基于ANSYS的土质边坡稳定性分析

2019-03-22陈昌隆合肥工业大学宣城校区安徽宣城242000

安徽建筑 2019年1期

陈昌隆（合肥工业大学宣城校区，安徽宣城 242000）

边坡稳定性问题历来困扰着各种边坡工程的顺利施工，边坡稳定与否是决定工程建设质量好坏和保证生命财产安全的关键问题[1]，因而对边坡的稳定性分析研究具有很大的现实意义。目前在实际工程应用中，评价土质边坡稳定性的方法有多种，如瑞典条分法、毕肖普条分法、有限元法等[2]。近年来，随着有限元方法及强度折减法的迅速发展，强度折减法已经成为解决复杂边坡安全稳定问题的重要手段[3]，并得到了广泛的应用。本文结合工程实例，基于有限元强度折减法，运用ANSYS软件对自然状态下及锚索加固前后的土质边坡稳定性进行分析，为实际工程设计施工提供参考。

1 有限元强度折减法

1.1 强度折减法原理

强度折减法，就是在理想弹塑性有限元计算中将边坡土体抗剪强度参数按式（1）逐渐折减直到边坡达到破坏状态为止。当坡体达到极限平衡状态时，此时折减系数F即为边坡的安全系数[4]。

式中：c为岩土材料内聚力；φ为内摩擦角；F为折减系数。

1.2 边坡失稳依据

目前，有限元强度折减法中对于边坡整体失稳的判据主要有如下3种[5]。

①计算的收敛性。在利用有限元软件求解过程中，可以通过设定迭代的次数、假定节点不平衡力和外荷载的比值、力和位移的收敛标准值等作为边坡破坏的判断依据。

②塑性区贯通。根据某一幅值的广义塑性应变或等效塑性应变自坡脚下方向坡顶上方是否贯通作为边坡破坏的标志。

③位移的突变。边坡的破坏常常伴随着位移的较大变化，因此可以根据计算区域内某一部位或点的位移是否发生突变作为判断依据。

上述3种判断标准都各自存在合理的地方。本文采用计算不收敛作为破坏判据，并以塑性区贯通作为验证条件。

2 实例分析

图1 边坡示意图

图1所示为一自然边坡，最大坡高20m，坡角为45。，坡体由粉质粘土构成，整个边坡矗立在由中风化凝灰岩构成的地基上。加固措施由6根锚索组成，锚索长15m，直径0.13m。各材料参数如表1所示。

材料参数表表1

2.1 模型建立

由于边坡沿其长度方向延伸很长，且其横截面和受力情况不沿长度变化，可简化为平面应变问题来建立模型。对边坡土体采用具有8节点的PLANE82单元进行模拟，材料本构模型为理想弹塑性模型，屈服准则选用摩尔-库仑等面积DP圆（DP3）；锚索采用LINK1单元[6-7]。侧边界只对水平方向进行约束，底边界在水平和竖直方向都进行约束，模型的上部边界取为自由面。

图2 有限元模型

2.2 计算结果分析

通过不断增大折减系数对边坡进行稳定性分析，得到不同折减系数下的边坡塑形应变云图。图3为F分别是 1.20、1.30、1.40、1.50 时边坡塑形应变云图，由图可知随着F的增加，边坡最大位移不断增加，边坡塑性区不断扩大最终延伸至坡顶使得边坡发生整体失稳。经计算，边坡安全系数为1.55，极限平衡状态下最大位移为0.410m，最大塑形应变为0.044。利用锚索对边坡进行加固，并在F=1.55情况下进行计算，边坡最大位移为0.401m，最大塑形应变为0.031。与未加固相比，可发现塑形应变和最大位移均减小，边坡稳定性得到提高。从图4可看出锚索穿过滑动面,限制是塑性区的发展。采用强度折减法，当F=1.78时边坡塑形区发生贯通，故加固后边坡安全系数为1.78。相比自然条件下，边坡安全系数有较大的提高，说明采用锚索加固边坡是有效的。同时，可以发现，采用锚索加固后，塑形区变深，说明锚索的设置可以有效发挥深部土体的抗滑稳定性，从而提高边坡稳定性。