基于ANSYS的邊坡穩(wěn)定性關(guān)鍵參數(shù)分析

李青山

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 昌吉 831100）

0 前言

邊坡工程在鐵路、公路、水利等工程建設(shè)中運(yùn)用非常廣泛，同時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性也影響著上述工程的施工安全、運(yùn)營(yíng)安全以及建設(shè)成本。因此，開(kāi)展工程邊坡穩(wěn)定性分析，非常重要。

巖土體參數(shù)的確定是邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)的首要工作，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行敏感性分析，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已做了大量的工作，并取得了一定的成果[1～4]。影響邊坡穩(wěn)定性的因素歸結(jié)起來(lái)分為三類(lèi)：邊坡巖土體力學(xué)特性參數(shù)、邊坡幾何尺寸參數(shù)、邊坡所受外部荷載。經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)際以及室內(nèi)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，邊坡巖土體力學(xué)特性參數(shù)中的黏聚力和內(nèi)摩擦角是較為關(guān)鍵的因素。已有研究表明[5～9]，巖土體變形剪切過(guò)程中，初始加載時(shí)主要是黏聚力抵抗施加的應(yīng)力，當(dāng)荷載達(dá)到臨塑荷載，黏聚力達(dá)到峰值并開(kāi)始降低，而土粒之間的摩擦力開(kāi)始發(fā)揮作用，并逐步增大至最大內(nèi)摩擦角值，巖土體剪切破壞過(guò)程中黏聚力和內(nèi)摩擦角的衰減程度并不一致。因此實(shí)際工程設(shè)計(jì)中采取的粘聚力與內(nèi)摩擦角同比例折減計(jì)算的準(zhǔn)確性值得深入思考。

本文基于ANSYS有限元分析，結(jié)合ANSYS邊坡工程經(jīng)典算例，首先選取初始折減系數(shù)（安全系數(shù)），將巖土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行三類(lèi)折減：①粘聚力不變，內(nèi)摩擦角折減；②內(nèi)摩擦角不變，粘聚力折減；③粘聚力、內(nèi)摩擦角同時(shí)折減。將折減后的參數(shù)作為輸入，進(jìn)行有限元計(jì)算，并采用程序是否收斂作為邊坡巖土體穩(wěn)定判斷依據(jù)，若程序收斂，則邊坡巖土體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)程序不收斂，則說(shuō)明邊坡已經(jīng)破壞。模擬結(jié)果為工程中通過(guò)強(qiáng)度折減進(jìn)行邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)、驗(yàn)算、施工等提供理論與應(yīng)用參考。

1 有限元分析模型

1.1 基本假定和模型

（1）實(shí)際工程中，邊坡巖土體為縱向很長(zhǎng)的實(shí)體，因此，參考彈塑性力學(xué)中的理論，把邊坡巖土體穩(wěn)定性分析這一空間問(wèn)題簡(jiǎn)化為近似的平面問(wèn)題（見(jiàn)圖1）。假定邊坡所承受的外力不隨Z軸變化，位移和應(yīng)變都發(fā)生在自身平面之內(nèi)。

圖1 邊坡幾何尺寸圖

圖2 計(jì)算模型縱剖面示意圖

（2）考慮模型四周與相鄰?fù)馏w的相互約束，邊界條件為：對(duì)模型左右兩邊界節(jié)點(diǎn)加水平約束，對(duì)模型下邊界節(jié)點(diǎn)加水平和豎向約束，上邊界不加約束。

（3）A1（滑坡體）、A2（滑床）采用Drucker-Prager彈塑性模型，A3（基床）采用線彈性模型。

（4）不考慮巖土體的抗拉強(qiáng)度。

1.2 模型網(wǎng)格單元的劃分

圖3 邊坡模型單元網(wǎng)格

1.3 模型巖土體參數(shù)

有限元分析時(shí)，A3 區(qū)域的基床巖土體可看作線彈性材料，只需考慮彈性模量E、泊松比μ和重度γ等3 個(gè)參數(shù)。在折減時(shí)不考慮邊坡巖土體彈性模量E、泊松比μ和重度γ的變化，即控制這三個(gè)參數(shù)為不變量。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 邊坡模型巖土體參數(shù)

進(jìn)行折減時(shí)，只對(duì)A3 區(qū)域的巖土體進(jìn)行。強(qiáng)度折減系數(shù) 分 別 為：F=1.2、F=1.4、F=1.6、F=1.8、F=2.0、F=2.2、F=2.4、F=2.6、F=2.8、F=3.0。折減后的邊坡巖土體具體數(shù)值見(jiàn)表2、表3。

表2 A3黏聚力折減后參數(shù)

表3 A3內(nèi)摩擦角φ折減后參數(shù)

2 黏聚力折減對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

圖4 X方向位移隨黏聚力折減變化圖

圖5 黏聚力折減系數(shù)F=3.0時(shí)邊坡模型塑性應(yīng)變?cè)?/p>

由圖4 分析可知，X方向的位移隨著黏聚力的折減變化極小，幾乎可以忽略不計(jì)，因此我們可以斷定，黏聚力對(duì)于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響很小。

由圖5 可知，當(dāng)黏聚力折減系數(shù)達(dá)到3.0 時(shí)，邊坡依然沒(méi)有發(fā)生塑性變形。

3 內(nèi)摩擦角折減對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

圖6 X方向位移隨內(nèi)摩擦角折減變化圖

由圖6 分析可知，X方向的位移隨著內(nèi)摩擦角的折減開(kāi)始變化較小，當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到1.6 以后，X方向的位移增長(zhǎng)速率加快，因此我們可以斷定，內(nèi)摩擦角對(duì)于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響相對(duì)黏聚力大。

由圖7、圖8 對(duì)比分析可知，當(dāng)內(nèi)摩擦角折減系數(shù)達(dá)到1.6時(shí)，邊坡巖土體于坡腳處發(fā)生塑性變形，并逐步向上擴(kuò)展。

由圖9 可知，當(dāng)內(nèi)摩擦角折減系數(shù)達(dá)到3.0 時(shí)，邊坡坡腳較大范圍內(nèi)的巖土體都已經(jīng)產(chǎn)生塑性應(yīng)變，其最大值達(dá)到2.98 E-4。

圖7 內(nèi)摩擦角F=1.8時(shí)塑性應(yīng)變?cè)?/p>

圖8 內(nèi)摩擦角F=1.8時(shí)塑性應(yīng)變?cè)?/p>

圖9 內(nèi)摩擦角F=3.0時(shí)塑性應(yīng)變?cè)?/p>

4 黏聚力、內(nèi)摩擦角相同系數(shù)折減對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

圖10 X方向位移隨黏聚力、內(nèi)摩擦角同比例折減變化圖

由圖10分析可知，X方向的位移隨著內(nèi)摩擦角的折減開(kāi)始無(wú)變化，當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到1.4以后，X方向的位移增長(zhǎng)速率加快。與單獨(dú)內(nèi)摩擦角的X方向位移變化圖相對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)同時(shí)折減黏聚力與內(nèi)摩擦角，會(huì)稍微加快邊坡巖土體的變形。

當(dāng)折減系數(shù)F大于2.2 時(shí)，邊坡水平方向位移急劇下降，說(shuō)明邊坡已經(jīng)處于塑性狀態(tài)，接近于破壞狀態(tài)。

圖11 F=2.4求解迭代收斂過(guò)程圖

圖12 F=2.6求解迭代不收斂過(guò)程圖

對(duì)比分析圖11 與圖12 可知，當(dāng)邊坡折減系數(shù)處于2.4～2.6之間時(shí)，邊坡失穩(wěn)。為了較為準(zhǔn)確預(yù)估邊坡的塑性應(yīng)變，特此生成F=2.4 時(shí)的塑性應(yīng)變?cè)茍D，見(jiàn)圖13。此時(shí)，邊坡塑性應(yīng)變大小為1.24 E-3。模型中塑性區(qū)擴(kuò)大，并即將貫穿到坡頂，說(shuō)明此時(shí)邊坡已經(jīng)瀕臨破壞。

圖13 黏聚力、內(nèi)摩擦角F=2.4時(shí)塑性應(yīng)變?cè)?/p>

5 結(jié)論

（1）邊坡穩(wěn)定性影響因素眾多，黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ的折減系數(shù)之間不存在惟一確定的函數(shù)關(guān)系，且黏聚力的變化對(duì)巖質(zhì)邊坡的影響較小，內(nèi)摩擦角φ對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大。

（2）通過(guò)假定黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ按某一比例進(jìn)行強(qiáng)度折減的處理方法可以為提高工程技術(shù)人員對(duì)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)的效率，但兩種強(qiáng)度指標(biāo)真實(shí)的折減比例卻還需進(jìn)一步的試驗(yàn)論證。

（3）由于內(nèi)摩擦角φ值對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析有著較大影響，盡可能準(zhǔn)確測(cè)量出φ值對(duì)邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與節(jié)約成本具有重要意義。