基于ANSYS模擬的邊坡穩定性影響因素分析

甘　露

(成都建筑材料工業設計研究院有限公司)

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基于ANSYS模擬的邊坡穩定性影響因素分析

甘露

(成都建筑材料工業設計研究院有限公司)

摘要逐一分析邊坡穩定性的影響因素，在ANSYS模擬時利用強度折減，得出在僅改變這一參數時相應的安全系數，應用圖表直觀地反映了安全系數與這一參數的變化情況。并得出以下結果：容重、邊坡高度以及邊坡角度增加時邊坡穩定性降低；粘聚力與內摩擦角增加時邊坡穩定性增加；容重、邊坡高度、邊坡角、粘聚力、內摩擦角這5個參數對邊坡的穩定性影響顯著；彈性模量與泊松比對邊坡穩定性的影響無明顯的單調趨勢，對邊坡穩定性影響較小。

關鍵詞邊坡穩定性影響因素ANSYS模擬強度折減

隨著我國經濟的快速發展，各地鐵路、公路、礦業以及水利建設也不斷發展。在鐵路、公路、礦業與水利建設中，不可避免的會修建不同地質狀況的邊坡，由于邊坡穩定性影響因素復雜，邊坡失穩的情況時常發生，嚴重影響到鐵路、公路、礦業與水利工程的安全以及建設成本。為探明各因數對邊坡穩定性的影響，本文利用ANSYS，逐一模擬了7個影響因素(彈性模量、泊松比、容重、粘聚力、內摩擦角、邊坡高度以及邊坡角度)對邊坡穩定性的影響。模擬時對粘聚力與內摩擦角進行了反復強度折減，當剛好出現模擬不收斂時的折減系數即為邊坡的安全系數。用安全系數表征邊坡的穩定性，旨在充分了解各因素對邊坡的穩定性影響，為邊坡的合理建設、穩定性預測以及模擬工作提供參考依據。

1影響邊坡穩定性的因素

巖土體開挖后，邊坡失穩的實質是邊坡巖土體中的剪應力大于巖土體的抗剪強度。因而凡是直接或間接影響巖土體抗剪強度的因素都將影響邊坡的穩定性。通過查閱資料和分析，影響邊坡穩定性的因素主要有[1-2]：

(1)邊坡材料力學特性參數。彈性模量(E)、泊松比(v)、內摩擦角(φ)、粘聚力(C)和容重(γ)等參數。

(2)邊坡的幾何尺寸參數。邊坡高度、坡面角和邊坡邊界尺寸等。考慮到在應用ANSYS模擬時，模型對邊界尺寸的敏感性(坡腳到最近邊界的水平距離應大于邊坡高度的1.5倍，坡頂到最近邊界的水平距離應大于坡高度的2.5倍，同時上下邊界總距離應大于2倍的邊坡高度[3])，因而模擬時利用固定邊界尺寸的方式，可以有效避開邊界尺寸對邊坡穩定性的影響。

(3)邊坡外部荷載。地震力、重力和構造應力等。但考慮到地震力、構造地應力難以獲得，故而ANSYS分析中僅考慮重力對邊坡穩定性分析。

2初始輸入力學參數的確定

通過試驗直接獲得原始力學參數。在利用ANSYS模擬時，直接輸入ANSYS軟件中的參數為初始輸入力學參數。原始力學參數與初始輸入力學參數并非絕對一致，關鍵在于屈服準則的選取。

2.1屈服準則選取

有限元強度折減法分析邊坡穩定性時，采用彈塑性本構，Drucker-Prager(以下簡稱D-P)準則，常用的屈服準則有5種[4]，見表1。

表1　屈服準則

注：α,k為與巖土材料內摩擦φ、粘聚力C有關的常數。

在ANSYS模擬中只能使用DP1準則，其它準則需要對粘聚力與內摩擦角參數進行換算，這就是原始力學參數與初始輸入力學參數不完全一致的原因。在實際應用時發現，DP3求得的安全系數誤差最小[3]，所以，這里采用DP3準則。

2.2原始力學參數的選取與換算

2.2.1原始力學參數的選取

對于不同的邊坡，原始力學參數并非一個固定值，通過模擬得出邊坡穩定性隨著某一參數變化(其它參數不變)引起的邊坡穩定性變化情況，故而原始力學參數是直接通過假設而獲得的常見力學參數。本次采用的原始力學參數見表2。

表2　原始力學參數

注：最底層(圍巖2)為彈性層，沒有這一彈性層，邊坡可能會發生突變式破壞，并未形成塑性貫通，所得到的模擬結果與設計概念不相符合。

2.2.2原始力學參數的換算

因本次模擬采用的屈服準則為DP3，故而需要將內摩擦角與粘聚力參數進行換算。假設原始力學參數中內摩擦角為φ0，粘聚力為C0，利用DP1和DP3相等的原則，計算出在DP1準則下的內摩擦角φ與粘聚力C。 經計算可得[5]：

輪回是葉芝神秘主義思想下不可不提的主題?！拜喕亍北臼枪庞《绕帕_門教主要教義之一，認為死亡僅僅是走向下一個輪回，后被佛教沿襲并為其注入新的教義?！爸^眾生于六道中猶如車輪旋轉，循環不已，流轉無窮。眾生由惑業之因貪、嗔、癡三毒招感三界、六道的生死輪轉，恰如車輪的回轉，永無止盡。故稱輪回?！倍撜撐乃傅摹拜喕亍笔侨~芝在自己所處的時代大背景下，基于創作主題和目的的需要，對“輪回”的本意建構了自己的理解，使之能夠充分地表達他的思想。

(1)

(2)

將原始力學參數中φ0帶入式(1)，求出φ，后將φ、φ0以及C0帶入式(2)，求出C。換算后的數據見表3。

表3　初始輸入力學參數

3有限元強度折減

將巖土體的抗剪強度指標粘聚力與內摩擦角進行折減，見式(3)、式(4)。 把經計算出的C′和φ′重新代入有限元中進行模擬計算，反復迭代，直到有限元計算不收斂，邊坡破壞。此時對應的強度折減系數K即為邊坡的安全系數[6-7]。

(3)

(4)

式中,φ、C分別為折減前的初始輸入力學參數；φ′、C′分別為折減后的初始輸入力學參數；K為折減系數。

經過式(3)、式(4)折減后，見表4。

表4　折減安全系數與C、φ間的關系

4模擬不同影響因素下邊坡的穩定性

計算模型見圖1，模型網格劃分見圖2。模擬時假定整個邊坡為均質單一的巖土體邊坡，且僅受邊坡自身重力影響。初始輸入力學參數：E=30×109GPa、ν=0.25、γ=2 500 kN/m3、C=0.555 MPa、φ=29°；邊坡幾何尺寸參數：H=350 m、θ=40°；邊坡外部荷載：g=9.8 m/s2。基于有限元強度折減法理論，利用ANSYS進行模擬計算分析。

圖1　計算模型(單位:m)

圖2　模型網格劃分示意

為了得出某一因素對邊坡穩定性的影響，計算時只改變這一影響因素的參數，其余所有影響因素的參數以及ANSYS的操作方式均保持不變[9]。

4.1彈性模量

僅改變彈性模量，其他條件不變，模擬分析后，得出邊坡安全系數隨彈性模量的變化見表5。

表5　安全系數與彈性模量的關系

注：“-”表示模擬時邊坡整體變形較大。

僅改變泊松比，其他條件不變，模擬分析后，得出邊坡安全系數隨泊松比的變化見表6。

表6　安全系數與泊松比的關系

4.3容重

僅改變容重,其他條件不變，經模擬分析后,得出邊坡安全系數隨容重變化變化見表7。

表7　安全系數與容重的關系

4.4粘聚力

僅改變粘聚力，其他條件不變，經模擬分析后，得出邊坡安全系數隨粘聚力的變化見表8。

表8　安全系數與黏聚力的關系

4.5內摩擦角

僅改變內摩擦角，其他條件不變，經模擬分析后，得出邊坡安全系數隨內摩擦角的變化見表9。

表9　安全系數與內摩擦角的關系

4.6邊坡高度

僅改變邊坡高度，其他條件不變，經模擬分析后，邊坡安全系數隨邊坡高度的變化見表10。

表10　安全系數與邊坡高度的關系

4.7邊坡角

僅改變邊坡角度，其他條件不變，經模擬分析后，得出邊坡安全系數隨邊坡角度的變化見表11。

表11　安全系數與邊坡角度的關系

5模擬結果分析

(1)根據表5～表6可知，當彈性模量與泊松比不斷增加時，安全系數的值變化不大且不斷波動。由此可知：彈性模量與泊松比的變化對邊坡的穩定性影響不大，邊坡穩定性與彈性模量及泊松比無明顯的單調關系。

(2)根據表7、表10、表11可知，當容重、邊坡高度以及邊坡角度不斷增加時，安全系數值變化大且呈現出逐漸減小的趨勢。由此得出：容重、邊坡高度以及邊坡角度對邊坡穩定性的影響顯著，邊坡穩定性隨容重、邊坡高度以及邊坡角度增加而降低。

(3)根據表8、表9可知，當粘聚力與內摩擦角不斷增加時，安全系數的值變化大且呈逐漸增大的現象。由此得出：粘聚力與內摩擦角對邊坡穩定性的影響顯著，邊坡穩定性隨粘聚力與內摩擦角的增加而增加。

根據以上分析可以知道，在預測邊坡穩定性時，試驗測定的參數彈性模量與泊松比精度不用要求太高，而容重、粘聚力、內摩擦角則需要嚴格控制其準確性，既可以有效預測邊坡穩定性，又可以降低試驗費用；嚴格控制邊坡高度與邊坡角度，以保證邊坡的穩定性。

6結論

①彈性模量與泊松比的變化對邊坡的穩定性影響不大，即邊坡穩定性與彈性模量以及泊松比無明顯的單調關系；②容重、邊坡高度以及邊坡角度對邊坡穩定性的影響顯著，邊坡穩定性隨容重、邊坡高度以及邊坡角度增加而降低；③粘聚力與內摩擦角對邊坡穩定性的影響顯著，邊坡穩定性隨粘聚力與內摩擦角的增加而增加。

參考文獻

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[2]喬金麗.邊坡穩定性分析的彈塑性有限元模型及應用[D].保定：河北大學，2005.

[3]鄭穎人,趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用[J].巖石力學與工程學報，2004,23(19):3381-3388.

[4]趙尚毅,鄭穎人,劉明維,等.基于Drucker-Prager準則的邊坡安全系數定義及其轉換[J].巖石力學與工程學報，2006(S1):2730-2734.

[5]高恭星.用ANSYS分析邊坡穩定性[J].重慶建筑，2012(9):80-83.

[6]柳林超,梁波,刁吉.基于ANSYS的有限元強度折減法求邊坡安全系數[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2009(5):899-901，910.

[7]涂國強.基于ANSYS的邊坡穩定性分析[J].交通科技與經濟，2009(4):70-71，74.

[8]靳楠,張靜.黃土力學參數對邊坡穩定性的影響[J].四川建材，2013(5):100-101.

(收稿日期2015-11-01)

Simulation of the Influence Factors of Slope Stability Based on ANSYS

Gan Lu

(Chengdu Building Materials Design and Research Institute)

AbstractIn order to analyze the influence of the factors to slope stability one by one, based on the strength reduction method of ANSYS software, the slope safety coefficient is analyzed under the condition of changing a single factor parameter value and keeping other factors unchanged,and the changing relationship of safety coefficient of the signal factor is reflected. It can concluded that the influence of the five parameters of bulk density, slope height, slope angle, cohesive force and internal friction angle to slope stability is obvious, with the increasing of the parameters values of bulk density, slope height and slope angle, the slope stability is reduced, the increasing of cohesive force and internal friction angle, the slope stability is improved;the monotonous tendency of the influence of elasticity modulus and poisson ratio to slope stability is not obvious, the influence of the two parameters to slope stability is smaller.

KeywordsSlope stability, Influence factors, ANSYS simulation, Strength reduction

甘露(1964—)，男，高級工程師，610021 四川省成都市成華大街新鴻路69號。