ANSYS在邊坡穩定性分析中的應用

高 峰，王佳卿，史曉忠

（無錫市政設計研究院有限公司，江蘇無錫 214072）

0 引言

多年的理論研究和生產實踐表明，人們對于滑坡災害認識的不斷深化，是建立在工程地質、巖石力學、土力學等一系列科學分支的不斷形成、發展和不斷完善基礎之上的。而滑坡預報和工程治理又是圍繞著確保人身安全和經濟建設順利開展這一中心進行的。因此，邊坡穩定性研究與巖土工程的發展有著緊密的聯系，邊坡的穩定性分析具有重要學術價值和工程實用意義。

1 邊坡穩定性經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象開始認識邊坡的穩定性到現在，邊坡穩定性分析經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，英國學者朗肯提出了朗肯土壓力的計算方法。20世紀初期，伴隨西方國家的工業化而興起的大范圍的土木工程建設，出現了很多的人工邊坡，誘發了大量滑坡和崩塌，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理論對滑坡進行半經驗、半理論的研究。

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

目前邊坡穩定分析方法很多，最常用的有極限平衡分析方法和數值分析方法。

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，設計全長約5 km。現狀地形多為山嶺丘陵。在劈山建設的施工過程中，使山體形成了多個陡坡，帶來了諸多不安全隱患。

其地質概況敘述如下：

無錫市區地層隸屬于江南地層區，修水-錢塘江分區，蘇州-長興小區。區內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。境內第四紀沉積物覆蓋廣泛，除泥盆系出露地表并組成境內山體外，其余地層均隱伏于第四系之下。

無錫地區位于揚子準地臺下揚子臺褶帶東側，無錫地區構造表現為以褶皺為主、斷裂次之。地質構造總體組成一背斜，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。境內斷裂構造主要為印支-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，斷裂性質以逆斷層為主、正斷層次之，主要活動時期為侏羅紀至白堊紀。對無錫地區影響較大的斷裂主要為鄰近的湖（州）-蘇（州）區域斷裂，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。

新構造運動總的表現：丘陵振蕩上升及島狀山體局部抬升，平原區相對持續緩慢下沉。

無錫地區地震活動屬強度弱、頻率低的地震活動區。據史料記載，近五百多年以來、該地區共發生地震20余次，強度一般在5～6級，多屬震級低、非破壞性的地震，未發生6.0級以上破壞性地震。但周邊地區發生的地震，該區震感較強，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復雜，實際受力應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果。這樣既能達到精度要求又大大減少了三維求解的復雜過程，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，有限元模型網格剖分時，為了保證計算的精度，在可能滑移面區域和結構面上區域對單元網格進行了局部加密處理。邊界條件為左右兩側水平約束，下部固定，上部為自由邊界。考慮坡體在自重條件下邊坡的演變趨勢。

4 計算參數

計算采用的數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模型，彈塑性分析中的屈服條件采用的是Drucker-Prager屈服準則。Drucker-Prager屈服準則中所需要的主要參數是凝聚力c，內摩擦角φ，膨脹角φf。根據工程地質勘察報告，以及現場原位剪切試驗提供的巖石物理力學參數，結合工程地質類比，選取計算參數如表1所列。

表1 粉土、粉質粘土參數表

邊坡加固時采用的預應力錨索、抗滑樁的參數如表2所列。

表2 預應力錨索、抗滑樁參數表

5 計算過程及其結果分析

5.1 網格劃分

計算區域的兩側采用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單元來模擬其地質條件，下部粉質粘土也采用PLANE42單元來模擬其地質條件，預應力錨索采用一維LINK單元，抗滑樁支護結構均采用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下的穩定性，以及邊坡的應力和位移狀態和變形的發展趨勢。第二步是邊坡加固后的受力變形分析，并對邊坡位移和應力進行發展趨勢的評估和計算。

目前，土體破壞的標準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的標志；第二，以塑性區（或者等效塑性應變）從坡腳到坡頂貫通作為邊坡整體失穩的標志；第三，滑動土體無限移動，并且土體滑移面上應變和位移發生突變且無限發展作為邊坡整體失穩的依據。本文選擇將有限元數值計算是否收斂或塑性區是否從坡腳到坡頂貫通作為土體破壞的依據。

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，邊坡在初始狀態下受自身重力的影響，將產生非常大的變形，位移的最大值為622.689 mm，變形主要集中在錯臺1周圍。由邊坡水平方向應力云圖（見圖4）可知，邊坡初始狀態下x負向最大應力為409 kPa，而且最大應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，邊坡的塑性區從坡腳到坡頂發生貫通，符合邊坡破壞的標準。綜上可以得出結論：邊坡在天然狀態下已經破壞，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進行分析知道，邊坡已經破壞，因此需要對邊坡進行加固處理。本文采取的是預應力錨索抗滑樁的支護方式，如圖7所示。

圖7 預應力錨索抗滑樁示意圖

預應力錨索采用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，只需將抗滑樁和預應力錨索激活即可。結果如下：

根據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負向最大應力為20 kPa以內，邊坡的穩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，邊坡的塑性區僅僅控制在抗滑樁外側的公路上。綜上可以得出結論：邊坡在加固后是穩定的。

圖8 邊坡初始地層變形圖

圖9 水平位移云圖

圖10 水平應力云圖

圖11 位移矢量圖

圖12 等效塑性云圖

6 結語

本文是在學習和總結國內外有關邊坡穩定性設計工程實踐和理論研究成果的基礎上，采用數值分析結合實際工程，對無錫桃花山盤山公路邊坡自然穩定性，以及加固后的穩定性進行有限元仿真模擬研究。

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

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