邊坡有限元穩(wěn)定性分析方法應(yīng)用淺析

劉潔玉　王威　王茜

【摘要】本文以具體工程為案例，采用不同的線彈性有限元分析方法，對某工程區(qū)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，并將結(jié)果對比分析，為工程設(shè)計(jì)提供理論支撐。

【關(guān)鍵詞】邊坡；線彈性有限元；變形；應(yīng)力

0 引言

目前，邊坡穩(wěn)定性的分析方法主要有極限平衡法、塑性極限分析法和有限元法等。極限平衡法目前應(yīng)用最為廣泛，該方法視潛在滑體為剛體，未考慮應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，不能求得邊坡的真實(shí)受力狀況。塑性極限分析法雖克服了上述不足，但也只能給出假設(shè)滑動面上的應(yīng)力場和位移場，同樣不能考慮整體變形對其穩(wěn)定的影響。而有限元法其優(yōu)勢在于可計(jì)算土坡的變形和應(yīng)力分布，大致確定潛在滑動面的位置，為工程設(shè)計(jì)提供更可靠的依據(jù)。本文以具體工程為案例，采用兩種不同的有限元方法對其穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析，得出的結(jié)論可供工程設(shè)計(jì)參考。

1、 工程及邊坡概況

某工程位于甘肅省境內(nèi)，屬三等中型工程，左岸壩肩邊坡屬樞紐區(qū)A類Ⅱ級邊坡，區(qū)域地震基本烈度為Ⅶ度，設(shè)防烈度為Ⅶ度。

工程壩址位于峽谷進(jìn)口處，兩岸山體相對高差大于150m。壩址左岸為巖質(zhì)岸坡，自然坡度70～80°，局部近直立，巖體中未發(fā)現(xiàn)順河向斷層和緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面，中陡傾角結(jié)構(gòu)面規(guī)模較??；岸坡巖體強(qiáng)風(fēng)化（或卸荷）厚度5～10m，局部15m，弱風(fēng)化帶厚度一般15～20m，局部達(dá)25m左右；透水性小于3Lu的巖體埋深35m左右。

2、邊坡穩(wěn)定分析

2.1 計(jì)算模型

由于天然邊坡順河向地質(zhì)情況及邊坡體形變化不大，計(jì)算模型可以簡化為平面應(yīng)力應(yīng)變問題進(jìn)行計(jì)算。按照實(shí)際地形進(jìn)行建模，橫河向?qū)挾燃s170m，鉛直向高度約300m。模型左右邊界施加對應(yīng)方向的法向約束，模型底部邊界施加豎向約束。計(jì)算模型采用ANSYS平面有限元單元劃分為四節(jié)點(diǎn)四邊形單元，模型單元17472個、節(jié)點(diǎn)17849個。采用PHASE2離散網(wǎng)格劃分為三節(jié)點(diǎn)的三角形單元，模型單元3004個、節(jié)點(diǎn)1699個。計(jì)算模型及劃分網(wǎng)格見圖2.1-1。按照左岸壩肩邊坡不同時期，分為天然工況、正常蓄水工況、正常蓄水工況+暴雨、正常蓄水工況（天然工況）+地震荷載。

圖2.1-1 計(jì)算模型（見圖1）

2.2 應(yīng)力分析

在各種工況下，邊坡最大主應(yīng)力基本平行于坡面展布，符合一般應(yīng)力分布規(guī)律。正常蓄水遇地震工況邊坡穩(wěn)定最為不利，坡面拉應(yīng)力最大值為0.058Mpa（ANSYS），0.33 Mpa（PHASE2），最小主應(yīng)力量值均較小，且主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，局部存在較小的拉應(yīng)力，分布在坡面表層，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力貫通區(qū)域，說明坡體表面不會出現(xiàn)拉張破壞。坡面壓應(yīng)力最大值為6.71Mpa（ANSYS），2.68Mpa（PHASE2），產(chǎn)生于邊坡坡腳處最大值遠(yuǎn)小于Ⅳ類強(qiáng)風(fēng)化碎裂結(jié)構(gòu)巖體抗壓強(qiáng)度值：45Mpa～55Mpa，因此邊坡不會發(fā)生受壓破壞。

2.3 位移分析

在各種工況下，邊坡整體變形較小，不考慮邊坡在前期天然狀況下由自重作用所引起的變形，正常蓄水遇地震工況邊坡穩(wěn)定最為不利，橫河向X 方向最大變形為2.62mm（ANSYS），17mm（PHASE2），發(fā)生在邊坡表層中部位置。鉛直向Y 方向最大變形為0.52mm（ANSYS），17mm（PHASE2），發(fā)生邊坡表層頂部位置。

3、結(jié)論

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，邊坡有限元的數(shù)值計(jì)算是收斂的，淺層無大的應(yīng)力及位移變形，邊坡內(nèi)塑性區(qū)不存在從坡底到坡頂?shù)南嗷ヘ炌ǎ蔬吰禄痉€(wěn)定。經(jīng)分析，存在以下原因，使得兩種計(jì)算結(jié)果存在差異。

（1）平面有限元計(jì)算僅反映各計(jì)算斷面內(nèi)的巖區(qū)力學(xué)特性，未計(jì)入單寬各巖體構(gòu)造面在空間的相互影響，因此，計(jì)算結(jié)果在某種程度上與實(shí)際情況存在差別。

（2）PHASE2考慮了邊坡巖體包含的斷層、裂隙等天然結(jié)構(gòu)面，ANSYS未計(jì)入其影響，因此PHASE2應(yīng)力大小及位移變形較ANSYS計(jì)算結(jié)果偏大，但各工況應(yīng)力位移變化規(guī)律一致。

（3）采用線彈性有限元方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，除受到單元網(wǎng)格大小劃分影響外，還受到非線性收斂精度和疊代次數(shù)等因素的影響。

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