岩质边坡稳定性分析

岩质边坡稳定性分析

高春

（中盛弘宇建设科技有限公司云南分公司，昆明650000）

摘要：边坡工程的稳定性分析是岩土工程中的一项重要工作，也是岩土工程领域的一个研究热点。本文用ANSYS12.1建立两种滑体类型的岩质边坡三维模型，并将其划分为空间8结点等参单元，同时把边坡上的岩体定义为三种材料；最后通过ANSYS与FLAC的接口文件把边坡模型导入FLAC3D进行计算，从计算结果中分析边破在自重作用下的位移、应力、塑性区，确定边坡是否失稳。

关键词：岩质边坡；FLAC法；稳定性；位移；应力

1.概述

在许多工程建设中，岩质边坡稳定性问题常常出现，从而使得岩质边坡尤其是复杂结构岩质边坡的稳定性研究成为工程地质界必须面对的重大工程地质课题。本文对两种滑体类型的岩质边坡用ANSYS建模、用快速拉格朗日(FLAC)法进行计算分析，内容包括：

（1）从定性和定量两个角度，总结了目前用来分析边坡稳定的方法和研究现状；

（2）对FLAC法的原理进行详细的阐述，并将其引入边坡进行稳定性分析；

（3）在大型有限元软件ANSYS12.1里建立两个算例的边坡有限元模型，并分别定义边坡上各部分岩体的材料性质和边界条件；

（4）在完成步骤上述步骤后，通过ANSYS与FLAC3D的接口文件把模型导入到FLAC3D里进行计算。通过对只在自重作用下的两个不同滑体岩质边坡稳定性算例的计算结果并作后处理，然后分析岩质边坡在静力作用的位移、应力及其塑性区。

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2. 关于FLAC3D

FLAC3D是由美国ICGI开发的三维显式有限差分法程序，它可以模拟岩土或其它材料的三维力学行为。FLAC3D软件的基本原理是拉格朗日差分法。拉格朗日元法是一种利用拖带坐标系分析大位移问题的数值方法，并利用差分格式按时步积分求解。随着构形的不断变化，不断更新坐标，允许介质有较大的位移。模型经过网格划分，物理网格映射成数学网格，数学网格上的某个结点就与物理网格上相应的结点坐标相对应。对于某一个结点而言，在每一时刻它受到来自其周围区域合力的影响。如果合力不等于零，结点就具有了失稳力，就要产生运动。假定结点上集中有连接该结点的质量，于是，在失稳力的作用下，根据牛顿定律，结点就要产生加速度，进而可以在一个时步中求得速度和位移的增量。对于每一个区域而言，可以根据其周围结点的运动速度求得它的位移率，然后根据材料的本构关系求得应力的增量。由应力增量求出和时刻各个结点的不平衡力和各个结点在时的加速度。对加速度进行积分，即可得结点新的位移值，由此可以求得各结点新的坐标值[1]。

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2.2 FLAC求解过程

FLAC先调用运动方程由网格点速度求得单元位移率, 由应力位移本构关系计算单元应力, 从而确定结点的合力, 若网格点受到的合力不等于零, 那么它就具有不平衡力, 进而可以求得网格点新的速度和位移, 到此计算为一个循环, 然后按时步进行下一步的循环, 直到问题收敛, 即单元的最大不平衡力随时步增加而逐渐趋于极小值, 则计算稳定, 循环结束。本次设计中FLAC3D对岩体采用的破坏准则是莫尔—库伦模型。

3. 岩质边坡三维模型

3.1 岩质边坡滑体形状

本文对两种滑体类型的岩质边坡进行稳定性分析，图3-1和图3-2分别为算例一的滑体模型和算例二边坡主剖面图。对于算例一，坡脚以下高度取坡高的1.5倍，坡脚左侧和坡顶右侧的长度均取坡顶宽度的2倍，并设置了厚度为2m的滑面（软弱带）。对于算例二同样设置了厚度为3m的滑面（软弱带），滑体半径为50m。

图3-1 算例一滑体形状

图3-2 算例二主剖面图

3.2 岩质边坡网格模型

用ANSYS12.1建立边坡的三维模型并对其进行网格划分。对模型中的三角形和半球体，均采用自由划分，对于四边形均采用MAPPED划分。

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3.3 ANSYS模型到FLAC3D计算模型

本文使用ANSYS—FLAC3D接口程序把3.2中建立的三维边坡网格模型转化为FLAC3D计算模型。通过接口程序，将ANSYS中的单元节点坐标数据和单元信息数据分别导出来形成两个数据文件，然后通过接口程序转换成FLAC3D所需的建模文件，建立FLAC3D计算模型。

3.4 边坡材料参数

算例一取坡体容重为26kN/m3，弹性模量4.5GPa，泊松比0.25，粘聚力200kPa，内摩擦角30°，剪切模量1800MPa；算例二取坡体容重为24kN/m3，弹性模量3.0GPa，泊松比0.23，粘聚力250kPa，内摩擦角20°，剪切模量1220MPa。

4. 计算结果及分析

4.1 算例一计算结果及分析

该算例岩质边坡的最大位移产生在坡脚处，大小为1.133×10-4m，产生这种现象的原因是由于滑面的材料特性不如滑体和基岩的材料特性。故在滑体的自重作用下，滑体与滑面之间产生了摩擦力，当这个摩擦力等于或大于滑面的抗拉或抗压强度时，滑面便发生大位移，从而滑体也随着滑面产生位移并滑动，滑体就从滑面上滑出。从计算得出的位移结果及其滑体和滑面的位移矢量图来看，该算例岩质边坡主滑动方向沿坡向滑动，是符合理论和实际的。可认为该边坡边界条件的设置符合实际情况，故位移计算结果是可靠的。

最大应力产生在右侧基岩底部，为-1.26MPa。可见边坡在自重作用下的应力主要以沉降应力为主，在右侧基岩底部产生最大应力的原因是该位置受到的坡体自重力较大。

一般边的坡稳定性是根据坡体的安全系数来确定，本文则通过边坡塑性区计算结果来判定边坡是否稳定。从算例的塑性区计算结果来看，这个坡体上只有滑面上出现了少许的塑性区，并且均没有贯通，故认为该岩质边坡在自重作用下是稳定的。

4.2 算例二计算结果及分析

从该算例的位移计算结果可以得出：整个坡体上最大位移产生在X方向滑面中心处，为-2.73×10-4m。在X方向产生最大位移的原因是：在X方向上，滑面受到滑体重力的作用和滑体与滑面间摩擦力水平分量的作用，使得滑面在中心处集中受压，产生的位移值也较大。整个边坡上的最大应力为1.91MPa。

通过边坡的塑性区计算结果可知，整个边坡只在滑面上出现了少许塑性区，没有完全贯通，即该算例边坡在自重作用下是稳定的。

对于工出现塑性区但又没贯通的边坡，可以采取从滑体斜边布置锚索来防止滑面上塑性区的产生，深度为使锚索贯穿滑面并锚入基岩内。

5.结论

5.1．岩质边坡在自重作用下的最大位移和最大压力都是在滑面上产生的；

5.2．两个岩质边坡算例在自重作用下均没有产生塑性区，两个边坡在自重作用下均处于稳定状态；

5.3．对于岩质边坡，滑面对滑体的稳定性起控制作用，因此在岩质边坡稳定性分析工作中，应着重对滑面的位移、应力、塑性区分析；

5.4本文采用的分析方法快速，利用了ANSYS和FLAC3D的优点，得出的结果也较可靠，希望本文的方法能在岩土工程中得到应用。

参考文献

[1]陈祥军,汤劲松．用FLAC3D进行马崖高边坡稳定性分析[J]．石家庄铁道学院学报．2002，15(3)：76—79．

[2]廖秋林，曾钱帮等．基于ANSYS平台复杂地质体FLAC3D模型的自动生成[J]．岩石力学与工程学报，2005．24(6)：1010—1013．

[3] 建筑边坡工程技术规范.北京：中国建筑工业出版社.