phase2在邊坡分析中的應(yīng)用

1論文題目: P hase2在 邊 坡 分 析 中 的 應(yīng) 用團隊成員：祝 凱 徐 振 峰 陳 鳳 張 楊 蔣 宏 偉專業(yè)班級： 地 質(zhì) 工 程 實 驗 班 指導(dǎo)教師： 胡 斌 學(xué) 院 ： 工 程 學(xué) 院 提交日期： 2012年 10月 8日 2Phase2在邊坡分析中的應(yīng)用祝凱 ， 徐振峰 ， 陳鳳 , 張楊 , 蔣宏偉摘要：本文主要是介紹有限元法的原理在邊坡穩(wěn)定性分析上面的應(yīng)用，通過建立簡單的模型，利用數(shù)值模擬軟件 phsae2 對模型進行穩(wěn)定性分析，模擬出邊坡模型的各種變形和滑坡的情況。這種方法在分析邊坡穩(wěn)定性上比傳統(tǒng)方法更為簡單、精確，其分析結(jié)果對處理實際的邊坡工程問題具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：有限元；穩(wěn)定性；邊坡；數(shù)值模擬；phase2The application of phase2 in the slope analysisZHU Kai , XU Zhenfeng , CHEN Feng , ZHANG Yang , JIANG HongweiAbstract: This paper is mainly to introduce the use of the finite element method in the slope stability analysis . Through the establishment of a simple model, we use phsae2 which is a numerical analysis software to analyze the stability of the model, so we can simulate the possible deformation and landslide of high slope . This method is more simple and precise than the traditional method in the analysis of slope stability , and the results of the analysis can be very useful when actually dealing with the problem of slope stability .Key words: Finite Element; Stability; Slope; Numerical Simulation; phase20 引言山區(qū)鐵路與公路的建設(shè)、深基坑的開挖都會在一定程度上破壞和擾動原來較為穩(wěn)定的巖土體而形成人工邊坡,由此引起的邊坡穩(wěn)定性問題也不斷增多。因此正確合理地選用邊坡穩(wěn)定性研究方法對邊坡工程實際有著至關(guān)重要的意義。有限元法是邊坡穩(wěn)定性分析常用的一種方法，有限元法把巖體當(dāng)作變形體，按照巖體的變形特性，計算巖體內(nèi)的應(yīng)力分布，然后再根據(jù) 摩爾-庫倫強度理論，驗算邊坡的整體抗滑穩(wěn)定性。有限元的數(shù)值分析方法主要利用數(shù)值計算軟件對邊坡開挖、支護過程進行模擬，計算精度較高，應(yīng)用較為廣泛。本文主要是介紹利用phase2軟件對邊坡進行穩(wěn)定性分析。Phase2是一款適用于地面和地表開挖、回填、設(shè)計和計算的二維彈塑性有限元分析軟件 。它可以廣泛的用于工程項目中，包括脆弱巖體的復(fù)雜隧道問題、地下發(fā)電站、露天采礦挖掘以及巖體或土壤上的斜坡。采用強度折減法，Phase2可以對邊坡穩(wěn)定進行有限元分析，它對于開挖產(chǎn)生的應(yīng)力和變形均可以進行詳細(xì)的計算及結(jié)果輸出。1. 計算模型設(shè)計1.1 模型概要設(shè)計本文采用的計算模型是根據(jù)工程常見的實例進行簡化而后得到的，其模型用 AutoCAD 軟件繪制如圖 1 所示。3圖 1.模擬模型整個模型下部長 50m,高為 35m，邊坡坡角為 40，由于五級巖體完整性較差，其與二級巖體接觸的結(jié)構(gòu)面呈折線型。邊坡采用模擬材料是根據(jù)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)（Standard for engineering classification of rock masses）選取，中部選用的是二級巖體，左上角選用的是五級巖體。1.2 材料確定邊坡采用的模擬材料是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)確定，參考資料為工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)，巖體基本質(zhì)量參數(shù)是根據(jù)巖體基本質(zhì)量的特征進行的定性分類，其標(biāo)準(zhǔn)如表 1 所示。表 1.巖體基本質(zhì)量分級基本質(zhì) 量級別 巖體基本質(zhì)量定性特征巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ）I 堅硬巖，巖體完整 550II 堅硬巖，巖體較完整；較堅硬巖，巖體完整 550451III堅硬巖，巖體較破碎；較堅硬巖或軟硬互層，巖體較完整；較軟巖，巖體完整450351IV堅硬巖，巖體破碎；較堅硬巖，巖體較破碎破碎；較軟巖或軟硬互層，且軟巖為主，巖體較完整較破碎；軟巖，巖體完整較完整350251V較軟巖，巖體破碎；軟巖，巖體較破碎破碎；全部極軟巖以及全部極破碎巖60 2.1 33 26.56050 2.11.5 3320 0.20.25III 26.524.5 5039 1.50.7 206 0.250.3IV 24.522.5 3927 0.70.2 61.3 0.30.35V 0.35本文設(shè)計的模型采用的二級巖體和五級巖體的物理力學(xué)參數(shù)選取的是表 2 參數(shù)中的高值，具體參數(shù)如表 3 所示。表 3.二級巖體和五級巖體物理力學(xué)參數(shù)抗剪強度巖體基本質(zhì)量等級重力密度（KN/m） 內(nèi)摩擦角 （）粘聚力C（MPa）變形模量E（GPa）泊松比 二級巖體 26.5 60 2.1 33 0.2五級巖體 22.5 27 0.2 1.3 0.352.計算及分析2.1 計算方法簡介本文采用的邊坡穩(wěn)定性分析的方法是基于 phase2 軟件的有限元法，利用 phase2 軟件對模擬的工程模型建立二維有限元模型，然后分別添加二級和五級巖體，定義不同的材料參數(shù)，然后通過軟件計算得出應(yīng)力、應(yīng)變和是塑性區(qū)等結(jié)果，再對得到的圖形和數(shù)據(jù)進行分析，然后得5出該邊坡是否穩(wěn)定的結(jié)論。Phase2 分析邊坡穩(wěn)定性有如下特點：1.三角形或四邊型等有限元網(wǎng)格的自動生成；2.多樣化的材料種類：Hoek-Brown、Mohr-Coulomb、Drucker-Prager 等多種材料模型；各向同性、橫觀各向同性等彈性材料模型；本文采用的是應(yīng)用比較廣泛的 Mohr-Coulomb 材料模型。3.支護形式錨桿（部分錨固，全部錨固，分離裝置，用戶自定義等）4.地下水有效孔隙水壓力分析；該軟件還具有很多其他方面的優(yōu)點，不一一列舉。圖 2. phase2 軟件的操作界面圖 2 即為 phase2 軟件的基本操作界面，根據(jù)工程實際測得參數(shù)對該軟件進行操作，即可得到分析邊坡穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)和圖像等。2.2 計算結(jié)果簡要分析2.2.1 二維有限元模型建立圖 4 為利用 phase2 軟件對本文的模型建立的二維有限元模型，灰色部分為材料性質(zhì)為五級巖體，黑色部分材料為二級巖體。模型采用有限元單元劃分方式為三角形劃分（其具體采用的劃分方式如圖 3 所示），共劃分 750 個三角形單元格，410 個節(jié)點。約束條件：模型上部為自然水平面，不考慮地面上的外加荷載，模型上部無約束條件，左右邊界約束水平位移，底部邊界固定。6圖 3.有限單元劃分方式圖 4.二維有限元模型2.2.2 計算結(jié)果2.2.2.1 基本情況分析本文中的結(jié)果分析均采用應(yīng)用較為廣泛的摩爾庫倫準(zhǔn)則（Mohr Coulomb）,計算得到應(yīng)力（ 和 ）、位移（水平位移、豎向位移及變形后的整體圖象）、塑性區(qū)等相應(yīng)的圖像13和數(shù)據(jù)。圖 5. 主應(yīng)力 分布圖1圖 5 為模型中主應(yīng)力 分布圖，由圖中應(yīng)力分布數(shù)據(jù)可以看出， 在坡面上是隨著坡面11的下降而不斷增大的，在二級和五級巖體中隨著深度的增加也不斷增大， 沿著五級巖體和7二級巖體接觸的結(jié)構(gòu)面隨著其下降先增大后減小， 在坡面拐角處應(yīng)力突然增大，出現(xiàn)應(yīng)力1集中現(xiàn)象，這也表明該模擬結(jié)果比較準(zhǔn)確。圖 6. 主應(yīng)力 分布圖3圖 6 為模型中主應(yīng)力 分布圖，由圖中應(yīng)力分布數(shù)據(jù)可以看出， 在坡面上是保持不變33的，符合實際情況，在二級和五級巖體中隨著深度的增加也不斷增大， 沿著五級巖體和二級巖體接觸的結(jié)構(gòu)面隨著其下降先增大后減小。圖 7. 水平位移分布圖圖 7 表示的為水平位移分布圖（Horizontal Displacement），由圖中水平位移分布數(shù)據(jù)可以看出，水平位移在坡面上是隨著坡面的下降先增大后減小的，坡面大概中部位置水平位移量最大，五級巖體和二級巖體接觸的結(jié)構(gòu)面水平位移基本為零，五級巖體內(nèi)部隨著深度增加水平位移量也是先增大后減小的，二級巖體部分水平位移量基本為零。因為二級巖體較堅硬，完整性8好，水平位移基本為零，而五級巖體由于較軟，塑性較強而發(fā)生較大的水平位移，符合工程實際情況。圖 8. 豎向位移分布圖圖 8 表示的為豎向位移分布圖（Vertical Displacement），由圖中豎向位移分布數(shù)據(jù)可以看出，豎向位移在坡面上是隨著坡面減小的，坡面頂部位置豎向位移量最大，五級巖體和二級巖體接觸的結(jié)構(gòu)面水平位移基本為零，五級巖體內(nèi)部隨著深度增加豎向位移量也是減小的，二級巖體部分豎向位移量基本為零。五級巖體沿著結(jié)構(gòu)面向下滑動，所以頂部豎向位移量最大，也表明該計算結(jié)果符合工程實際情況。圖 9.總位移分布圖圖 9 表示的是模型的整個變形量及變性后的形狀，由圖中可以看出，五級巖體的邊坡發(fā)生了很明顯的變形，其左上角邊界部分位移總量最大，整個五級巖體發(fā)生了較大滑動，與水平位9移和豎向位移圖分析的結(jié)果吻合，從圖形上也表明了該邊坡穩(wěn)定性較差。圖 10. 塑性區(qū)分布圖圖 10 表示的是整個模型的塑性區(qū)分布圖，由圖中可以看出，二級巖體基本上為塑性區(qū)，其變形量很大，五級巖體基本不發(fā)生變形，該圖也表明該邊坡穩(wěn)定性較差。2.3.2.2 添加等水位線情況分析圖 11.添加等水位線圖10圖 12.添加等水位線前后位移總量對比Phase2 軟件還能夠模擬巖體在不同等水位線的情況下邊坡的穩(wěn)定性情況，上圖是模擬添加等水位線后邊坡的穩(wěn)定性改變情況，圖 11 中藍色線條為等水位線。兩個小圖表示添加等水位線前后邊坡的整體位移情況，左圖為下雨前模型的整體位移情況，右圖為下雨后模型的整體位移情況。我們知道，下雨過后，巖體之間由于水的潤滑作用，相互之間的摩擦力減小，巖體之間較下雨前更容易產(chǎn)生滑動，導(dǎo)致巖體產(chǎn)生滑坡的概率增大，我們比較上圖也很容易發(fā)現(xiàn)，由于等水位線的增加右圖的邊坡整體位移較左圖增大，比較符合實際。3. 分析總結(jié)（1）本論文模型選用模擬材料為二級巖體和五級巖體，二級巖體材料部分巖體較堅硬，整體性較好，粘聚力、內(nèi)摩擦角和變形模量等參數(shù)較大，理論上該模型二級巖體穩(wěn)定性應(yīng)較好；五級巖體材料部分巖體較軟，巖體較破碎，粘聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)較小，該模型中五級巖體穩(wěn)定性應(yīng)較差。計算結(jié)果表明二級巖體位移變化量基本為零，五級巖體位移變化量很大，穩(wěn)定性較差，該計算結(jié)果也比較符合理論實際情況。（2）由該軟件模擬計算得到的圖型我們可以直觀地看到應(yīng)力、位移和塑性區(qū)等分布圖。在主應(yīng)力（ 和 ）的應(yīng)力分布圖中，由于巖體自重的影響，主應(yīng)力整體上是隨著深度的增加13不斷增大，圖 5 中還可以看到應(yīng)力集中現(xiàn)象，與我們在彈塑性力學(xué)所學(xué)到的知識相對應(yīng)；在位移（水平位移、豎向位移及變形后的整體圖象）分布圖中，我們可以看到模型不同位置的水平位移、豎直位移和總位移情況，模型中二級巖體整體上位移變化量為零，表明二級巖體比較穩(wěn)定，我們還可以觀察到五級巖體邊坡產(chǎn)生明顯滑動，表明該邊坡穩(wěn)定性較差；在塑性區(qū)分布圖中可以看到五級巖體基本上為塑性區(qū)，這也表明該邊坡穩(wěn)定性差。（3）