第4章 ANSYS边坡工程应用实例分析

内容 提要

本章首先对边坡工程进行了概述，然后介绍

了ANSYS模拟边坡稳定性分析的步骤，最后用实例详细介绍了ANSYS进行边坡稳定性分析的全过程。

本章重点

边坡工程概述

ANSYS边坡稳定性分析步骤

ANSYS边坡稳定性实例分析

本章典型效果图

第4章 ANSYS边坡工程应用实例分析 4.1 边坡工程概述

4.1.1 边坡工程

边坡指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体，是坡面、坡顶及其下部一定深度坡体的总称。坡面与坡顶面下部至坡脚高程的岩体称为坡体。

倾斜的地面称为斜坡，铁路、公路建筑施工中，所形成的路堤斜坡称为路堤边坡；开挖路堑所形成的斜坡称为路堑边坡；水利、市政或露天煤矿等工程开挖施工所形成的斜坡也称为边坡；这些对应工程就称为边坡工程

对边坡工程进行地质分类时，考虑了下述各点。首先，按其物质组成，即按组成边坡的地层和岩性，可以分为岩质边坡和土质边坡(后者包括黄土边坡、砂土边坡、土石混合边坡)。地层和岩性是决定边坡工程地质特征的基本因素之一，也是研究区域性边坡稳定问题的主要依据.其次，再按边坡的结构状况进行分类。因为在岩性相同的条件下，坡体结构是决定边坡稳定状况的主要因素，它直接关系到边坡稳定性的评价和处理方法。最后，如果边坡已经变形，再按其主要变形形式进行划分。即边坡类属的称谓顺序是:岩性— 结构—变形。

边坡工程对国民经济建设有重要的影响：在铁路、公路与水利建设中，边坡修建是不可避免的，边坡的稳定性严重影响到铁路、公路与水利工程的施工安全、运营安全以及建设成本。在路堤施工中，在路堤高度一定条件下，坡角越大，路基所占面积就越小，反之越大。在山区，坡角越大，则路堤所需填方量越少。因此，很有必要对边坡稳定性进行分析，

4.1.2 边坡变形破坏基本原理 4.1.2.1 应力分布状态

边坡从其形成开始，就处于各种应力作用(自重应力、构造应力、热应力等)之下。在边坡的发展变化过程中，由于边坡形态和结构的不断改变以及自然和人为营力的作用，边坡的应力状态也随之调整改变。根据资料及有限元法计算，应力主要发生以下变化：

（1)岩体中的主应力迹线发生明显偏转，边坡坡面附近最大主应力方向和坡而平行，而最

小主应力方向则与坡面近于垂直，并开始出现水平方向的剪应力，其总趋势是由内向外增多，愈近坡脚愈高，向坡内逐渐恢复到原始应力状态。

(2) 在坡脚逐渐形成明显的应力集中带。边坡愈陡，应力集中愈严重，最大最小主应力的

差值也愈大。此外，在边坡下边分别形成切向应力减弱带和水平应力紧缩带，而在靠近边坡的表部所测得的应力值均大于按上覆岩体重量计算的数值。 (3) 边坡坡面岩体由于侧向应力近于零，实际上变为两向受力。在较陡边坡的坡面和顶面，

ANSYS10.0土木工程应用实例分析 出现拉应力，形成拉应力带.拉应力带的分布位置与边坡的形状和坡面的角度有关。边坡 应力的调整和拉应力带的出现，是边坡变形破坏最初始的征兆。例如，由于坡脚应力的集中，常是坡脚出现挤压破碎带的原因；由于坡面及坡顶出现拉应力带，常是表层岩体松动变形的原因。

4.1.2.2 边坡岩体变形破坏基本形式

边坡在复杂的内外地质营力作用下形成，又在各种因素作用下变化发展。所有边坡都在不断变形过程中，通过变形逐步发展至破坏。其基本变形破坏形式主要有:松弛张裂、滑动、崩塌、倾倒、蠕动和流动。

4.1.3 影响边坡稳定性的因案

影响边坡稳定性的主要因素有:

(1)边坡材料力学特性参数：

包括弹性模量、泊松比、摩擦角、粘结力、容重、抗剪强度等参数。 (2)边坡的几何尺寸参数：

包括边坡高度、坡面角和边坡边界尺寸以及坡面后方坡体的几何形状，即坡体的不连续面与开挖面的坡度及方向之间的几何关系，它将确定坡体的各个部分是否滑动或塌落。 (3)边坡外部荷载：

包括地震力、重力场、渗流场、地质构造地应力等。

4.1.4 边坡稳定性的分析方法

分析边坡稳定问题，基本上可以分为两种方法：极限平衡方法和数值分析方法。

4.1.4.1 极限平衡方法

极限平衡方法的基本思想是:以摩尔一库仑抗剪强度理论为基础，将滑坡体划分成若干垂直条块，建立作用在垂直条块上的力的平衡方程式，求解安全系数。

这种计算分析方法遵循下列基本假定: (1)遵循库仑定律或由此引伸的准则。

(2)将滑体作为均质刚性体考虑，认为滑体本身不变形，且可以传递应力。因此只研究滑动面上的受力大小，不研究滑体及滑床内部的应力状态。 (3)将滑体的边界条件大大简化。如将复杂的滑体型态简化为简单的几何型态；将滑面简化为圆弧面、平面或折面；一般将立体问题简化为平面问题，取沿滑动方向的代表性剖面，以表征滑体的基本型态；将均布力简化为集中力，有时还将力的作用点简化为通过滑体重心。