基于ANSYS模擬的邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

甘　露

(成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司)

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基于ANSYS模擬的邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

甘露

(成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司)

摘要逐一分析邊坡穩(wěn)定性的影響因素，在ANSYS模擬時(shí)利用強(qiáng)度折減，得出在僅改變這一參數(shù)時(shí)相應(yīng)的安全系數(shù)，應(yīng)用圖表直觀地反映了安全系數(shù)與這一參數(shù)的變化情況。并得出以下結(jié)果：容重、邊坡高度以及邊坡角度增加時(shí)邊坡穩(wěn)定性降低；粘聚力與內(nèi)摩擦角增加時(shí)邊坡穩(wěn)定性增加；容重、邊坡高度、邊坡角、粘聚力、內(nèi)摩擦角這5個(gè)參數(shù)對邊坡的穩(wěn)定性影響顯著；彈性模量與泊松比對邊坡穩(wěn)定性的影響無明顯的單調(diào)趨勢，對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

關(guān)鍵詞邊坡穩(wěn)定性影響因素ANSYS模擬強(qiáng)度折減

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各地鐵路、公路、礦業(yè)以及水利建設(shè)也不斷發(fā)展。在鐵路、公路、礦業(yè)與水利建設(shè)中，不可避免的會(huì)修建不同地質(zhì)狀況的邊坡，由于邊坡穩(wěn)定性影響因素復(fù)雜，邊坡失穩(wěn)的情況時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響到鐵路、公路、礦業(yè)與水利工程的安全以及建設(shè)成本。為探明各因數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響，本文利用ANSYS，逐一模擬了7個(gè)影響因素(彈性模量、泊松比、容重、粘聚力、內(nèi)摩擦角、邊坡高度以及邊坡角度)對邊坡穩(wěn)定性的影響。模擬時(shí)對粘聚力與內(nèi)摩擦角進(jìn)行了反復(fù)強(qiáng)度折減，當(dāng)剛好出現(xiàn)模擬不收斂時(shí)的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)。用安全系數(shù)表征邊坡的穩(wěn)定性，旨在充分了解各因素對邊坡的穩(wěn)定性影響，為邊坡的合理建設(shè)、穩(wěn)定性預(yù)測以及模擬工作提供參考依據(jù)。

1影響邊坡穩(wěn)定性的因素

巖土體開挖后，邊坡失穩(wěn)的實(shí)質(zhì)是邊坡巖土體中的剪應(yīng)力大于巖土體的抗剪強(qiáng)度。因而凡是直接或間接影響巖土體抗剪強(qiáng)度的因素都將影響邊坡的穩(wěn)定性。通過查閱資料和分析，影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有[1-2]：

(1)邊坡材料力學(xué)特性參數(shù)。彈性模量(E)、泊松比(v)、內(nèi)摩擦角(φ)、粘聚力(C)和容重(γ)等參數(shù)。

(2)邊坡的幾何尺寸參數(shù)。邊坡高度、坡面角和邊坡邊界尺寸等?？紤]到在應(yīng)用ANSYS模擬時(shí)，模型對邊界尺寸的敏感性(坡腳到最近邊界的水平距離應(yīng)大于邊坡高度的1.5倍，坡頂?shù)阶罱吔绲乃骄嚯x應(yīng)大于坡高度的2.5倍，同時(shí)上下邊界總距離應(yīng)大于2倍的邊坡高度[3])，因而模擬時(shí)利用固定邊界尺寸的方式，可以有效避開邊界尺寸對邊坡穩(wěn)定性的影響。

(3)邊坡外部荷載。地震力、重力和構(gòu)造應(yīng)力等。但考慮到地震力、構(gòu)造地應(yīng)力難以獲得，故而ANSYS分析中僅考慮重力對邊坡穩(wěn)定性分析。

2初始輸入力學(xué)參數(shù)的確定

通過試驗(yàn)直接獲得原始力學(xué)參數(shù)。在利用ANSYS模擬時(shí)，直接輸入ANSYS軟件中的參數(shù)為初始輸入力學(xué)參數(shù)。原始力學(xué)參數(shù)與初始輸入力學(xué)參數(shù)并非絕對一致，關(guān)鍵在于屈服準(zhǔn)則的選取。

2.1屈服準(zhǔn)則選取

有限元強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，采用彈塑性本構(gòu)，Drucker-Prager(以下簡稱D-P)準(zhǔn)則，常用的屈服準(zhǔn)則有5種[4]，見表1。

表1　屈服準(zhǔn)則

注：α,k為與巖土材料內(nèi)摩擦φ、粘聚力C有關(guān)的常數(shù)。

在ANSYS模擬中只能使用DP1準(zhǔn)則，其它準(zhǔn)則需要對粘聚力與內(nèi)摩擦角參數(shù)進(jìn)行換算，這就是原始力學(xué)參數(shù)與初始輸入力學(xué)參數(shù)不完全一致的原因。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)，DP3求得的安全系數(shù)誤差最小[3]，所以，這里采用DP3準(zhǔn)則。

2.2原始力學(xué)參數(shù)的選取與換算

2.2.1原始力學(xué)參數(shù)的選取

對于不同的邊坡，原始力學(xué)參數(shù)并非一個(gè)固定值，通過模擬得出邊坡穩(wěn)定性隨著某一參數(shù)變化(其它參數(shù)不變)引起的邊坡穩(wěn)定性變化情況，故而原始力學(xué)參數(shù)是直接通過假設(shè)而獲得的常見力學(xué)參數(shù)。本次采用的原始力學(xué)參數(shù)見表2。

表2　原始力學(xué)參數(shù)

注：最底層(圍巖2)為彈性層，沒有這一彈性層，邊坡可能會(huì)發(fā)生突變式破壞，并未形成塑性貫通，所得到的模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)概念不相符合。

2.2.2原始力學(xué)參數(shù)的換算

因本次模擬采用的屈服準(zhǔn)則為DP3，故而需要將內(nèi)摩擦角與粘聚力參數(shù)進(jìn)行換算。假設(shè)原始力學(xué)參數(shù)中內(nèi)摩擦角為φ0，粘聚力為C0，利用DP1和DP3相等的原則，計(jì)算出在DP1準(zhǔn)則下的內(nèi)摩擦角φ與粘聚力C。 經(jīng)計(jì)算可得[5]：

輪回是葉芝神秘主義思想下不可不提的主題?！拜喕亍北臼枪庞《绕帕_門教主要教義之一，認(rèn)為死亡僅僅是走向下一個(gè)輪回，后被佛教沿襲并為其注入新的教義?！爸^眾生于六道中猶如車輪旋轉(zhuǎn)，循環(huán)不已，流轉(zhuǎn)無窮。眾生由惑業(yè)之因貪、嗔、癡三毒招感三界、六道的生死輪轉(zhuǎn)，恰如車輪的回轉(zhuǎn)，永無止盡。故稱輪回?！倍撜撐乃傅摹拜喕亍笔侨~芝在自己所處的時(shí)代大背景下，基于創(chuàng)作主題和目的的需要，對“輪回”的本意建構(gòu)了自己的理解，使之能夠充分地表達(dá)他的思想。

(1)

(2)

將原始力學(xué)參數(shù)中φ0帶入式(1)，求出φ，后將φ、φ0以及C0帶入式(2)，求出C。換算后的數(shù)據(jù)見表3。

表3　初始輸入力學(xué)參數(shù)

3有限元強(qiáng)度折減

將巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力與內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減，見式(3)、式(4)。 把經(jīng)計(jì)算出的C′和φ′重新代入有限元中進(jìn)行模擬計(jì)算，反復(fù)迭代，直到有限元計(jì)算不收斂，邊坡破壞。此時(shí)對應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)K即為邊坡的安全系數(shù)[6-7]。

(3)

(4)

式中,φ、C分別為折減前的初始輸入力學(xué)參數(shù)；φ′、C′分別為折減后的初始輸入力學(xué)參數(shù)；K為折減系數(shù)。

經(jīng)過式(3)、式(4)折減后，見表4。

表4　折減安全系數(shù)與C、φ間的關(guān)系

4模擬不同影響因素下邊坡的穩(wěn)定性

計(jì)算模型見圖1，模型網(wǎng)格劃分見圖2。模擬時(shí)假定整個(gè)邊坡為均質(zhì)單一的巖土體邊坡，且僅受邊坡自身重力影響。初始輸入力學(xué)參數(shù)：E=30×109GPa、ν=0.25、γ=2 500 kN/m3、C=0.555 MPa、φ=29°；邊坡幾何尺寸參數(shù)：H=350 m、θ=40°；邊坡外部荷載：g=9.8 m/s2?；谟邢拊獜?qiáng)度折減法理論，利用ANSYS進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

圖1　計(jì)算模型(單位:m)

圖2　模型網(wǎng)格劃分示意

為了得出某一因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，計(jì)算時(shí)只改變這一影響因素的參數(shù)，其余所有影響因素的參數(shù)以及ANSYS的操作方式均保持不變[9]。

4.1彈性模量

僅改變彈性模量，其他條件不變，模擬分析后，得出邊坡安全系數(shù)隨彈性模量的變化見表5。

表5　安全系數(shù)與彈性模量的關(guān)系

注：“-”表示模擬時(shí)邊坡整體變形較大。

僅改變泊松比，其他條件不變，模擬分析后，得出邊坡安全系數(shù)隨泊松比的變化見表6。

表6　安全系數(shù)與泊松比的關(guān)系

4.3容重

僅改變?nèi)葜?其他條件不變，經(jīng)模擬分析后,得出邊坡安全系數(shù)隨容重變化變化見表7。

表7　安全系數(shù)與容重的關(guān)系

4.4粘聚力

僅改變粘聚力，其他條件不變，經(jīng)模擬分析后，得出邊坡安全系數(shù)隨粘聚力的變化見表8。

表8　安全系數(shù)與黏聚力的關(guān)系

4.5內(nèi)摩擦角

僅改變內(nèi)摩擦角，其他條件不變，經(jīng)模擬分析后，得出邊坡安全系數(shù)隨內(nèi)摩擦角的變化見表9。

表9　安全系數(shù)與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

4.6邊坡高度

僅改變邊坡高度，其他條件不變，經(jīng)模擬分析后，邊坡安全系數(shù)隨邊坡高度的變化見表10。

表10　安全系數(shù)與邊坡高度的關(guān)系

4.7邊坡角

僅改變邊坡角度，其他條件不變，經(jīng)模擬分析后，得出邊坡安全系數(shù)隨邊坡角度的變化見表11。

表11　安全系數(shù)與邊坡角度的關(guān)系

5模擬結(jié)果分析

(1)根據(jù)表5～表6可知，當(dāng)彈性模量與泊松比不斷增加時(shí)，安全系數(shù)的值變化不大且不斷波動(dòng)。由此可知：彈性模量與泊松比的變化對邊坡的穩(wěn)定性影響不大，邊坡穩(wěn)定性與彈性模量及泊松比無明顯的單調(diào)關(guān)系。

(2)根據(jù)表7、表10、表11可知，當(dāng)容重、邊坡高度以及邊坡角度不斷增加時(shí)，安全系數(shù)值變化大且呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。由此得出：容重、邊坡高度以及邊坡角度對邊坡穩(wěn)定性的影響顯著，邊坡穩(wěn)定性隨容重、邊坡高度以及邊坡角度增加而降低。

(3)根據(jù)表8、表9可知，當(dāng)粘聚力與內(nèi)摩擦角不斷增加時(shí)，安全系數(shù)的值變化大且呈逐漸增大的現(xiàn)象。由此得出：粘聚力與內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的影響顯著，邊坡穩(wěn)定性隨粘聚力與內(nèi)摩擦角的增加而增加。

根據(jù)以上分析可以知道，在預(yù)測邊坡穩(wěn)定性時(shí)，試驗(yàn)測定的參數(shù)彈性模量與泊松比精度不用要求太高，而容重、粘聚力、內(nèi)摩擦角則需要嚴(yán)格控制其準(zhǔn)確性，既可以有效預(yù)測邊坡穩(wěn)定性，又可以降低試驗(yàn)費(fèi)用；嚴(yán)格控制邊坡高度與邊坡角度，以保證邊坡的穩(wěn)定性。

6結(jié)論

①彈性模量與泊松比的變化對邊坡的穩(wěn)定性影響不大，即邊坡穩(wěn)定性與彈性模量以及泊松比無明顯的單調(diào)關(guān)系；②容重、邊坡高度以及邊坡角度對邊坡穩(wěn)定性的影響顯著，邊坡穩(wěn)定性隨容重、邊坡高度以及邊坡角度增加而降低；③粘聚力與內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的影響顯著，邊坡穩(wěn)定性隨粘聚力與內(nèi)摩擦角的增加而增加。

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(收稿日期2015-11-01)

Simulation of the Influence Factors of Slope Stability Based on ANSYS

Gan Lu

(Chengdu Building Materials Design and Research Institute)

AbstractIn order to analyze the influence of the factors to slope stability one by one, based on the strength reduction method of ANSYS software, the slope safety coefficient is analyzed under the condition of changing a single factor parameter value and keeping other factors unchanged,and the changing relationship of safety coefficient of the signal factor is reflected. It can concluded that the influence of the five parameters of bulk density, slope height, slope angle, cohesive force and internal friction angle to slope stability is obvious, with the increasing of the parameters values of bulk density, slope height and slope angle, the slope stability is reduced, the increasing of cohesive force and internal friction angle, the slope stability is improved;the monotonous tendency of the influence of elasticity modulus and poisson ratio to slope stability is not obvious, the influence of the two parameters to slope stability is smaller.

KeywordsSlope stability, Influence factors, ANSYS simulation, Strength reduction

甘露(1964—)，男，高級(jí)工程師，610021 四川省成都市成華大街新鴻路69號(hào)。