边坡工程.docx

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边坡工程

强度折减法对边坡的的稳定性分析

题目：

作业内容为采用有限元软件，用强度折减法对一边坡进行稳定性分析，边坡高度选取为40m~60m，边坡宽度由自定的坡高按图中比例拟定，作业需上交一份分析报告。

一、基本情况

本边坡工程采用坡高为52m，水平坡总长度为69.76m,边界条件为左右两侧水平约束，下部竖向约束，上部为自由边界。

计算采用的力学参数如下表一，该边坡工程采用ansys有限元分析，方法采用有限元强度折减法，设

为初始强度参数，安全系数采用

的强度折减定义形式。

本次模拟进行三种工况：

1.开挖施工前的稳定性，并模拟雨水的渗透作用。

2.模拟边坡开挖后不支护时的稳定性。

3.模拟预应力锚索加固后的稳定性。

表一计算采用的力学参数

材料

重度

弹性模量

泊松比

内聚力

内摩擦角

名称

kN/m3

MPa

kPa

。

破残积土

21

350

0.4

40

40

强--中风化岩体

24

5000

0.2

3000

50

C25砼

25

29000

0.2

按线弹性材料处理

二、模型建立

1.按照平面应变建立有限元模型。

2.岩土材料用6节点三角形平面单元PLANE2模拟。

3.预应力锚索加固作用通过施加集中力的方法来模拟。

4.框架竖肋用梁单元模拟。

5.岩土材料本构模型采用理想弹塑性模型。

6.屈服准则为摩尔-库伦等面积圆屈服准则。

边坡破坏判断：

1.以有限元静力平衡计算不收敛作为边坡整体失稳的标志。

2.以塑性区（或者等效塑性应变）从坡脚到坡顶贯通作为边坡整体失稳的标志。

三、各工况分析情况结果

第一种工况：

针对施工前的稳定性分析。

折减系数采用1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6。

从ansys软件分析结果来看，1.1-1.5这段的折减是收敛的，到1.6就出现不收敛，在收敛阶段，该模型的最大位移变化比较小，从0.00467缓慢变化到0.004856，而塑性应变在这个过程中变化稍快，从0.568e-4变化到0.382e-3，几乎变化了一个数量级。

而在不收敛时，该模型的最大位移为0.03475，等效塑性应变为0.056483，很明显，不收敛时，位移和等效塑性应变突然变化很大，说明此时边坡已经很不稳定。

图一折减系数F=1.0等效塑性应变云图

图二折减系数F=1.1等效塑性应变云图

图三折减系数F=1.2等效塑性应变云图

图四折减系数F=1.3等效塑性应变云图

图五折减系数F=1.4等效塑性应变云图

图六折减系数F=1.5等效塑性应变云图

图七折减系数F=1.6等效塑性应变云图

从上图可知，塑性区主要发生在残积坡土处，岩体非常稳定，基本上没出现塑性区域，随着雨水的渗透，内聚力和摩擦角不断减小，塑性区也在不断扩大，直至F=1.6，土体发生较大变形，也就是我们认为的边坡破坏。

因此，该模型未开挖时的安全系数为1.5.

第二种工况：

开挖后不支护的稳定性。

折减系数采用1.05,1.1,1.2,1.3,1.45,1.5.

从ansys软件分析结果来看，1.05-1.5这段的折减是收敛的，但在F=1.5时出现塑性贯通区，由于没有加支护，经过分析，一开始折减速度太快，则会在第一次折减时立刻出现不收敛，表示土坡已经破坏，所以在1.0-1.1之间增加了1.0的折减系数作为缓冲，在收敛阶段，该模型的最大位移变化比较小，从0.004695缓慢变化到0.004878。

等效塑性应变由0.59e-4变为0.808e-3，塑性贯通后位移和等效塑性应变突然变化很大，由此导致模型不收敛，说明此时边坡已经很不稳定。

图八折减系数F=1.0等效塑性应变云图

图九折减系数F=1.05等效塑性应变云图

图十折减系数F=1.1等效塑性应变云图

图十一折减系数F=1.2等效塑性应变云图

图十二折减系数F=1.3等效塑性应变云图

图十三折减系数F=1.45等效塑性应变云图

图十四折减系数F=1.5等效塑性应变云图

从上云图可知，塑性区主要发生在残积坡土处，且最大塑性应变出现在残积坡土最下端，而岩体非常稳定，基本上没出现塑性区域，说明尽管下部开挖，但是还是比较稳定的，然而随着雨水的渗透，内聚力和摩擦角不断减小，由开始的上下两处塑性区变为一处，塑性区在不断扩大，预计最下端残积坡土会率先出现塌落，直至F=1.5，残积坡土的塑性区贯通，也就是我们认为的边坡破坏，如果继续遭遇雨水的侵蚀，即折减系数继续增大，则整个残积坡土很有可能会塌落下来。

因此，该模型开挖后未加固的安全系数为1.5.

第三种工况：

预应力锚索加固的稳定性。

采用预应力锚索框架加固，边坡采用6排压力型预应力锚索框架加固，锚索水平间距均为3.0m。

每根锚索设计锚固力600kN。

折减系数采用1.0,1.1,1.2,1.25,1.3,1.4,1.52.

从ansys软件分析结果来看，1.0-1.52这段的折减是收敛的，但在F=1.52时出现塑性贯通区，由于加了支护，经过分析，一开始按0.1的折减还是比较稳定的，但是在F=1.2以后，折减过快同样出现不收敛，故增加了1.52的折减系数，不然会在第四次折减时立刻出现不收敛，表示土坡已经破坏，在收敛阶段，该模型的最大位移变化比较小，从0.004819缓慢变化到0.00502。

等效塑性应变由0.442e-4变为0.978e-3，塑性贯通后位移和等效塑性应变突然变化很大，由此导致模型不收敛，说明此时边坡已经很不稳定。

图十五折减系数F=1.0等效塑性应变云图

图十六折减系数F=1.1等效塑性应变云图

图十七折减系数F=1.2等效塑性应变云图

图十八折减系数F=1.25等效塑性应变云图

图十九折减系数F=1.3等效塑性应变云图

图二十折减系数F=1.4等效塑性应变云图

图二十一折减系数F=1.52等效塑性应变云图

从上云图可知，塑性区主要发生在残积坡土处，且最大塑性应变出现在残积坡土最下端，而岩体非常稳定，基本上没出现塑性区域，本模型对下部开挖处进行了加固，然而下部岩体本身的稳定性很好，不稳定区域主要位于上部的残积坡土，所以加固效果不是很明显，同样随着雨水的渗透，内聚力和摩擦角不断减小，由开始的上下两处塑性区变为一处，塑性区在不断扩大，预计最下端残积坡土会率先出现塌落，直至F=1.52，残积坡土的塑性区贯通，也就是我们认为的边坡破坏，如果继续遭遇雨水的侵蚀，即折减系数继续增大，则整个残积坡土很有可能会塌落下来。

因此，该模型开挖后加固时的安全系数为1.52.

四、结语

通过以上分析，可以得出如下结论：

1）建立在强度折减有限元分析基础上的边坡稳定分析理论，折减系数本身就是传统意义上的边坡稳定系数，通过折减土体材料的强度来分析边坡的稳定性，直到不收敛为止，此时的强度折减系数即为所求的边坡安全系数。

利用ANSYS的后处理功能可以直观的显示出坡体的实际滑动面。

2）该边坡在F=1.5时还是收敛，也没有出现塑性贯通区，然而开挖后未加支护时，在F=1.5时出现了塑性贯通区，并且在前期折减还不能降低的很快，换句话说，如果未加护坡，遇到暴雨等情况，很有可能立刻出现塌陷，由此说明尽管岩体的稳定性较高，但是挖去下部岩体对上部残积坡土的稳定性还是有一定影响的。

3）第三种工况在第二种的基础上进行加固措施，尽管从软件分析的结果来看，这种加固措施不是很理想，但是加固后在前期按0.1的折减还是比较稳定的，也就是遇到突发大雨等情况短时间不会出现塌落。

另外，从最终结果来看，加固后的安全系数为1.52,相比未加固有所提高。

4）在强度折减后计算出来的位移和变形的值，并不反映实际的真实的位移和变形，只是用强度折减，使计算不收敛，从而得出边坡安全系数。