phase2在边坡分析中的应用

1论文题目: P hase2在 边 坡 分 析 中 的 应 用团队成员：祝 凯 徐 振 峰 陈 凤 张 杨 蒋 宏 伟专业班级： 地 质 工 程 实 验 班 指导教师： 胡 斌 学 院 ： 工 程 学 院 提交日期： 2012年 10月 8日 2Phase2在边坡分析中的应用祝凯 ， 徐振峰 ， 陈凤 , 张杨 , 蒋宏伟摘要：本文主要是介绍有限元法的原理在边坡稳定性分析上面的应用，通过建立简单的模型，利用数值模拟软件 phsae2 对模型进行稳定性分析，模拟出边坡模型的各种变形和滑坡的情况。这种方法在分析边坡稳定性上比传统方法更为简单、精确，其分析结果对处理实际的边坡工程问题具有一定的指导意义。关键词：有限元；稳定性；边坡；数值模拟；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 引言山区铁路与公路的建设、深基坑的开挖都会在一定程度上破坏和扰动原来较为稳定的岩土体而形成人工边坡,由此引起的边坡稳定性问题也不断增多。因此正确合理地选用边坡稳定性研究方法对边坡工程实际有着至关重要的意义。有限元法是边坡稳定性分析常用的一种方法，有限元法把岩体当作变形体，按照岩体的变形特性，计算岩体内的应力分布，然后再根据 摩尔-库伦强度理论，验算边坡的整体抗滑稳定性。有限元的数值分析方法主要利用数值计算软件对边坡开挖、支护过程进行模拟，计算精度较高，应用较为广泛。本文主要是介绍利用phase2软件对边坡进行稳定性分析。Phase2是一款适用于地面和地表开挖、回填、设计和计算的二维弹塑性有限元分析软件 。它可以广泛的用于工程项目中，包括脆弱岩体的复杂隧道问题、地下发电站、露天采矿挖掘以及岩体或土壤上的斜坡。采用强度折减法，Phase2可以对边坡稳定进行有限元分析，它对于开挖产生的应力和变形均可以进行详细的计算及结果输出。1. 计算模型设计1.1 模型概要设计本文采用的计算模型是根据工程常见的实例进行简化而后得到的，其模型用 AutoCAD 软件绘制如图 1 所示。3图 1.模拟模型整个模型下部长 50m,高为 35m，边坡坡角为 40，由于五级岩体完整性较差，其与二级岩体接触的结构面呈折线型。边坡采用模拟材料是根据工程岩体分级标准（Standard for engineering classification of rock masses）选取，中部选用的是二级岩体，左上角选用的是五级岩体。1.2 材料确定边坡采用的模拟材料是根据国家标准确定，参考资料为工程岩体分级标准，岩体基本质量参数是根据岩体基本质量的特征进行的定性分类，其标准如表 1 所示。表 1.岩体基本质量分级基本质 量级别 岩体基本质量定性特征岩体基本质量指标（BQ）I 坚硬岩，岩体完整 550II 坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整 550451III坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整450351IV坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎破碎；较软岩或软硬互层，且软岩为主，岩体较完整较破碎；软岩，岩体完整较完整350251V较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎破碎；全部极软岩以及全部极破碎岩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本文设计的模型采用的二级岩体和五级岩体的物理力学参数选取的是表 2 参数中的高值，具体参数如表 3 所示。表 3.二级岩体和五级岩体物理力学参数抗剪强度岩体基本质量等级重力密度（KN/m） 内摩擦角 （）粘聚力C（MPa）变形模量E（GPa）泊松比 二级岩体 26.5 60 2.1 33 0.2五级岩体 22.5 27 0.2 1.3 0.352.计算及分析2.1 计算方法简介本文采用的边坡稳定性分析的方法是基于 phase2 软件的有限元法，利用 phase2 软件对模拟的工程模型建立二维有限元模型，然后分别添加二级和五级岩体，定义不同的材料参数，然后通过软件计算得出应力、应变和是塑性区等结果，再对得到的图形和数据进行分析，然后得5出该边坡是否稳定的结论。Phase2 分析边坡稳定性有如下特点：1.三角形或四边型等有限元网格的自动生成；2.多样化的材料种类：Hoek-Brown、Mohr-Coulomb、Drucker-Prager 等多种材料模型；各向同性、横观各向同性等弹性材料模型；本文采用的是应用比较广泛的 Mohr-Coulomb 材料模型。3.支护形式锚杆（部分锚固，全部锚固，分离装置，用户自定义等）4.地下水有效孔隙水压力分析；该软件还具有很多其他方面的优点，不一一列举。图 2. phase2 软件的操作界面图 2 即为 phase2 软件的基本操作界面，根据工程实际测得参数对该软件进行操作，即可得到分析边坡稳定性的数据和图像等。2.2 计算结果简要分析2.2.1 二维有限元模型建立图 4 为利用 phase2 软件对本文的模型建立的二维有限元模型，灰色部分为材料性质为五级岩体，黑色部分材料为二级岩体。模型采用有限元单元划分方式为三角形划分（其具体采用的划分方式如图 3 所示），共划分 750 个三角形单元格，410 个节点。约束条件：模型上部为自然水平面，不考虑地面上的外加荷载，模型上部无约束条件，左右边界约束水平位移，底部边界固定。6图 3.有限单元划分方式图 4.二维有限元模型2.2.2 计算结果2.2.2.1 基本情况分析本文中的结果分析均采用应用较为广泛的摩尔库伦准则（Mohr Coulomb）,计算得到应力（ 和 ）、位移（水平位移、竖向位移及变形后的整体图象）、塑性区等相应的图像13和数据。图 5. 主应力 分布图1图 5 为模型中主应力 分布图，由图中应力分布数据可以看出， 在坡面上是随着坡面11的下降而不断增大的，在二级和五级岩体中随着深度的增加也不断增大， 沿着五级岩体和7二级岩体接触的结构面随着其下降先增大后减小， 在坡面拐角处应力突然增大，出现应力1集中现象，这也表明该模拟结果比较准确。图 6. 主应力 分布图3图 6 为模型中主应力 分布图，由图中应力分布数据可以看出， 在坡面上是保持不变33的，符合实际情况，在二级和五级岩体中随着深度的增加也不断增大， 沿着五级岩体和二级岩体接触的结构面随着其下降先增大后减小。图 7. 水平位移分布图图 7 表示的为水平位移分布图（Horizontal Displacement），由图中水平位移分布数据可以看出，水平位移在坡面上是随着坡面的下降先增大后减小的，坡面大概中部位置水平位移量最大，五级岩体和二级岩体接触的结构面水平位移基本为零，五级岩体内部随着深度增加水平位移量也是先增大后减小的，二级岩体部分水平位移量基本为零。因为二级岩体较坚硬，完整性8好，水平位移基本为零，而五级岩体由于较软，塑性较强而发生较大的水平位移，符合工程实际情况。图 8. 竖向位移分布图图 8 表示的为竖向位移分布图（Vertical Displacement），由图中竖向位移分布数据可以看出，竖向位移在坡面上是随着坡面减小的，坡面顶部位置竖向位移量最大，五级岩体和二级岩体接触的结构面水平位移基本为零，五级岩体内部随着深度增加竖向位移量也是减小的，二级岩体部分竖向位移量基本为零。五级岩体沿着结构面向下滑动，所以顶部竖向位移量最大，也表明该计算结果符合工程实际情况。图 9.总位移分布图图 9 表示的是模型的整个变形量及变性后的形状，由图中可以看出，五级岩体的边坡发生了很明显的变形，其左上角边界部分位移总量最大，整个五级岩体发生了较大滑动，与水平位9移和竖向位移图分析的结果吻合，从图形上也表明了该边坡稳定性较差。图 10. 塑性区分布图图 10 表示的是整个模型的塑性区分布图，由图中可以看出，二级岩体基本上为塑性区，其变形量很大，五级岩体基本不发生变形，该图也表明该边坡稳定性较差。2.3.2.2 添加等水位线情况分析图 11.添加等水位线图10图 12.添加等水位线前后位移总量对比Phase2 软件还能够模拟岩体在不同等水位线的情况下边坡的稳定性情况，上图是模拟添加等水位线后边坡的稳定性改变情况，图 11 中蓝色线条为等水位线。两个小图表示添加等水位线前后边坡的整体位移情况，左图为下雨前模型的整体位移情况，右图为下雨后模型的整体位移情况。我们知道，下雨过后，岩体之间由于水的润滑作用，相互之间的摩擦力减小，岩体之间较下雨前更容易产生滑动，导致岩体产生滑坡的概率增大，我们比较上图也很容易发现，由于等水位线的增加右图的边坡整体位移较左图增大，比较符合实际。3. 分析总结（1）本论文模型选用模拟材料为二级岩体和五级岩体，二级岩体材料部分岩体较坚硬，整体性较好，粘聚力、内摩擦角和变形模量等参数较大，理论上该模型二级岩体稳定性应较好；五级岩体材料部分岩体较软，岩体较破碎，粘聚力和内摩擦角等参数较小，该模型中五级岩体稳定性应较差。计算结果表明二级岩体位移变化量基本为零，五级岩体位移变化量很大，稳定性较差，该计算结果也比较符合理论实际情况。（2）由该软件模拟计算得到的图型我们可以直观地看到应力、位移和塑性区等分布图。在主应力（ 和 ）的应力分布图中，由于岩体自重的影响，主应力整体上是随着深度的增加13不断增大，图 5 中还可以看到应力集中现象，与我们在弹塑性力学所学到的知识相对应；在位移（水平位移、竖向位移及变形后的整体图象）分布图中，我们可以看到模型不同位置的水平位移、竖直位移和总位移情况，模型中二级岩体整体上位移变化量为零，表明二级岩体比较稳定，我们还可以观察到五级岩体边坡产生明显滑动，表明该边坡稳定性较差；在塑性区分布图中可以看到五级岩体基本上为塑性区，这也表明该边坡稳定性差。（3）