田園園，高陽(yáng) （安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

影響邊坡穩(wěn)定性分析的因素很多[1-3]，包括地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響、山體巖層的性質(zhì)（內(nèi)摩擦角、粘聚力）對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響、邊坡的幾何特性（邊坡的高度、傾斜角度）、自然條件的影響（凍融破壞、雨水浸潤(rùn)、風(fēng)沙沖蝕）等。在地球表面是一層一層的巖層，不同種類的巖層具有不同的穩(wěn)定性特征，另外，地球表面是高低不同的，雨水流過表面會(huì)形成一定的水土流失[4-5]，輕者水土流失，重者泥石流。傾斜巖層發(fā)生滑坡阻礙交通，影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此，研究?jī)A斜巖體的穩(wěn)定性具有一定的研究意義。

現(xiàn)已經(jīng)有很多科學(xué)工作者研究關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的研究。高級(jí)工程師甘露[6]利用有限元軟件ANSYS模擬了彈性模量、容重、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角、坡高和坡角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，彈性模量和泊松比對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不大，容重和坡高對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)邊坡的防護(hù)。高恭星[7]利用ANSYS軟件計(jì)算了粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得出了粘聚力和內(nèi)摩擦角都能顯著影響邊坡的穩(wěn)定性，另外還得出強(qiáng)度折減法Drucker-Prager3在ANSYS軟件中就計(jì)算邊坡穩(wěn)定誤差最小。王熙忠[8]利用ANSYS軟件模擬了邊坡穩(wěn)定性，研究了內(nèi)部巖體的應(yīng)力分布規(guī)律，驗(yàn)證了礦石開采過程中和土體外運(yùn)邊坡的穩(wěn)定性，得出了邊坡失穩(wěn)時(shí)的控制方案。陽(yáng)克青等[9]人利用ANSYS研究了高速公路的邊坡穩(wěn)定性，很好的驗(yàn)證了ANSYS可以應(yīng)用在邊坡穩(wěn)定性分析中，研究方法可以為同類型的研究項(xiàng)目提供參考依據(jù)。顧良軍等[10]人研究了各個(gè)敏感因子對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析，分析結(jié)果表明每一個(gè)敏感因子不是單獨(dú)作用的，是受到多重作用的共同作用，需要綜合研究，這就是邊坡滑移和失穩(wěn)不好預(yù)測(cè)的主要原因，這也使很多學(xué)者研究不止。

通過對(duì)上述學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究分析，文章利用有限元ANSYS進(jìn)行模擬，模擬了土體重度、邊坡傾斜程度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究。

1 邊坡穩(wěn)定性機(jī)理研究

對(duì)于邊坡的內(nèi)摩擦角和粘聚力進(jìn)行分析計(jì)算，需要使用強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行，在不同的地層中有多種不同的結(jié)構(gòu)層，選用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則具有很好的兼容性。Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則有5中基本形式，分別為外角點(diǎn)外接圓、等面積圓、匹配D-P（非關(guān)聯(lián)）、關(guān)聯(lián)內(nèi)切圓、內(nèi)角點(diǎn)外接圓等，文章選擇外角點(diǎn)外接圓和匹配D-P（非關(guān)聯(lián)）屈服準(zhǔn)則作為主要的使用運(yùn)算對(duì)象，對(duì)材料進(jìn)行計(jì)算。

材料換算應(yīng)力表達(dá)式為

式中，σm為三相應(yīng)力的平均值，β為材料性能的常數(shù)，{S}為偏差應(yīng)力，[M]為Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則系數(shù)。利用外角點(diǎn)外接圓和匹配D-P（非關(guān)聯(lián)）屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算出粘聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系式。

粘聚力：

內(nèi)摩擦角：

將計(jì)算出來(lái)的粘聚力和內(nèi)摩擦角運(yùn)用到數(shù)值模擬計(jì)算中去，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 邊坡穩(wěn)定性因素分析

2.1 模型的建立

利用ANSYS建立邊坡穩(wěn)定性模型分析圖模型如圖1所示，邊坡層一共分為三層，三層邊坡層的參數(shù)如下表所示。對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置上表面為受荷載作用面，下表面為約束面，約束面為固定端完全約束。

圖1 模型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

邊坡地層材料設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的方法、形式以及類型有很多種，經(jīng)過大量的劃分網(wǎng)格計(jì)算出，網(wǎng)格的劃分形式最好還是選用六面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格具有適應(yīng)能力強(qiáng)，計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。邊坡穩(wěn)定性網(wǎng)格劃分形式如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)圖

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 土體重度對(duì)穩(wěn)定性的影響

通過改變每一層的土體重度發(fā)現(xiàn)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性整體呈上升的趨勢(shì)，如果是沒有水分完全干燥的土體的穩(wěn)定性也比較低，如圖3所示。

土體的重度與土體中的含水量有極大的關(guān)系，所以研究土體重度對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響具有重要的意義。通過圖3可以看出，在土體達(dá)到一定的含水量時(shí)，土體可以達(dá)到最好的穩(wěn)定性。但每一個(gè)地區(qū)的土的成分和物質(zhì)組成不同，穩(wěn)定性也不同，有待進(jìn)一步研究。

圖3 土體重度對(duì)穩(wěn)定性的影響

2.3.3 傾斜角度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

傾斜巖體發(fā)生滑坡是隨時(shí)有可能發(fā)生的，因?yàn)閮A斜巖體的一側(cè)是臨空面，沒有可以阻擋山體滑動(dòng)的構(gòu)造物。山體傾斜程度的變化對(duì)滑坡的影響如圖4所示。

圖4 傾斜角度對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響

通過圖4可知，隨著傾斜角度增加穩(wěn)定性逐漸降低，在傾斜角度比較小時(shí)，邊坡穩(wěn)定性極高，所以盡量讓邊坡的傾斜角度變小，減緩平面可以控制邊坡滑動(dòng)和失穩(wěn)。

對(duì)土體的重度與傾斜角度進(jìn)行比較，比較它們對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度發(fā)現(xiàn)，傾斜程度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度大于土體的重度對(duì)穩(wěn)定性的影響，所以要對(duì)邊坡傾斜程度做好修正和處理。

3 結(jié)論

通過以上對(duì)邊坡穩(wěn)定性的土體的重度和傾斜角度的分析研究，得出如下結(jié)論：

①土體重度對(duì)邊坡穩(wěn)定性存在一定的影響，隨著土體重度的增加邊坡穩(wěn)定性系數(shù)先增大后減小。要控制土體的重度在合理的范圍內(nèi)，干燥或潮濕狀態(tài)都不能很好的防止邊坡穩(wěn)定性，合理含水量能夠增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性；

②傾斜程度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響極大，需要對(duì)邊坡做好修正；

③傾斜程度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響明顯大于土體重度，建議減小坡面的坡度，提高穩(wěn)定性。