工程所在地位于深圳某片区北部。该片区规划用地1.10km2, 规划将充分利用片区地形四周高中间低的特点, 在相对平坦的山坳建设居住组团, 利用中间绵延的自然山体形成居住区中心公园。该工程红线范围内将布置12层住宅楼10栋、15层住宅楼2栋、21层住宅楼5栋。建筑物地面标高大致根据地形确定, 标高为67.4~102.4m, 形成多级台阶。除住宅外, 红线内配套小区道路和绿化用地。红线范围外东侧同样规划为住宅小区, 其它3边为基本生态控制区, 将保持山体原貌, 见图1。
根据收集的资料及现场踏勘调查, 场地地质环境条件如下:评估区现状地质灾害为崩塌, 地貌类型为低丘陵, 地形坡度平均27°, 地形地貌复杂程度属中等, 地层岩性单一, 地质构造中等, 地震基本烈度VII度, 区域地壳基本稳定, 岩体为块状构造, 岩土体工程地质性质简单, 水文地质条件简单, 人类工程活动破坏地质环境程度弱。
边坡格构加固技术特别适用于坡度较陡、坡体岩土均匀且坚硬的滑坡。根据场地地质条件, 本工程采用钢筋混凝土格构加固边坡。
钢筋混凝土格构加固技术是利用钢筋混凝土进行边坡坡面支护, 将边坡坡体的剩余下滑力分配给格构节点处的锚杆或锚索, 然后通过锚杆或锚索传递给稳定地层, 从而使边坡坡体在由锚杆或锚索提供的锚固力的作用下处于稳定状态。
预应力锚索, 一方面可直接在滑面上产生抗滑阻力, 另一方面通过增大滑面上的正应力来增大抗滑摩擦阻力, 从而提高边坡岩土的整体性和稳定性。
本工程预应力锚索采用直径12.7的高强度钢铰线, 其坡面间距和纵向间距均为5m, 钢铰线长度均为15m, 锚入微风化岩内, 锚索轴向抗拉承载力标准值为162k N, 初始应变为-0.0062067。
各地层岩土强度参数见表1。
根据场地标高, 确定边坡开挖支护范围如图2所示。
选择4个典型剖面进行计算分析, 见图3。
将模型简化为平面应变问题, 采用ANSYS提供的Plane42单元模拟土体, Beam3单元模拟格构, LINK1单元模拟预应力锚索。
ANSYS提供单元生死功能, 可以用于模拟分步施工过程。对于边坡, 开始材料是存在的, 即单元开始都处于“生”的状态, 而后会经历部分单元的不断“杀死”———部分土体被挖除, 同时也伴随部分单元被激活———锚杆和格构施工。
创建生死单元组, 通过设置生死单元组和荷载步来模拟边坡开挖及支护结构施工, 计算边坡土体在天然状态下和饱水状态下的应力、应变、位移、塑性区分布及发展。
对于边坡问题而言, 土体的屈服主要是由于剪切因素造成的, 因而Mohr-Column准则是最适用于边坡问题计算的, 但ANSYS中针对土体的塑性屈服准则只有Druck-Prager准则, 该准则不太适用于边坡问题的计算。本文将通过弹性模型来计算滑体的位移和应力场, 然后通过定义单元表的形式将MohrColumn准则引入, 并对各个单元的屈服状态进行判断, 从而得到满足Mohr-Column准则的边坡塑性区分布图。
土体中任何一点的应力状态可以用Mohr圆表示, 见图4。
图中:AB=c×cosφ;BE= (σ1+σ3) /2.0;DE= (AB+BE) ×sinφ=sinφ (c×ctgφ+ (σ1+σ3) /2.0) =c×cosφ (σ1+σ3) ×sinφ/2.0
根据Mohr-Column准则, 当应力圆圆心与τ=σtanφ+c线的距离大于c×cosφ (σ1+σ3) ×sinφ/2.0时, 土体处于屈服状态。
用ANSYS命令流计算土体塑性区分布:
按照施工顺序, 计算各步土体开挖、锚杆张拉后的应力、应变、位移及塑性区分布。
求解完成后, 读入第一步计算结果, 考查开挖前饱水状态下该边坡的稳定性。按照饱水后的物理量的改变值, 开挖前在自重作用下的边坡位移及塑性区云图见图5、图6。可以看出, 在饱水状态下, 滑体处于屈服状态, 且有较大位移, 这与现场存在崩塌现象吻合。
随着土体开挖、锚杆和格构的施工, 土体内各点的位移、剪应力、剪应变、塑性区以及锚杆、格构内力都在变化。以图3 (4) 剖面最后一个施工步为例, 图7、图8为其位移和塑性区分布状况。
最终的锚杆内力见图9, 格构剪力、弯矩分别见图10、11。
可以看出, 在饱水状态下, 滑体的左上角局部仍然处于屈服状态, 但滑体的右下角部分在格构、锚杆的约束下处于稳定状态, 阻止了滑体的进一步发展。
本文用ANSYS分析土体各点在各阶段的应力、应变, 并根据Mohr-Column准则判断土体内各点的屈服状态, 从而给出各阶段的塑性分布区。通过定义荷载步和生死单元来模拟施工步骤和土体参数的变化, 从而最真实地反应了边坡土体内各点、格构、锚杆在各阶段的变形和受力状况, 对于指导施工和监测有着重要意义。
摘要：边坡的稳定性受其形成过程的应力 (应变) 历史的影响, 而常用的极限平衡条分法难以对此进行有效分析。本文用ANSYS模拟了边坡支护的施工过程, 从微观上阐述土质边坡失稳破坏机理, 并给出各开挖步边坡的位移、锚杆拉力等物理量的变化, 指导工程人员进行现场边坡稳定性控制。
关键词：边坡,格构支护,ANSYS,荷载步,塑性区
[1] 李围.ANSYS土木工程应用实例[M].
[2] 易日.使用ANSYS6.1进行结构力学分析[M].
[3] 恭曙光.ANSYS基础应用及范例解析[M].
[4] 建筑边坡工程技术规范 (GB50330-2002) [S], 北京;中国建筑工业出版社, 2002.
[5] 混凝土结构设计规范 (GB50010-2002) [S], 北京;中国建筑工业出版社, 2002.
推荐阅读：
论高边坡综合处治在某高速公路段的应用分析09-13
TDR技术在公路边坡监测中的应用试验09-11
边坡勘查技术在水利水电工程中的应用09-10
桩基托梁挡土墙在填方边坡支护工程中的应用09-10
边坡支护技术在土木工程施工中的分析05-10
山体边坡支护与稳定性分析09-13
