0 前言

傳統(tǒng)對邊坡穩(wěn)定性研究的方法主要有：極限平衡法，滑移線場法等，這些以極限平衡理論為基礎(chǔ)的分析方法沒有考慮土體內(nèi)部的本構(gòu)關(guān)系，無法對土體的破壞與發(fā)展過程進(jìn)行分析，也無法對巖土和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行共同考慮，安全系數(shù)的求解假設(shè)過多。而邊坡的數(shù)值分析方法主要考慮土體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，克服了完全不考慮土體本身應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的極限平衡法中的缺點，為邊坡穩(wěn)定性的正確和準(zhǔn)確的分析提供概念。邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析的方法有很多種，主要有有限元法（包括有限元滑面搜索法和有限元強(qiáng)度折減法）、自適應(yīng)有限元法、離散元法、拉格朗日元法、界面元法等。有限元強(qiáng)度折減法可以考慮復(fù)雜邊坡計算，考慮巖土的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，能夠模擬失穩(wěn)過程，得到準(zhǔn)確的安全系數(shù)，并為邊坡加固作指導(dǎo)，因此本文采取有限元強(qiáng)度折減法來分析邊坡的穩(wěn)定性。

    強(qiáng)度折減法，顧名思義，簡單來說就是通過降低強(qiáng)度參數(shù)來得到結(jié)構(gòu)達(dá)到極限破壞狀態(tài)的方法。對于邊坡穩(wěn)定先分析，具體解釋為：通過修改邊坡巖石的材料參數(shù)，不斷降低巖土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，直到邊坡達(dá)到極限破壞狀態(tài)。邊坡巖土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)主要是粘聚力с和內(nèi)摩擦角，折減時粘聚力c直接除以折減系數(shù)F_zj得到新的粘聚力；相應(yīng)地，內(nèi)摩擦角的正切值除以折減系數(shù)F_zj得到新的內(nèi)摩擦角的正切值，繼而求得內(nèi)摩擦角的大小。將得到新的作為新的巖土材料參數(shù)再進(jìn)行計算，通過不停地折減巖土強(qiáng)度參數(shù)，反復(fù)計算，直到達(dá)到相應(yīng)的失穩(wěn)條件，即失穩(wěn)判據(jù)。

 ANSYS有很好的二次開發(fā)功能，采用APDL二次開發(fā)語言可以進(jìn)行參數(shù)化建模和分析，有利于多模型的計算。本文的邊坡穩(wěn)定性分析采用折減強(qiáng)度法進(jìn)行仿真分析，為了更加方便地的計算，本文也采用APDL二次開發(fā)參數(shù)化計算，這樣可以節(jié)省大量的前處理時間。

1 邊坡模型

 

地層巖性方面主要為：第四系殘坡積層(el-dlQ)：零星分布于斜坡表面，巖性為粉質(zhì)粘土混碎石顆粒，結(jié)構(gòu)松散，厚度4～9m；燕山期角閃花崗巖(γ52（2）)：巖性為灰綠、青灰色角閃花崗巖，細(xì)粒～隱晶結(jié)構(gòu)，局部具花崗結(jié)構(gòu)，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，依風(fēng)化程度風(fēng)化帶可以分為以下四類（從上往下）：

a.全風(fēng)化帶：巖石結(jié)構(gòu)松散，多為粒砂狀，土狀，巖石強(qiáng)度較低，手扳或鎬挖即碎。該帶的厚度自坡底至山頂約為10～30m。

b.強(qiáng)風(fēng)化帶：巖體為碎裂狀結(jié)構(gòu)，巖體風(fēng)化裂隙發(fā)育，該帶厚度5～10m。

c.弱風(fēng)化帶：巖體為碎塊狀結(jié)構(gòu)，巖體相對較完整，巖石強(qiáng)度較高，該帶厚度厚度8～12m。

d.微風(fēng)化～新鮮基巖：巖體為致密塊狀結(jié)構(gòu)，巖體力學(xué)強(qiáng)度較高，僅局部由于巖石成巖過程中巖漿結(jié)晶分異作用，長石類礦物含量較高，從而使巖體呈碎粒狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巖體破碎，力學(xué)強(qiáng)度低。

2 有限元模型建立

邊坡巖石材料在自然界中是很復(fù)雜的，要受到很多因素的影響，在進(jìn)行數(shù)值計算時，為了能夠方便計算，本文做以下假設(shè)：

1、同一類巖土材料是均勻介質(zhì)的，不考慮同一材料內(nèi)部差別；

2、不考慮溫度和時間燈影響，僅考慮重力場的影響；

3、邊坡巖體為理想彈塑性材料；

4、邊坡巖石的受力和變形為平面應(yīng)變問題。

在有限元計算中，為了更好采用折減強(qiáng)度法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，本文利用ANSYS的二次開發(fā)語言APDL編寫程序，減少重復(fù)建模的過程，具體形式如下：

/prep7                  !進(jìn)入模型前處理

……

F=                      !強(qiáng)度折減系數(shù)

……

……

TB,DP,1

tbdata,1,0.5e6/F,30/F   !對粘聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減

……

……

3 結(jié)果分析

塑性結(jié)果如下圖所示，塑性應(yīng)變過大，且安全系數(shù)僅有0.8，失穩(wěn)。需要進(jìn)行加固。

4 加固分析

    采用錨桿技術(shù)加固邊坡巖體，使其成為一個復(fù)合整體，從而增強(qiáng)開挖邊坡的穩(wěn)定性，改善和提高邊坡內(nèi)部脆弱巖層的強(qiáng)度。這項技術(shù)可以在不利的自然環(huán)境下進(jìn)行，有效保證人員安全，節(jié)省人力物力，方便高效。按照設(shè)計需求進(jìn)行加固，加固后對邊坡進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)模型應(yīng)力和塑性應(yīng)變都符合要求，不會失穩(wěn)。

    在ANSYS中建立開挖邊坡加固模型，單元選擇為LINK180，LINK180單元是有著廣泛工程應(yīng)用的桿單元，它可以用來模擬桁架、纜索、連桿、彈簧等等；是桿軸方向的拉壓單元，每個節(jié)點具有三個自由度：沿節(jié)點坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動；就像鉸接結(jié)構(gòu)一樣，本單元不承受彎矩。輸入材料參數(shù)后，劃分網(wǎng)格。

塑性變形主要分布在斷層附近的脆弱巖石處，由于錨桿的加固，塑性區(qū)擴(kuò)展范圍比未加固前的開挖邊坡小很多，并且沒有形成穿透行為。錨桿與塑性區(qū)成一定的角度，這樣當(dāng)巖土滑動時就會受到錨桿阻擋，錨桿進(jìn)而把承受的力分散到相連的內(nèi)部堅固巖石內(nèi)，從而減弱邊坡內(nèi)部巖石滑動趨勢，增強(qiáng)斷層附近巖土的材料強(qiáng)度，使邊坡更加穩(wěn)定。

F=1.0，A-A剖面錨桿加固后的邊坡塑性應(yīng)變分布圖

A-A剖面錨桿加固后的邊坡大主應(yīng)力等值線圖

5 總結(jié)

采用錨桿加固邊坡是加固邊坡巖土的一種非常有效的處理方式。通過錨桿加固不穩(wěn)定邊坡，并設(shè)計好鍥入角度，可以充分發(fā)揮錨桿的抗剪作用。本章對開挖后的邊坡進(jìn)行了錨桿加固處理，并采用有限元折減強(qiáng)度法，對錨桿加固處理后的模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，開挖邊坡的穩(wěn)定性得到很好的改善，并使其滿足安全性要求。