基于ANSYS的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

陳昌隆 （合肥工業(yè)大學宣城校區(qū)，安徽 宣城 242000）

邊坡穩(wěn)定性問題歷來困擾著各種邊坡工程的順利施工，邊坡穩(wěn)定與否是決定工程建設(shè)質(zhì)量好壞和保證生命財產(chǎn)安全的關(guān)鍵問題[1]，因而對邊坡的穩(wěn)定性分析研究具有很大的現(xiàn)實意義。目前在實際工程應(yīng)用中，評價土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的方法有多種，如瑞典條分法、畢肖普條分法、有限元法等[2]。近年來，隨著有限元方法及強度折減法的迅速發(fā)展，強度折減法已經(jīng)成為解決復雜邊坡安全穩(wěn)定問題的重要手段[3]，并得到了廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合工程實例，基于有限元強度折減法，運用ANSYS軟件對自然狀態(tài)下及錨索加固前后的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進行分析，為實際工程設(shè)計施工提供參考。

1 有限元強度折減法

1.1 強度折減法原理

強度折減法，就是在理想彈塑性有限元計算中將邊坡土體抗剪強度參數(shù)按式（1）逐漸折減直到邊坡達到破壞狀態(tài)為止。當坡體達到極限平衡狀態(tài)時，此時折減系數(shù)F即為邊坡的安全系數(shù)[4]。

式中：c為巖土材料內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角；F為折減系數(shù)。

1.2 邊坡失穩(wěn)依據(jù)

目前，有限元強度折減法中對于邊坡整體失穩(wěn)的判據(jù)主要有如下3種[5]。

①計算的收斂性。在利用有限元軟件求解過程中，可以通過設(shè)定迭代的次數(shù)、假定節(jié)點不平衡力和外荷載的比值、力和位移的收斂標準值等作為邊坡破壞的判斷依據(jù)。

②塑性區(qū)貫通。根據(jù)某一幅值的廣義塑性應(yīng)變或等效塑性應(yīng)變自坡腳下方向坡頂上方是否貫通作為邊坡破壞的標志。

③位移的突變。邊坡的破壞常常伴隨著位移的較大變化，因此可以根據(jù)計算區(qū)域內(nèi)某一部位或點的位移是否發(fā)生突變作為判斷依據(jù)。

上述3種判斷標準都各自存在合理的地方。本文采用計算不收斂作為破壞判據(jù)，并以塑性區(qū)貫通作為驗證條件。

2 實例分析

圖1 邊坡示意圖

圖1所示為一自然邊坡，最大坡高20m，坡角為45。，坡體由粉質(zhì)粘土構(gòu)成，整個邊坡矗立在由中風化凝灰?guī)r構(gòu)成的地基上。加固措施由6根錨索組成，錨索長15m，直徑0.13m。各材料參數(shù)如表1所示。

材料參數(shù)表 表1

2.1 模型建立

由于邊坡沿其長度方向延伸很長，且其橫截面和受力情況不沿長度變化，可簡化為平面應(yīng)變問題來建立模型。對邊坡土體采用具有8節(jié)點的PLANE82單元進行模擬，材料本構(gòu)模型為理想彈塑性模型，屈服準則選用摩爾-庫侖等面積DP圓（DP3）；錨索采用LINK1單元[6-7]。側(cè)邊界只對水平方向進行約束，底邊界在水平和豎直方向都進行約束，模型的上部邊界取為自由面。

圖2 有限元模型

2.2 計算結(jié)果分析

通過不斷增大折減系數(shù)對邊坡進行穩(wěn)定性分析，得到不同折減系數(shù)下的邊坡塑形應(yīng)變云圖。圖3為F分別是 1.20、1.30、1.40、1.50 時邊坡塑形應(yīng)變云圖，由圖可知隨著F的增加，邊坡最大位移不斷增加，邊坡塑性區(qū)不斷擴大最終延伸至坡頂使得邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)。經(jīng)計算，邊坡安全系數(shù)為1.55，極限平衡狀態(tài)下最大位移為0.410m，最大塑形應(yīng)變?yōu)?.044。利用錨索對邊坡進行加固，并在F=1.55情況下進行計算，邊坡最大位移為0.401m，最大塑形應(yīng)變?yōu)?.031。與未加固相比，可發(fā)現(xiàn)塑形應(yīng)變和最大位移均減小，邊坡穩(wěn)定性得到提高。從圖4可看出錨索穿過滑動面,限制是塑性區(qū)的發(fā)展。采用強度折減法，當F=1.78時邊坡塑形區(qū)發(fā)生貫通，故加固后邊坡安全系數(shù)為1.78。相比自然條件下，邊坡安全系數(shù)有較大的提高，說明采用錨索加固邊坡是有效的。同時，可以發(fā)現(xiàn)，采用錨索加固后，塑形區(qū)變深，說明錨索的設(shè)置可以有效發(fā)揮深部土體的抗滑穩(wěn)定性，從而提高邊坡穩(wěn)定性。

圖3 邊坡塑性應(yīng)變云圖

圖4 加固后邊坡塑形應(yīng)變云圖

3 總結(jié)

本文應(yīng)用強度折減法，采用有限元軟件ANSYS對錨索加固前后的邊坡穩(wěn)定性進行了有限元分析，得出以下結(jié)論:

①強度折減法考慮了土體的本構(gòu)關(guān)系，且不需要假設(shè)破壞面的存在，適用于邊坡的穩(wěn)定性分析；

②邊坡在加固前初始安全系數(shù)為1.55，采用錨索加固后，邊坡不會形成貫通的塑形區(qū)，安全系數(shù)變?yōu)?.78，邊坡穩(wěn)定性有較大的提高；

③邊坡設(shè)置錨索，可以增加塑性區(qū)區(qū)深度，利用深部土體的抗滑穩(wěn)定性限制塑性區(qū)的開展，從而提高邊坡的整體穩(wěn)定性。