基于有限元应力场的边坡稳定分析.doc

《基于有限元应力场的边坡稳定分析.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、基于有限元应力场的边坡稳定分析谢兼量作者简介：谢兼量（1981-），男，江西兴国人，硕士研究生，工程力学专业。通讯作者：梅明荣，副教授，硕士生导师。电话：025-83786005；E-mail：mrmei@hhu.edu.cn。梅明荣(河海大学工程力学系南京210098)摘要：边坡稳定安全系数及对应的滑动面是边坡安全稳定评价的重要指标。本文采用强度折减有限元法计算出边坡稳定的临界应力场，通过对有限元软件ANSYS的二次开发，以优化搜索的方法确定边坡稳定的最小安全系数及其相应的圆弧滑动面，通过与传统的极限平衡法作了对比，验证了本文提出的边坡稳定安全系数

2、计算方法是可行的，它既反映了土体的变形特征又可以得到与现行规范相对应的稳定安全系数。关键词：边坡稳定、强度折减有限元法、安全系数、滑动面、ANSYS1引言当前，边坡稳定性分析方法主要有两类：一类是建立在极限平衡理论上的刚体极限平衡法[1]；另一类是以有限单元法为代表的数值方法[2~4]，前者是把土体当成刚体看待，不能反映岩土体的应力－应变关系，与实际情况不相符，但是它能够给出边坡稳定安全系数及相应的滑动面；而有限单元法虽能反映土体发生滑动时的应力－应变关系，但不能直接给出边坡的稳定安全系数以及相应的滑动面，因此两者各有优缺点，能否将两者的优点结合起来

3、分析边坡的稳定性这个是值得探讨的问题，本文为此进行了相关的工作。2强度折减法基本原理在土坡稳定分析中，土坡在外荷载或自重的作用下失稳破坏时，塑性区会贯穿整个土坡而形成一个如图1所示的滑动带，整个土坡将沿该滑动带滑动，从而使得沿滑动带以上的土体成为机动机构，因而其有限元计算结果不收敛，强度折减系数法正是基于这一点提出来的[5]。图1土坡失稳时塑性区分布情况有限元强度折减系数法的基本原理是将坡体材料的强度参数——粘聚力和内摩擦角的正切值同时除以一个折减系数，得到一组新的、值，然后作为新的参数输入，再次试算是否收敛，不断调整进行试算，直到寻求的折减系数使得

4、计算结果正好处于临界状态，所谓临界状态就是折减系数若有微小的增加，计算结果就不收敛，认为坡体达到了发生剪切破坏的临界状态。该法的实质是结构的稳定能力对材料参数的敏感程度。强度折减参数按下式进行：(1)(2)3基于应力场的圆弧滑动面的安全系数以上分析可知，当边坡塑性区贯穿，形成一个滑动带，整个土坡将沿该滑动带滑动。用有限元折减系数法只能试算出边坡稳定的安全系数，至于滑动面的位置只能大致确定在塑性区内，而并不能定出其准确位置。尤其是当塑性区较大时，则无法准确定出其滑动面的位置。为此运用刚体极限平衡的概念，设在塑性贯穿区内有一个滑动面，对应该滑动面的稳定安

5、全系数定义为[6](3)式中，为滑动面的抗剪强度；为滑动面的实际剪应力，为滑动面的弧长。通过强度折减有限元求得的土坡临界应力场，从对应的塑性贯穿区里寻找一个滑动面，具体做法是将这滑动面分成段，每一小段以其中点为控制点，这些控制点的应力，，可以通过线性插值求得，这些控制点的法向应力和切向应力由下式计算(4)(5)式中，为此处滑动面切线与轴夹角，该点的抗剪强度有下式确定：(6)式中，为土体的内聚力；为土体的内摩擦角。这样基于应力场的对应某一滑动面的安全系数为(7)此法实质是强度折减有限元法与极限平衡法相结合的一种方法，它既反映了土体的变形特征又可以得到与

6、现行规范相对应的稳定安全系数和滑动面。4优化搜索确定滑裂面如前所述，滑动面的位置只能大致确定在塑性区内，并不能定出其准确位置。尤其是当塑性区较大时，则无法准确定出其位置。有的文献[4、7]认为从坡脚开始沿着塑性等值线脊部的连线可以认为是该边坡的滑动面，但是这样做有较大的随意性，对此本文采用优化搜索的方法，寻找所有可能滑动面的安全系数，找出其中最小安全系数，具体的思路是：为了得到最危险滑动面，采用费伦纽斯(Fellenius)关于滑动面的概念，对于如图2所示的边坡（图中H为边坡的高度，，是跟边坡的坡度有关的参数），当假设滑动面为圆弧时，只要知道圆心的位

7、置O、起点和终点，那这一段圆弧位置就可以确定。对于土体来讲，滑动面的滑出点是靠近坡脚点，本文假定滑动面的滑出点是经过坡脚点B的，具体操作步骤如下：图2最危险滑裂面圆心位置的确定(1)确定初始圆心O，以点O和坡脚点B连线为半径沿着坡顶方向画圆弧交坡顶于P点，则圆弧BCP就是一条可能的滑动面，将此滑动面分成等份，由有限元求得的应力场，通过线性插值求得每一段圆弧中点的应力，，，将它们代入式(4)~(6)，然后对整段圆弧用式(7)求得安全系数；(2)以O为圆心，以(初始迭代半径)为半径作一圆，把这个圆分成n等份，则有n个点，对每一个点（滑弧的圆心）按照(1)

8、的步骤求出每一个点的安全系数，然后在这n个安全系数中求出最小的那个安全系数及对应的点Q；(3)比较安全系数和