力学行为通过*SurfaceInteraction关键字行定义.弹簧单元的定义主要通过关键字行*Spring来实现.(5)地表下的静、排水系统压初始地下水位在地表,所以,裂隙水压力按裂隙高度确定,即考虑自然状态下可能的最大静水压力,同时,还考虑了渗入的地表水形成的渗水压及裂隙中的静水压,关于静、渗水压主要通过ABAQUS/CAE定义,首先在field中定义两个压力场,然后通过pressure荷载形式分别施加荷载,对静水压也可以通过hydrystatic直接定义,对水压的加载如图2所示.对于自重通过gravity定义即可.(6)出边界条件采用4节点4边形单元对基础与滑体进行网格划分,如图3所示.图中标出边界条件,1表示在x方向上施加约束,2表示在y方向上施加约束,在滑体上有一点标了1,2,6三个方向是为了防止滑体产生刚体位移,箭头方向为主动面(master)指向被控面(slave)的方向.1.2r,s的值。参数组的r通过所建立的有限元分析模型,用ABAQUS有限元软件,求得软弱结构面上每个单元的应力,按式(1),(2)将其分解到滑移面上,求得法向和切向应力,然后通过积分运算分别计算出边坡滑体总的抗滑力和下滑力,最后用式(3)求得R,S的值.得到与输入参数组对应的R,S值,见表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岩石力学特征根据模糊减法聚类的自适应模糊神经网络建模原理,以所获得的岩石力学参数(弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦因数、岩石密度等)作为输入,抗滑力(R)、下滑力(S)分别作为输出,其中取75组为训练数据,25组为检测数据.根据自适应模糊神经网络建模原理,得出岩石力学参数(输入参数)分别与R,S(输出参数)的自适应模糊神经网络模型,然后根据该模型研究R,S的统计特征得到可靠性指标值.其训练后的模糊神经网络结构和模糊规则如图4所示.考虑到所求可靠度的精度,需对数据进行扩充才能满足要求,根据文献的研究成果,确定模拟次数N=10000.由岩石力学参数分布特征及实验所得参数的均值与协方差,随机产生10000组数据作为模型的输入数据,求出所对应的输出R,S的数值,得到R,S的均值和标准差.最终由式(4)得到该露天矿边坡的破坏概率p*f=1.15%(方差为0.0139%),可靠性指标β=2.0812(方差为2.554×10-4).p∗f=mN,β=μR−μSσ2R+σ2S√,(4)pf*=mΝ,β=μR-μSσR2+σS2,(4)式中,m为破坏次数;N为模拟次数;μR,μS分别为R,S的均值;σR,σR分别为R,S的标准差.根据Matlab语言编写的模糊减法聚类算法实现可靠度的计算程序,为了验证该程序的可靠性和实用性,在程序编写的过程中设置了for循环语句使程序能自动运算出一组可靠性指标和破坏概率值.图5为循环100次的破坏概率和可靠性指标分布.图中的点代表每运行一次程序所得到的破坏概率和可靠性指标值.由图5可知,该程序是稳定可靠的,模拟次数选10000能满足使可靠性指标和破坏概率在允许误差范围内.3边坡可接受的破坏概率对于露天矿边坡而言,目前还没有统一的可靠性标准,对此类边坡稳定性的评价只能借鉴相关结构工程及前人对露天矿边坡的少量研究结果来确定可接受的边坡破坏概率和可靠性指标的值.据据普里斯特等人在秘鲁的研究结果,对主要运输线路边坡和下面有矿山永久性设备的边坡可接受破坏概率pf=0.3%(β=2.0).对于端帮边坡临时边坡(不靠近运输线路)以及台阶边坡,可接受的概率为pf=10%(β=1.3);美国某大型露天铜矿边坡分析中确定的可接受破坏概率为pf=3.9%;王四巍等对于矿山边坡可靠性分析的可靠指标提出一个相对稳定值域,建议矿山边坡的安全指标3.2～3.5为重要,2.2～2.5为中等,1.6～2.0为一般.可见,该露天矿台阶边坡的破坏概率p*f=1.15%和可靠性指标β=2.0812是可以接受的.故该露天矿边坡是属于稳定边坡.4基于anfis的边坡可靠度分析方法的应用(1)ABAQUS中的接触面模型以及非线性弹簧单元能有效地处理岩体节理和结构面接触非线性问题,采用切向弹簧单元模型模拟岩体结构面,大大提高了计算精度和收敛效率.(2)在考虑地下水对边坡稳定性的影响时,边坡稳定非线性有限元分析中将水的影响以静、渗水压的形式加