1論文題目: P hase2在 邊 坡 分 析 中 的 應 用團隊成員：祝 凱 徐 振 峰 陳 鳳 張 楊 蔣 宏 偉專業班級： 地 質 工 程 實 驗 班 指導教師： 胡 斌 學 院 ： 工 程 學 院 提交日期： 2012年 10月 8日 2Phase2在邊坡分析中的應用祝凱 ， 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定性分析上面的應用，通過建立簡單的模型，利用數值模擬軟件 phsae2 對模型進行穩定性分析，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定性上比傳統方法更為簡單、精確，其分析結果對處理實際的邊坡工程問題具有一定的指導意義。關鍵詞：有限元；穩定性；邊坡；數值模擬；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 引言山區鐵路與公路的建設、深基坑的開挖都會在一定程度上破壞和擾動原來較為穩定的巖土體而形成人工邊坡,由此引起的邊坡穩定性問題也不斷增多。因此正確合理地選用邊坡穩定性研究方法對邊坡工程實際有著至關重要的意義。有限元法是邊坡穩定性分析常用的一種方法，有限元法把巖體當作變形體，按照巖體的變形特性，計算巖體內的應力分布，然后再根據 摩爾-庫倫強度理論，驗算邊坡的整體抗滑穩定性。有限元的數值分析方法主要利用數值計算軟件對邊坡開挖、支護過程進行模擬，計算精度較高，應用較為廣泛。本文主要是介紹利用phase2軟件對邊坡進行穩定性分析。Phase2是一款適用于地面和地表開挖、回填、設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，包括脆弱巖體的復雜隧道問題、地下發電站、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可以對邊坡穩定進行有限元分析，它對于開挖產生的應力和變形均可以進行詳細的計算及結果輸出。1. 計算模型設計1.1 模型概要設計本文采用的計算模型是根據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構面呈折線型。邊坡采用模擬材料是根據工程巖體分級標準（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國家標準確定，參考資料為工程巖體分級標準，巖體基本質量參數是根據巖體基本質量的特征進行的定性分類，其標準如表 1 所示。表 1.巖體基本質量分級基本質 量級別 巖體基本質量定性特征巖體基本質量指標（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本文設計的模型采用的二級巖體和五級巖體的物理力學參數選取的是表 2 參數中的高值，具體參數如表 3 所示。表 3.二級巖體和五級巖體物理力學參數抗剪強度巖體基本質量等級重力密度（KN/m） 內摩擦角 （）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，然后通過軟件計算得出應力、應變和是塑性區等結果，再對得到的圖形和數據進行分析，然后得5出該邊坡是否穩定的結論。Phase2 分析邊坡穩定性有如下特點：1.三角形或四邊型等有限元網格的自動生成；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，根據工程實際測得參數對該軟件進行操作，即可得到分析邊坡穩定性的數據和圖像等。2.2 計算結果簡要分析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 計算結果2.2.2.1 基本情況分析本文中的結果分析均采用應用較為廣泛的摩爾庫倫準則（Mohr Coulomb）,計算得到應力（ 和 ）、位移（水平位移、豎向位移及變形后的整體圖象）、塑性區等相應的圖像13和數據。圖 5. 主應力 分布圖1圖 5 為模型中主應力 分布圖，由圖中應力分布數據可以看出， 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構面隨著其下降先增大后減小， 在坡面拐角處應力突然增大，出現應力1集中現象，這也表明該模擬結果比較準確。圖 6. 主應力 分布圖3圖 6 為模型中主應力 分布圖，由圖中應力分布數據可以看出， 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構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據可以看出，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構面水平位移基本為零，五級巖體內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據可以看出，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構面水平位移基本為零，五級巖體內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。五級巖體沿著結構面向下滑動，所以頂部豎向位移量最大，也表明該計算結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，整個五級巖體發生了較大滑動，與水平位9移和豎向位移圖分析的結果吻合，從圖形上也表明了該邊坡穩定性較差。圖 10. 塑性區分布圖圖 10 表示的是整個模型的塑性區分布圖，由圖中可以看出，二級巖體基本上為塑性區，其變形量很大，五級巖體基本不發生變形，該圖也表明該邊坡穩定性較差。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定性情況，上圖是模擬添加等水位線后邊坡的穩定性改變情況，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生滑動，導致巖體產生滑坡的概率增大，我們比較上圖也很容易發現，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（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、內摩擦角和變形模量等參數較大，理論上該模型二級巖體穩定性應較好；五級巖體材料部分巖體較軟，巖體較破碎，粘聚力和內摩擦角等參數較小，該模型中五級巖體穩定性應較差。計算結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，穩定性較差，該計算結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力、位移和塑性區等分布圖。在主應力（ 和 ）的應力分布圖中，由于巖體自重的影響，主應力整體上是隨著深度的增加13不斷增大，圖 5 中還可以看到應力集中現象，與我們在彈塑性力學所學到的知識相對應；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定，我們還可以觀察到五級巖體邊坡產生明顯滑動，表明該邊坡穩定性較差；在塑性區分布圖中可以看到五級巖體基本上為塑性區，這也表明該邊坡穩定性差。（3）