基于ANSYS模拟不同岩层的斜坡稳定性分析研究

田园园，高阳 （安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601）

影响边坡稳定性分析的因素很多[1-3]，包括地下水对边坡稳定的影响、山体岩层的性质（内摩擦角、粘聚力）对边坡稳定性的影响、边坡的几何特性（边坡的高度、倾斜角度）、自然条件的影响（冻融破坏、雨水浸润、风沙冲蚀）等。在地球表面是一层一层的岩层，不同种类的岩层具有不同的稳定性特征，另外，地球表面是高低不同的，雨水流过表面会形成一定的水土流失[4-5]，轻者水土流失，重者泥石流。倾斜岩层发生滑坡阻碍交通，影响国民经济运行，因此，研究倾斜岩体的稳定性具有一定的研究意义。

现已经有很多科学工作者研究关于边坡稳定性的研究。高级工程师甘露[6]利用有限元软件ANSYS模拟了弹性模量、容重、泊松比、粘聚力、内摩擦角、坡高和坡角对边坡稳定性的影响。结果表明，弹性模量和泊松比对边坡稳定性影响不大，容重和坡高对边坡稳定性影响较大，应加强对边坡的防护。高恭星[7]利用ANSYS软件计算了粘聚力和内摩擦角对边坡稳定性的影响，得出了粘聚力和内摩擦角都能显著影响边坡的稳定性，另外还得出强度折减法Drucker-Prager3在ANSYS软件中就计算边坡稳定误差最小。王熙忠[8]利用ANSYS软件模拟了边坡稳定性，研究了内部岩体的应力分布规律，验证了矿石开采过程中和土体外运边坡的稳定性，得出了边坡失稳时的控制方案。阳克青等[9]人利用ANSYS研究了高速公路的边坡稳定性，很好的验证了ANSYS可以应用在边坡稳定性分析中，研究方法可以为同类型的研究项目提供参考依据。顾良军等[10]人研究了各个敏感因子对边坡稳定性的影响分析，分析结果表明每一个敏感因子不是单独作用的，是受到多重作用的共同作用，需要综合研究，这就是边坡滑移和失稳不好预测的主要原因，这也使很多学者研究不止。

通过对上述学者对边坡稳定性的研究分析，文章利用有限元ANSYS进行模拟，模拟了土体重度、边坡倾斜程度对边坡稳定性的影响研究。

1 边坡稳定性机理研究

对于边坡的内摩擦角和粘聚力进行分析计算，需要使用强度准则进行，在不同的地层中有多种不同的结构层，选用Drucker-Prager屈服准则具有很好的兼容性。Drucker-Prager屈服准则有5中基本形式，分别为外角点外接圆、等面积圆、匹配D-P（非关联）、关联内切圆、内角点外接圆等，文章选择外角点外接圆和匹配D-P（非关联）屈服准则作为主要的使用运算对象，对材料进行计算。

材料换算应力表达式为

式中，σm为三相应力的平均值，β为材料性能的常数，{S}为偏差应力，[M]为Mises强度准则系数。利用外角点外接圆和匹配D-P（非关联）屈服准则进行计算出粘聚力和内摩擦角的关系式。

粘聚力：

内摩擦角：

将计算出来的粘聚力和内摩擦角运用到数值模拟计算中去，对边坡稳定性进行分析。

2 边坡稳定性因素分析

2.1 模型的建立

利用ANSYS建立边坡稳定性模型分析图模型如图1所示，边坡层一共分为三层，三层边坡层的参数如下表所示。对模型进行设置，设置上表面为受荷载作用面，下表面为约束面，约束面为固定端完全约束。

图1 模型设计结构图

边坡地层材料设计参数

2.2 网格划分

网格划分的方法、形式以及类型有很多种，经过大量的划分网格计算出，网格的划分形式最好还是选用六面体网格，六面体网格具有适应能力强，计算速度快等优点。边坡稳定性网格划分形式如图2所示。

图2 网格划分结构图

2.3 计算结果分析

2.3.1 土体重度对稳定性的影响

通过改变每一层的土体重度发现，对边坡的稳定性整体呈上升的趋势，如果是没有水分完全干燥的土体的稳定性也比较低，如图3所示。

土体的重度与土体中的含水量有极大的关系，所以研究土体重度对边坡稳定的影响具有重要的意义。通过图3可以看出，在土体达到一定的含水量时，土体可以达到最好的稳定性。但每一个地区的土的成分和物质组成不同，稳定性也不同，有待进一步研究。

图3 土体重度对稳定性的影响

2.3.3 倾斜角度对边坡稳定性的影响

倾斜岩体发生滑坡是随时有可能发生的，因为倾斜岩体的一侧是临空面，没有可以阻挡山体滑动的构造物。山体倾斜程度的变化对滑坡的影响如图4所示。

图4 倾斜角度对稳定系数的影响

通过图4可知，随着倾斜角度增加稳定性逐渐降低，在倾斜角度比较小时，边坡稳定性极高，所以尽量让边坡的倾斜角度变小，减缓平面可以控制边坡滑动和失稳。

对土体的重度与倾斜角度进行比较，比较它们对边坡稳定性的影响程度发现，倾斜程度对边坡稳定性的影响程度大于土体的重度对稳定性的影响，所以要对边坡倾斜程度做好修正和处理。

3 结论

通过以上对边坡稳定性的土体的重度和倾斜角度的分析研究，得出如下结论：

①土体重度对边坡稳定性存在一定的影响，随着土体重度的增加边坡稳定性系数先增大后减小。要控制土体的重度在合理的范围内，干燥或潮湿状态都不能很好的防止边坡稳定性，合理含水量能够增强边坡稳定性；

②倾斜程度对边坡稳定性的影响极大，需要对边坡做好修正；

③倾斜程度对边坡稳定性的影响明显大于土体重度，建议减小坡面的坡度，提高稳定性。