ANSYS强度折减法在边坡稳定分析中的实例应用

边坡指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体，是坡面、坡顶及其下部一定深度坡体的总称。坡面与坡顶面下部至坡脚高程的岩体称为坡体。

倾斜的地面称为斜坡，铁路、公路建筑施工中，所形成的路堤斜坡称为路堤边坡；开挖路堑所形成的斜坡称为路堑边坡；水利、市政或露天煤矿等工程开挖施工所形成的斜坡也称为边坡；这些对应工程就称为边坡工程。

对边坡工程进行地质分类时，考虑了下述各点。首先，按其物质组成，即按组成边坡的地层和岩性，可以分为岩质边坡和土质边坡(后者包括黄土边坡、砂土边坡、土石混合边坡)。地层和岩性是决定边坡工程地质特征的基本因素之一，也是研究区域性边坡稳定问题的主要依据.其次，再按边坡的结构状况进行分类。因为在岩性相同的条件下，坡体结构是决定边坡稳定状况的主要因素，它直接关系到边坡稳定性的评价和处理方法。最后，如果边坡已经变形，再按其主要变形形式进行划分。即边坡类属的称谓顺序是:岩性— 结构—变形。

边坡工程对国民经济建设有重要的影响：在铁路、公路与水利建设中，边坡修建是不可避免的，边坡的稳定性严重影响到铁路、公路与水利工程的施工安全、运营安全以及建设成本。在路堤施工中，在路堤高度一定条件下，坡角越大，路基所占面积就越小，反之越大。在山区，坡角越大，则路堤所需填方量越少。因此，很有必要对边坡稳定性进行分析。

1 边坡变形破坏基本原理

1.1 应力分布状态

边坡从其形成开始，就处于各种应力作用(自重应力、构造应力、热应力等)之下。在边坡的发展变化过程中，由于边坡形态和结构的不断改变以及自然和人为营力的作用，边坡的应力状态也随之调整改变。根据资料及有限元法计算，应力主要发生以下变化：

1)岩体中的主应力迹线发生明显偏转，边坡坡面附近最大主应力方向和坡而平行，而最小主应力方向则与坡面近于垂直，并开始出现水平方向的剪应力，其总趋势是由内向外增多，愈近坡脚愈高，向坡内逐渐恢复到原始应力状态。

2) 在坡脚逐渐形成明显的应力集中带。边坡愈陡，应力集中愈严重，最大最小主应力的差值也愈大。此外，在边坡下边分别形成切向应力减弱带和水平应力紧缩带，而在靠近边坡的表部所测得的应力值均大于按上覆岩体重量计算的数值。

3) 边坡坡面岩体由于侧向应力近于零，实际上变为两向受力。在较陡边坡的坡面和顶面，出现拉应力，形成拉应力带。拉应力带的分布位置与边坡的形状和坡面的角度有关。边坡 应力的调整和拉应力带的出现，是边坡变形破坏最初始的征兆。例如，由于坡脚应力的集中，常是坡脚出现挤压破碎带的原因；由于坡面及坡顶出现拉应力带，常是表层岩体松动变形的原因。

1.2 边坡岩体变形破坏基本形式

边坡在复杂的内外地质营力作用下形成，又在各种因素作用下变化发展。所有边坡都在不断变形过程中，通过变形逐步发展至破坏。其基本变形破坏形式主要有:松弛张裂、滑动、崩塌、倾倒、蠕动和流动。

2  影响边坡稳定性的因案

影响边坡稳定性的主要因素有:

1)边坡材料力学特性参数：

包括弹性模量、泊松比、摩擦角、粘结力、容重、抗剪强度等参数。

2)边坡的几何尺寸参数：

包括边坡高度、坡面角和边坡边界尺寸以及坡面后方坡体的几何形状，即坡体的不连续面与开挖面的坡度及方向之间的几何关系，它将确定坡体的各个部分是否滑动或塌落。

3)边坡外部荷载：

包括地震力、重力场、渗流场、地质构造地应力等。

3 边坡稳定分析方法

极限平衡法和数值分析计算方法。

1）极限平衡法主要包括瑞典圆弧法、简化毕肖普法、条分法、不平衡推力传递法等。

以上各种方法都是假定土体是理想塑性材料，把土条作为一个刚体，按照极限平衡的原则进行力的分析，最大的不同之处在于对相邻上条之间的内力作何种假定，也就是如何增加已知条件使超静定问题变成静定问题。这些假定的物理意义不一样，所能满足的平衡条件也不相同，计算步骤有繁有简，使用时必须注意他们的适用场合。

极限平衡方法关键是对滑体的休型和滑面的形态进行分析、正确选用滑面的计算参数以及正确引用滑体的荷载条件等。因为极限平衡方法完全不考虑土体本身的应力-应变关系，不能真实地反映边坡失稳时的应力场和位移场，因此而受到质疑。

2）数值计算方法

有限元法考虑了介质的变形特征，真实地反应了边坡的受力状态。它可以模拟连续介质，也可以模拟不连续介质；能考虑边坡沿软弱结构面的破坏，也能分析边坡的整体稳定破坏。有限元法可以模拟边坡的圆弧滑动破坏和非圆弧滑动破坏。同时它还能适应各种边界条件和不规则几何形状，具有很广泛的适用性。

有限元法应用于边坡工程，有其独特的优越性。与一般解析方法相比，有限元法有以下优点：

1) 它考虑了岩体的应力-应变关系，求出每一单元的应力与变形，反映了岩体真实工作状态。

2)与极限平衡法相比，不需要进行条间力的简化，岩体自始至终处于平衡状态。

3)不需要像极限平衡法一样事先假定边坡的滑动面，边坡的变形特性、塑性区形成都根据实际应力应变状态“自然”形成。

4)若岩体的初始应力己知，可以模拟有构造应力边坡的受力状态。

5)不但能像极限平衡法一样模拟边坡的整体破坏，还能模拟边坡的局部破坏，把边坡的整体破坏和局部破坏纳入统一的体系。

6)可以模拟边坡的开挖过程，描述和反应岩体中存在的节理裂隙、断层等构造面。

下面来大致描述ANSYS边坡应用实例

ANSYS边坡稳定性分析一般分以下几个步骤：

①创建物理环境；②建立模型，划分网格，对模型的不同区域赋予特性

③加边界条件和载荷；④求解；⑤后处理（查看计算结果）

岩土高边坡模型与网格划分

边坡围岩材料参数

表1 边坡模型围岩参数

进行边坡稳定性分析计算时，采用强度折减法来实现。首先选取初始折减系数F，然后对边坡土体材料强度系数进行折减，折减后凝聚力以及摩擦角分别式（1）和式（2）。

强度折减系数F=1.0时计算结果分析

X方向变形云图

整体位移矢量云图

强度折减系数F=2.2时计算结果分析

强度折减系数F=2.24时计算结果分析

强度折减系数F=2.28时计算结果分析----求解不收敛，说明此时边坡发生失稳。

求解不收敛命令提示框

位移云图

等效塑性应变云图

强度折减系数F=3.0时计算结果分析

不同折减系数下特征点位移分布图

结论分析

1）从边坡模型变形图分析

从边坡变形图看，随着强度折减系数F的增加，边坡变形加大，当F=2.28时，解不收敛，从上述等效塑性应变云图可看出，此时边坡破坏面近似圆弧型，说明此时边坡已经不安全，塑性应变已经产生贯通现象，极易引起失稳现象。

2）从边坡水平方向位移云图分析

边坡水平方向位移随强度折减系数F的增加产生很大波动，刚开始，随F增加，水平位移慢慢增大，当F=2.4以后，边坡模型的水平位移开始增加，当F=2.28后，水平方向位移开始急剧下降，当F=2.28时，边坡模型的水平方向位移达到6.786cm，之后位移发生突变。

3）从塑性应变云图分析

从边坡模型的塑性区云图看，也随着强度折减系数F的增加，塑性应变从无到逐渐增大，塑性区也从无到逐渐增大，当F=2.28时，塑性区贯通到坡顶，并且此时解不收敛，表明此时边坡已经破坏，因此，该边坡的模型的安全系数应该是2.28。

此外，还可以从边坡垂直方向位移以及关键点位移（如坡脚和坡顶）来判断边坡稳定性。

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