基于ANSYS APDL的邊坡穩定性研究

工程計算與仿真

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0 前言

傳統對邊坡穩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的分析方法沒有考慮土體內部的本構關系，無法對土體的破壞與發展過程進行分析，也無法對巖土和支護結構進行共同考慮，安全系數的求解假設過多。而邊坡的數值分析方法主要考慮土體的應力－應變關系，克服了完全不考慮土體本身應力－應變關系的極限平衡法中的缺點，為邊坡穩定性的正確和準確的分析提供概念。邊坡穩定性數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度折減法）、自適應有限元法、離散元法、拉格朗日元法、界面元法等。有限元強度折減法可以考慮復雜邊坡計算，考慮巖土的彈塑性本構關系，能夠模擬失穩過程，得到準確的安全系數，并為邊坡加固作指導，因此本文采取有限元強度折減法來分析邊坡的穩定性。

強度折減法，顧名思義，簡單來說就是通過降低強度參數來得到結構達到極限破壞狀態的方法。對于邊坡穩定先分析，具體解釋為：通過修改邊坡巖石的材料參數，不斷降低巖土的抗剪強度參數，直到邊坡達到極限破壞狀態。邊坡巖土的抗剪強度參數主要是粘聚力с和內摩擦角，折減時粘聚力c直接除以折減系數F_zj得到新的粘聚力；相應地，內摩擦角的正切值除以折減系數F_zj得到新的內摩擦角的正切值，繼而求得內摩擦角的大小。將得到新的作為新的巖土材料參數再進行計算，通過不停地折減巖土強度參數，反復計算，直到達到相應的失穩條件，即失穩判據。

ANSYS有很好的二次開發功能，采用APDL二次開發語言可以進行參數化建模和分析，有利于多模型的計算。本文的邊坡穩定性分析采用折減強度法進行仿真分析，為了更加方便地的計算，本文也采用APDL二次開發參數化計算，這樣可以節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，巖性為粉質粘土混碎石顆粒，結構松散，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，細粒～隱晶結構，局部具花崗結構，風化作用強烈，依風化程度風化帶可以分為以下四類（從上往下）：

a.全風化帶：巖石結構松散，多為粒砂狀，土狀，巖石強度較低，手扳或鎬挖即碎。該帶的厚度自坡底至山頂約為10～30m。

b.強風化帶：巖體為碎裂狀結構，巖體風化裂隙發育，該帶厚度5～10m。

c.弱風化帶：巖體為碎塊狀結構，巖體相對較完整，巖石強度較高，該帶厚度厚度8～12m。

d.微風化～新鮮基巖：巖體為致密塊狀結構，巖體力學強度較高，僅局部由于巖石成巖過程中巖漿結晶分異作用，長石類礦物含量較高，從而使巖體呈碎粒狀結構，導致巖體破碎，力學強度低。

2 有限元模型建立

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

1、同一類巖土材料是均勻介質的，不考慮同一材料內部差別；

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變問題。

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

/prep7 !進入模型前處理

……

F= !強度折減系數

……

TB,DP,1

tbdata,1,0.5e6/F,30/F !對粘聚力和內摩擦角進行折減

……

3 結果分析

塑性結果如下圖所示，塑性應變過大，且安全系數僅有0.8，失穩。需要進行加固。

4 加固分析

采用錨桿技術加固邊坡巖體，使其成為一個復合整體，從而增強開挖邊坡的穩定性，改善和提高邊坡內部脆弱巖層的強度。這項技術可以在不利的自然環境下進行，有效保證人員安全，節省人力物力，方便高效。按照設計需求進行加固，加固后對邊坡進行驗證，發現模型應力和塑性應變都符合要求，不會失穩。

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，每個節點具有三個自由度：沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動；就像鉸接結構一樣，本單元不承受彎矩。輸入材料參數后，劃分網格。

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，塑性區擴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。錨桿與塑性區成一定的角度，這樣當巖土滑動時就會受到錨桿阻擋，錨桿進而把承受的力分散到相連的內部堅固巖石內，從而減弱邊坡內部巖石滑動趨勢，增強斷層附近巖土的材料強度，使邊坡更加穩定。