ANSYS在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

高 峰，王佳卿，史曉忠

（無錫市政設(shè)計研究院有限公司，江蘇無錫 214072）

0 引言

多年的理論研究和生產(chǎn)實踐表明，人們對于滑坡災(zāi)害認(rèn)識的不斷深化，是建立在工程地質(zhì)、巖石力學(xué)、土力學(xué)等一系列科學(xué)分支的不斷形成、發(fā)展和不斷完善基礎(chǔ)之上的。而滑坡預(yù)報和工程治理又是圍繞著確保人身安全和經(jīng)濟建設(shè)順利開展這一中心進行的。因此，邊坡穩(wěn)定性研究與巖土工程的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系，邊坡的穩(wěn)定性分析具有重要學(xué)術(shù)價值和工程實用意義。

1 邊坡穩(wěn)定性經(jīng)典分析法與有限單元法

邊坡問題作為一個古老的課題，由最初從自然滑坡現(xiàn)象開始認(rèn)識邊坡的穩(wěn)定性到現(xiàn)在，邊坡穩(wěn)定性分析經(jīng)歷了一個由不成熟到成熟的歷史過程。1776年法國工程師庫侖提出了庫侖土壓力的計算方法，而后在1857年，英國學(xué)者朗肯提出了朗肯土壓力的計算方法。20世紀(jì)初期，伴隨西方國家的工業(yè)化而興起的大范圍的土木工程建設(shè)，出現(xiàn)了很多的人工邊坡，誘發(fā)了大量滑坡和崩塌，帶來了巨大的損失。從此，人們開始重視邊坡失穩(wěn)對人類造成的危害，并開始借助用一般材料分析中的工程力學(xué)理論對滑坡進行半經(jīng)驗、半理論的研究。

人們早期對邊坡穩(wěn)定性的研究主要是從兩個方面進行的，一是借助土力學(xué)中極限平衡的概念，由靜力平衡條件計算邊坡極限狀態(tài)下的穩(wěn)定性；二是從邊坡所處的地質(zhì)條件、影響因素和失穩(wěn)機制上進行對比分析。上世紀(jì)50年代，我國學(xué)者引進前蘇聯(lián)工程地質(zhì)學(xué)的體系，繼承和發(fā)展了“地質(zhì)歷史分析”法，將其應(yīng)用于滑坡的分析和研究中，并著重開展了邊坡地質(zhì)條件的描述和邊坡類型的劃分。采用工程地質(zhì)類比法評價邊坡穩(wěn)定性，對邊坡穩(wěn)定性研究起到了推動作用。

目前邊坡穩(wěn)定分析方法很多，最常用的有極限平衡分析方法和數(shù)值分析方法。

ANSYS有限元分析軟件的主要功能可分為4個部分：實體建模、網(wǎng)格劃分、求解模塊、后處理模塊POST1和POST26。

2 工程概況

無錫市桃花山垃圾填埋場盤山公路，位于無錫市濱湖區(qū)，設(shè)計全長約5 km?，F(xiàn)狀地形多為山嶺丘陵。在劈山建設(shè)的施工過程中，使山體形成了多個陡坡，帶來了諸多不安全隱患。

其地質(zhì)概況敘述如下：

無錫市區(qū)地層隸屬于江南地層區(qū)，修水-錢塘江分區(qū)，蘇州-長興小區(qū)。區(qū)內(nèi)地層自老至新有古生界志留系、泥盆系、石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系、白堊系，以及新生界第三系和第四系。境內(nèi)第四紀(jì)沉積物覆蓋廣泛，除泥盆系出露地表并組成境內(nèi)山體外，其余地層均隱伏于第四系之下。

無錫地區(qū)位于揚子準(zhǔn)地臺下?lián)P子臺褶帶東側(cè)，無錫地區(qū)構(gòu)造表現(xiàn)為以褶皺為主、斷裂次之。地質(zhì)構(gòu)造總體組成一背斜，即梅園背斜（亦稱馬山-惠山背斜）。背斜軸在錢橋-梅園一線，向西南入太湖三山島、拖山方向。境內(nèi)斷裂構(gòu)造主要為印支-燕山期斷裂：以北西向、北東向為主，其次為北北東向及東西向，斷裂性質(zhì)以逆斷層為主、正斷層次之，主要活動時期為侏羅紀(jì)至白堊紀(jì)。對無錫地區(qū)影響較大的斷裂主要為鄰近的湖（州）-蘇（州）區(qū)域斷裂，該斷裂自湖州-蘇州、過長江崇明島直至南通呂四，具多期活動性，其最新活動時代在晚第三紀(jì)。

新構(gòu)造運動總的表現(xiàn)：丘陵振蕩上升及島狀山體局部抬升，平原區(qū)相對持續(xù)緩慢下沉。

無錫地區(qū)地震活動屬強度弱、頻率低的地震活動區(qū)。據(jù)史料記載，近五百多年以來、該地區(qū)共發(fā)生地震20余次，強度一般在5～6級，多屬震級低、非破壞性的地震，未發(fā)生6.0級以上破壞性地震。但周邊地區(qū)發(fā)生的地震，該區(qū)震感較強，鄰近破壞性地震有7次：分別為：蘇州3次、昆山、湖州、江陰、狼山各1次。

3 計算模型

邊坡工程的受力狀態(tài)復(fù)雜，實際受力應(yīng)該屬于空間三維問題，但是在工程實踐中，為了簡化分析過程，工程技術(shù)人員都將它簡化為二維問題來進行分析求解，較多的工程實例表明，使用二維有限元法也能得到令人滿意的結(jié)果。這樣既能達到精度要求又大大減少了三維求解的復(fù)雜過程，因此本文也將運用二維分析法對工程實例進行計算分析。本文選取了某個邊坡斷面分別進行分析。上層為粉土，下層為粉質(zhì)粘土。為分析問題方便，計算按照理想彈塑性巖土體的平面應(yīng)變問題處理，采用有限元軟件ANSYS進行模擬分析，有限元模型網(wǎng)格剖分時，為了保證計算的精度，在可能滑移面區(qū)域和結(jié)構(gòu)面上區(qū)域?qū)卧W(wǎng)格進行了局部加密處理。邊界條件為左右兩側(cè)水平約束，下部固定，上部為自由邊界?？紤]坡體在自重條件下邊坡的演變趨勢。

4 計算參數(shù)

計算采用的數(shù)值分析方法是有限元法，其中考慮了彈性和彈塑性兩種力學(xué)模型，彈塑性分析中的屈服條件采用的是Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則中所需要的主要參數(shù)是凝聚力c，內(nèi)摩擦角φ，膨脹角φf。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，以及現(xiàn)場原位剪切試驗提供的巖石物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合工程地質(zhì)類比，選取計算參數(shù)如表1所列。

表1 粉土、粉質(zhì)粘土參數(shù)表

邊坡加固時采用的預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁的參數(shù)如表2所列。

表2 預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁參數(shù)表

5 計算過程及其結(jié)果分析

5.1 網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域的兩側(cè)采用x方向約束，模型底部各邊界點采用x、y方向約束條件。上部黃土狀粉土采用PLANE42單元來模擬其地質(zhì)條件，下部粉質(zhì)粘土也采用PLANE42單元來模擬其地質(zhì)條件，預(yù)應(yīng)力錨索采用一維LINK單元，抗滑樁支護結(jié)構(gòu)均采用BEAM3梁單元，單元劃分詳見圖1所示。

圖1 單元劃分圖

5.2 計算結(jié)果及分析

本文對邊坡的計算分兩步進行，第一步是自然狀態(tài)下邊坡的受力和變形分析，通過分析來判斷邊坡在自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性，以及邊坡的應(yīng)力和位移狀態(tài)和變形的發(fā)展趨勢。第二步是邊坡加固后的受力變形分析，并對邊坡位移和應(yīng)力進行發(fā)展趨勢的評估和計算。

目前，土體破壞的標(biāo)準(zhǔn)有三種主要的判斷方法。第一，以有限元靜力平衡計算不收斂作為邊坡整體失穩(wěn)的標(biāo)志；第二，以塑性區(qū)（或者等效塑性應(yīng)變）從坡腳到坡頂貫通作為邊坡整體失穩(wěn)的標(biāo)志；第三，滑動土體無限移動，并且土體滑移面上應(yīng)變和位移發(fā)生突變且無限發(fā)展作為邊坡整體失穩(wěn)的依據(jù)。本文選擇將有限元數(shù)值計算是否收斂或塑性區(qū)是否從坡腳到坡頂貫通作為土體破壞的依據(jù)。

5.2.1 加固前

由邊坡初始地層變形圖（見圖2），以及水平方向位移云圖（見圖3）可知，邊坡在初始狀態(tài)下受自身重力的影響，將產(chǎn)生非常大的變形，位移的最大值為622.689 mm，變形主要集中在錯臺1周圍。由邊坡水平方向應(yīng)力云圖（見圖4）可知，邊坡初始狀態(tài)下x負向最大應(yīng)力為409 kPa，而且最大應(yīng)力的位置主要集中在滑移線上部。由邊坡的位移矢量圖（見圖5），可清晰地看到整個邊坡存在很大的向下滑移的趨勢，由此趨勢可以選擇以后的支護地段。由等效塑性云圖（見圖6），可以看出，邊坡的塑性區(qū)從坡腳到坡頂發(fā)生貫通，符合邊坡破壞的標(biāo)準(zhǔn)。綜上可以得出結(jié)論：邊坡在天然狀態(tài)下已經(jīng)破壞，符合工程實際狀況。

圖2 邊坡初始地層變形圖

圖3 水平位移云圖

圖4 水平應(yīng)力云圖

圖5 位移矢量圖

圖6 等效塑性云圖

5.2.2 加固后

通過對邊坡的初始狀態(tài)進行分析知道，邊坡已經(jīng)破壞，因此需要對邊坡進行加固處理。本文采取的是預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的支護方式，如圖7所示。

圖7 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁示意圖

預(yù)應(yīng)力錨索采用LINK單元來模擬，抗滑樁用BEAM3單元來模擬。計算模型仍采用初始的模型，只需將抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索激活即可。結(jié)果如下：

根據(jù)邊坡初始地層變形圖（見圖8），以及水平方向位移云圖（見圖9）可知，邊坡在加固后產(chǎn)生的變形非常小，位移的最大值為2.51 cm，變形主要集中在錯臺1周圍。由邊坡水平方向應(yīng)力云圖（見圖10）可知，邊坡在加固后的其表面在x負向最大應(yīng)力為20 kPa以內(nèi)，邊坡的穩(wěn)定性得到很好的保證。由邊坡的位移矢量圖（見圖11），可看到整個邊坡滑移的趨勢也大大減弱。由等效塑性云圖（見圖12）可以看出，邊坡的塑性區(qū)僅僅控制在抗滑樁外側(cè)的公路上。綜上可以得出結(jié)論：邊坡在加固后是穩(wěn)定的。

圖8 邊坡初始地層變形圖

圖9 水平位移云圖

圖10 水平應(yīng)力云圖

圖11 位移矢量圖

圖12 等效塑性云圖

6 結(jié)語

本文是在學(xué)習(xí)和總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)邊坡穩(wěn)定性設(shè)計工程實踐和理論研究成果的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析結(jié)合實際工程，對無錫桃花山盤山公路邊坡自然穩(wěn)定性，以及加固后的穩(wěn)定性進行有限元仿真模擬研究。

本文對邊坡穩(wěn)定性分析及加固的過程中得到了一些結(jié)論，但是仍存在著很多問題。要真正準(zhǔn)確地分析和評價邊坡的穩(wěn)定性，那就需要在以后的研究工作中，針對其他有關(guān)方面的問題進行深入的研究。在邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)該考慮其它影響因素的作用如：地下水的作用，地震作用，土的應(yīng)力歷史作用等對邊坡穩(wěn)定性的影響。

[1]鄭穎人，陳祖煜，等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]鄧平凡.ANSYS 10.0有限元分析自學(xué)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3]李權(quán).ANSYS在土木工程中的應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[4]沈明榮，陳建鋒.巖體力學(xué)[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2006.

[5]郭長慶，梁勇旗.公路邊坡處治技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.