基于ANSYS APDL的边坡稳定性研究

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0 前言

传统对边坡稳定性研究的方法主要有：极限平衡法，滑移线场法等，这些以极限平衡理论为基础的分析方法没有考虑土体内部的本构关系，无法对土体的破坏与发展过程进行分析，也无法对岩土和支护结构进行共同考虑，安全系数的求解假设过多。而边坡的数值分析方法主要考虑土体的应力－应变关系，克服了完全不考虑土体本身应力－应变关系的极限平衡法中的缺点，为边坡稳定性的正确和准确的分析提供概念。边坡稳定性数值分析的方法有很多种，主要有有限元法（包括有限元滑面搜索法和有限元强度折减法）、自适应有限元法、离散元法、拉格朗日元法、界面元法等。有限元强度折减法可以考虑复杂边坡计算，考虑岩土的弹塑性本构关系，能够模拟失稳过程，得到准确的安全系数，并为边坡加固作指导，因此本文采取有限元强度折减法来分析边坡的稳定性。

强度折减法，顾名思义，简单来说就是通过降低强度参数来得到结构达到极限破坏状态的方法。对于边坡稳定先分析，具体解释为：通过修改边坡岩石的材料参数，不断降低岩土的抗剪强度参数，直到边坡达到极限破坏状态。边坡岩土的抗剪强度参数主要是粘聚力с和内摩擦角，折减时粘聚力c直接除以折减系数F_zj得到新的粘聚力；相应地，内摩擦角的正切值除以折减系数F_zj得到新的内摩擦角的正切值，继而求得内摩擦角的大小。将得到新的作为新的岩土材料参数再进行计算，通过不停地折减岩土强度参数，反复计算，直到达到相应的失稳条件，即失稳判据。

ANSYS有很好的二次开发功能，采用APDL二次开发语言可以进行参数化建模和分析，有利于多模型的计算。本文的边坡稳定性分析采用折减强度法进行仿真分析，为了更加方便地的计算，本文也采用APDL二次开发参数化计算，这样可以节省大量的前处理时间。

1 边坡模型

地层岩性方面主要为：第四系残坡积层(el-dlQ)：零星分布于斜坡表面，岩性为粉质粘土混碎石颗粒，结构松散，厚度4～9m；燕山期角闪花岗岩(γ52（2）)：岩性为灰绿、青灰色角闪花岗岩，细粒～隐晶结构，局部具花岗结构，风化作用强烈，依风化程度风化带可以分为以下四类（从上往下）：

a.全风化带：岩石结构松散，多为粒砂状，土状，岩石强度较低，手扳或镐挖即碎。该带的厚度自坡底至山顶约为10～30m。

b.强风化带：岩体为碎裂状结构，岩体风化裂隙发育，该带厚度5～10m。

c.弱风化带：岩体为碎块状结构，岩体相对较完整，岩石强度较高，该带厚度厚度8～12m。

d.微风化～新鲜基岩：岩体为致密块状结构，岩体力学强度较高，仅局部由于岩石成岩过程中岩浆结晶分异作用，长石类矿物含量较高，从而使岩体呈碎粒状结构，导致岩体破碎，力学强度低。

2 有限元模型建立

边坡岩石材料在自然界中是很复杂的，要受到很多因素的影响，在进行数值计算时，为了能够方便计算，本文做以下假设：

1、同一类岩土材料是均匀介质的，不考虑同一材料内部差别；

2、不考虑温度和时间灯影响，仅考虑重力场的影响；

3、边坡岩体为理想弹塑性材料；

4、边坡岩石的受力和变形为平面应变问题。

在有限元计算中，为了更好采用折减强度法对边坡稳定性进行分析，本文利用ANSYS的二次开发语言APDL编写程序，减少重复建模的过程，具体形式如下：

/prep7 !进入模型前处理

……

F= !强度折减系数

……

TB,DP,1

tbdata,1,0.5e6/F,30/F !对粘聚力和内摩擦角进行折减

……

3 结果分析

塑性结果如下图所示，塑性应变过大，且安全系数仅有0.8，失稳。需要进行加固。

4 加固分析

采用锚杆技术加固边坡岩体，使其成为一个复合整体，从而增强开挖边坡的稳定性，改善和提高边坡内部脆弱岩层的强度。这项技术可以在不利的自然环境下进行，有效保证人员安全，节省人力物力，方便高效。按照设计需求进行加固，加固后对边坡进行验证，发现模型应力和塑性应变都符合要求，不会失稳。

在ANSYS中建立开挖边坡加固模型，单元选择为LINK180，LINK180单元是有着广泛工程应用的杆单元，它可以用来模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等等；是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动；就像铰接结构一样，本单元不承受弯矩。输入材料参数后，划分网格。

塑性变形主要分布在断层附近的脆弱岩石处，由于锚杆的加固，塑性区扩展范围比未加固前的开挖边坡小很多，并且没有形成穿透行为。锚杆与塑性区成一定的角度，这样当岩土滑动时就会受到锚杆阻挡，锚杆进而把承受的力分散到相连的内部坚固岩石内，从而减弱边坡内部岩石滑动趋势，增强断层附近岩土的材料强度，使边坡更加稳定。