基于ANSYS的土質邊坡穩定性分析

陳昌隆 （合肥工業大學宣城校區，安徽 宣城 242000）

邊坡穩定性問題歷來困擾著各種邊坡工程的順利施工，邊坡穩定與否是決定工程建設質量好壞和保證生命財產安全的關鍵問題[1]，因而對邊坡的穩定性分析研究具有很大的現實意義。目前在實際工程應用中，評價土質邊坡穩定性的方法有多種，如瑞典條分法、畢肖普條分法、有限元法等[2]。近年來，隨著有限元方法及強度折減法的迅速發展，強度折減法已經成為解決復雜邊坡安全穩定問題的重要手段[3]，并得到了廣泛的應用。本文結合工程實例，基于有限元強度折減法，運用ANSYS軟件對自然狀態下及錨索加固前后的土質邊坡穩定性進行分析，為實際工程設計施工提供參考。

1 有限元強度折減法

1.1 強度折減法原理

強度折減法，就是在理想彈塑性有限元計算中將邊坡土體抗剪強度參數按式（1）逐漸折減直到邊坡達到破壞狀態為止。當坡體達到極限平衡狀態時，此時折減系數F即為邊坡的安全系數[4]。

式中：c為巖土材料內聚力；φ為內摩擦角；F為折減系數。

1.2 邊坡失穩依據

目前，有限元強度折減法中對于邊坡整體失穩的判據主要有如下3種[5]。

①計算的收斂性。在利用有限元軟件求解過程中，可以通過設定迭代的次數、假定節點不平衡力和外荷載的比值、力和位移的收斂標準值等作為邊坡破壞的判斷依據。

②塑性區貫通。根據某一幅值的廣義塑性應變或等效塑性應變自坡腳下方向坡頂上方是否貫通作為邊坡破壞的標志。

③位移的突變。邊坡的破壞常常伴隨著位移的較大變化，因此可以根據計算區域內某一部位或點的位移是否發生突變作為判斷依據。

上述3種判斷標準都各自存在合理的地方。本文采用計算不收斂作為破壞判據，并以塑性區貫通作為驗證條件。

2 實例分析

圖1 邊坡示意圖

圖1所示為一自然邊坡，最大坡高20m，坡角為45。，坡體由粉質粘土構成，整個邊坡矗立在由中風化凝灰巖構成的地基上。加固措施由6根錨索組成，錨索長15m，直徑0.13m。各材料參數如表1所示。

材料參數表 表1

2.1 模型建立

由于邊坡沿其長度方向延伸很長，且其橫截面和受力情況不沿長度變化，可簡化為平面應變問題來建立模型。對邊坡土體采用具有8節點的PLANE82單元進行模擬，材料本構模型為理想彈塑性模型，屈服準則選用摩爾-庫侖等面積DP圓（DP3）；錨索采用LINK1單元[6-7]。側邊界只對水平方向進行約束，底邊界在水平和豎直方向都進行約束，模型的上部邊界取為自由面。

圖2 有限元模型

2.2 計算結果分析

通過不斷增大折減系數對邊坡進行穩定性分析，得到不同折減系數下的邊坡塑形應變云圖。圖3為F分別是 1.20、1.30、1.40、1.50 時邊坡塑形應變云圖，由圖可知隨著F的增加，邊坡最大位移不斷增加，邊坡塑性區不斷擴大最終延伸至坡頂使得邊坡發生整體失穩。經計算，邊坡安全系數為1.55，極限平衡狀態下最大位移為0.410m，最大塑形應變為0.044。利用錨索對邊坡進行加固，并在F=1.55情況下進行計算，邊坡最大位移為0.401m，最大塑形應變為0.031。與未加固相比，可發現塑形應變和最大位移均減小，邊坡穩定性得到提高。從圖4可看出錨索穿過滑動面,限制是塑性區的發展。采用強度折減法，當F=1.78時邊坡塑形區發生貫通，故加固后邊坡安全系數為1.78。相比自然條件下，邊坡安全系數有較大的提高，說明采用錨索加固邊坡是有效的。同時，可以發現，采用錨索加固后，塑形區變深，說明錨索的設置可以有效發揮深部土體的抗滑穩定性，從而提高邊坡穩定性。

圖3 邊坡塑性應變云圖

圖4 加固后邊坡塑形應變云圖

3 總結

本文應用強度折減法，采用有限元軟件ANSYS對錨索加固前后的邊坡穩定性進行了有限元分析，得出以下結論:

①強度折減法考慮了土體的本構關系，且不需要假設破壞面的存在，適用于邊坡的穩定性分析；

②邊坡在加固前初始安全系數為1.55，采用錨索加固后，邊坡不會形成貫通的塑形區，安全系數變為1.78，邊坡穩定性有較大的提高；

③邊坡設置錨索，可以增加塑性區區深度，利用深部土體的抗滑穩定性限制塑性區的開展，從而提高邊坡的整體穩定性。