邊坡有限元穩定性分析方法應用淺析

劉潔玉　王威　王茜

【摘要】本文以具體工程為案例，采用不同的線彈性有限元分析方法，對某工程區邊坡進行穩定計算，并將結果對比分析，為工程設計提供理論支撐。

【關鍵詞】邊坡；線彈性有限元；變形；應力

0 引言

目前，邊坡穩定性的分析方法主要有極限平衡法、塑性極限分析法和有限元法等。極限平衡法目前應用最為廣泛，該方法視潛在滑體為剛體，未考慮應力—應變關系，不能求得邊坡的真實受力狀況。塑性極限分析法雖克服了上述不足，但也只能給出假設滑動面上的應力場和位移場，同樣不能考慮整體變形對其穩定的影響。而有限元法其優勢在于可計算土坡的變形和應力分布，大致確定潛在滑動面的位置，為工程設計提供更可靠的依據。本文以具體工程為案例，采用兩種不同的有限元方法對其穩定性進行研究分析，得出的結論可供工程設計參考。

1、 工程及邊坡概況

某工程位于甘肅省境內，屬三等中型工程，左岸壩肩邊坡屬樞紐區A類Ⅱ級邊坡，區域地震基本烈度為Ⅶ度，設防烈度為Ⅶ度。

工程壩址位于峽谷進口處，兩岸山體相對高差大于150m。壩址左岸為巖質岸坡，自然坡度70～80°，局部近直立，巖體中未發現順河向斷層和緩傾角軟弱結構面，中陡傾角結構面規模較??；岸坡巖體強風化（或卸荷）厚度5～10m，局部15m，弱風化帶厚度一般15～20m，局部達25m左右；透水性小于3Lu的巖體埋深35m左右。

2、邊坡穩定分析

2.1 計算模型

由于天然邊坡順河向地質情況及邊坡體形變化不大，計算模型可以簡化為平面應力應變問題進行計算。按照實際地形進行建模，橫河向寬度約170m，鉛直向高度約300m。模型左右邊界施加對應方向的法向約束，模型底部邊界施加豎向約束。計算模型采用ANSYS平面有限元單元劃分為四節點四邊形單元，模型單元17472個、節點17849個。采用PHASE2離散網格劃分為三節點的三角形單元，模型單元3004個、節點1699個。計算模型及劃分網格見圖2.1-1。按照左岸壩肩邊坡不同時期，分為天然工況、正常蓄水工況、正常蓄水工況+暴雨、正常蓄水工況（天然工況）+地震荷載。

圖2.1-1 計算模型（見圖1）

2.2 應力分析

在各種工況下，邊坡最大主應力基本平行于坡面展布，符合一般應力分布規律。正常蓄水遇地震工況邊坡穩定最為不利，坡面拉應力最大值為0.058Mpa（ANSYS），0.33 Mpa（PHASE2），最小主應力量值均較小，且主要表現為壓應力，局部存在較小的拉應力，分布在坡面表層，沒有出現拉應力貫通區域，說明坡體表面不會出現拉張破壞。坡面壓應力最大值為6.71Mpa（ANSYS），2.68Mpa（PHASE2），產生于邊坡坡腳處最大值遠小于Ⅳ類強風化碎裂結構巖體抗壓強度值：45Mpa～55Mpa，因此邊坡不會發生受壓破壞。

2.3 位移分析

在各種工況下，邊坡整體變形較小，不考慮邊坡在前期天然狀況下由自重作用所引起的變形，正常蓄水遇地震工況邊坡穩定最為不利，橫河向X 方向最大變形為2.62mm（ANSYS），17mm（PHASE2），發生在邊坡表層中部位置。鉛直向Y 方向最大變形為0.52mm（ANSYS），17mm（PHASE2），發生邊坡表層頂部位置。

3、結論

根據上述計算結果，邊坡有限元的數值計算是收斂的，淺層無大的應力及位移變形，邊坡內塑性區不存在從坡底到坡頂的相互貫通，故邊坡基本穩定。經分析，存在以下原因，使得兩種計算結果存在差異。

（1）平面有限元計算僅反映各計算斷面內的巖區力學特性，未計入單寬各巖體構造面在空間的相互影響，因此，計算結果在某種程度上與實際情況存在差別。

（2）PHASE2考慮了邊坡巖體包含的斷層、裂隙等天然結構面，ANSYS未計入其影響，因此PHASE2應力大小及位移變形較ANSYS計算結果偏大，但各工況應力位移變化規律一致。

（3）采用線彈性有限元方法進行邊坡穩定計算，除受到單元網格大小劃分影響外，還受到非線性收斂精度和疊代次數等因素的影響。

參考文獻：

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