基于ANSYS模擬不同巖層的斜坡穩定性分析研究

田園園，高陽 （安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

影響邊坡穩定性分析的因素很多[1-3]，包括地下水對邊坡穩定的影響、山體巖層的性質（內摩擦角、粘聚力）對邊坡穩定性的影響、邊坡的幾何特性（邊坡的高度、傾斜角度）、自然條件的影響（凍融破壞、雨水浸潤、風沙沖蝕）等。在地球表面是一層一層的巖層，不同種類的巖層具有不同的穩定性特征，另外，地球表面是高低不同的，雨水流過表面會形成一定的水土流失[4-5]，輕者水土流失，重者泥石流。傾斜巖層發生滑坡阻礙交通，影響國民經濟運行，因此，研究傾斜巖體的穩定性具有一定的研究意義。

現已經有很多科學工作者研究關于邊坡穩定性的研究。高級工程師甘露[6]利用有限元軟件ANSYS模擬了彈性模量、容重、泊松比、粘聚力、內摩擦角、坡高和坡角對邊坡穩定性的影響。結果表明，彈性模量和泊松比對邊坡穩定性影響不大，容重和坡高對邊坡穩定性影響較大，應加強對邊坡的防護。高恭星[7]利用ANSYS軟件計算了粘聚力和內摩擦角對邊坡穩定性的影響，得出了粘聚力和內摩擦角都能顯著影響邊坡的穩定性，另外還得出強度折減法Drucker-Prager3在ANSYS軟件中就計算邊坡穩定誤差最小。王熙忠[8]利用ANSYS軟件模擬了邊坡穩定性，研究了內部巖體的應力分布規律，驗證了礦石開采過程中和土體外運邊坡的穩定性，得出了邊坡失穩時的控制方案。陽克青等[9]人利用ANSYS研究了高速公路的邊坡穩定性，很好的驗證了ANSYS可以應用在邊坡穩定性分析中，研究方法可以為同類型的研究項目提供參考依據。顧良軍等[10]人研究了各個敏感因子對邊坡穩定性的影響分析，分析結果表明每一個敏感因子不是單獨作用的，是受到多重作用的共同作用，需要綜合研究，這就是邊坡滑移和失穩不好預測的主要原因，這也使很多學者研究不止。

通過對上述學者對邊坡穩定性的研究分析，文章利用有限元ANSYS進行模擬，模擬了土體重度、邊坡傾斜程度對邊坡穩定性的影響研究。

1 邊坡穩定性機理研究

對于邊坡的內摩擦角和粘聚力進行分析計算，需要使用強度準則進行，在不同的地層中有多種不同的結構層，選用Drucker-Prager屈服準則具有很好的兼容性。Drucker-Prager屈服準則有5中基本形式，分別為外角點外接圓、等面積圓、匹配D-P（非關聯）、關聯內切圓、內角點外接圓等，文章選擇外角點外接圓和匹配D-P（非關聯）屈服準則作為主要的使用運算對象，對材料進行計算。

材料換算應力表達式為

式中，σm為三相應力的平均值，β為材料性能的常數，{S}為偏差應力，[M]為Mises強度準則系數。利用外角點外接圓和匹配D-P（非關聯）屈服準則進行計算出粘聚力和內摩擦角的關系式。

粘聚力：

內摩擦角：

將計算出來的粘聚力和內摩擦角運用到數值模擬計算中去，對邊坡穩定性進行分析。

2 邊坡穩定性因素分析

2.1 模型的建立

利用ANSYS建立邊坡穩定性模型分析圖模型如圖1所示，邊坡層一共分為三層，三層邊坡層的參數如下表所示。對模型進行設置，設置上表面為受荷載作用面，下表面為約束面，約束面為固定端完全約束。

圖1 模型設計結構圖

邊坡地層材料設計參數

2.2 網格劃分

網格劃分的方法、形式以及類型有很多種，經過大量的劃分網格計算出，網格的劃分形式最好還是選用六面體網格，六面體網格具有適應能力強，計算速度快等優點。邊坡穩定性網格劃分形式如圖2所示。

圖2 網格劃分結構圖

2.3 計算結果分析

2.3.1 土體重度對穩定性的影響

通過改變每一層的土體重度發現，對邊坡的穩定性整體呈上升的趨勢，如果是沒有水分完全干燥的土體的穩定性也比較低，如圖3所示。

土體的重度與土體中的含水量有極大的關系，所以研究土體重度對邊坡穩定的影響具有重要的意義。通過圖3可以看出，在土體達到一定的含水量時，土體可以達到最好的穩定性。但每一個地區的土的成分和物質組成不同，穩定性也不同，有待進一步研究。

圖3 土體重度對穩定性的影響

2.3.3 傾斜角度對邊坡穩定性的影響

傾斜巖體發生滑坡是隨時有可能發生的，因為傾斜巖體的一側是臨空面，沒有可以阻擋山體滑動的構造物。山體傾斜程度的變化對滑坡的影響如圖4所示。

圖4 傾斜角度對穩定系數的影響

通過圖4可知，隨著傾斜角度增加穩定性逐漸降低，在傾斜角度比較小時，邊坡穩定性極高，所以盡量讓邊坡的傾斜角度變小，減緩平面可以控制邊坡滑動和失穩。

對土體的重度與傾斜角度進行比較，比較它們對邊坡穩定性的影響程度發現，傾斜程度對邊坡穩定性的影響程度大于土體的重度對穩定性的影響，所以要對邊坡傾斜程度做好修正和處理。

3 結論

通過以上對邊坡穩定性的土體的重度和傾斜角度的分析研究，得出如下結論：

①土體重度對邊坡穩定性存在一定的影響，隨著土體重度的增加邊坡穩定性系數先增大后減小。要控制土體的重度在合理的范圍內，干燥或潮濕狀態都不能很好的防止邊坡穩定性，合理含水量能夠增強邊坡穩定性；

②傾斜程度對邊坡穩定性的影響極大，需要對邊坡做好修正；

③傾斜程度對邊坡穩定性的影響明顯大于土體重度，建議減小坡面的坡度，提高穩定性。