OptumG2工程实例：九州某高边坡稳定性分析

本项目主要对九州的某高边坡进行稳定性分析以及发生滑动对建筑物的影响，同时对边坡采取相应的支护措施，并对支护后的边坡稳定性进行分析。

在本次计算分析中，共计算了两个剖面：剖面2-2和剖面5-5，本文主要介绍剖面5-5。

1 剖面尺寸

剖面5-5的模型宽度为294.575m，高度为142.4m，岩土材料主要以片岩、马兰黄土、离石黄土和卵石为主，模型中添加荷载位置为房屋所在处，如图1.1所示为剖面5-5的初始模型。

图1.1 剖面5-5模型

对于原始边坡，采取了一定的支护措施，主要以施加锚杆锚索为主，支护后的模型如图1.2所示。

图1.2 剖面5-5支护后的模型

2  岩土参数

根据勘察报告可知，剖面5-5中出现了六种岩土材料：片岩、马兰黄土、离石黄土、卵石、粉土和素填土，分析时共分析了三种工况：天然工况、暴雨工况和地震工况。岩土层的相关岩土参数见下表2.1。

表2.1 岩土材料参数

注：

1、在建模时，岩土层采用的是Mohr-Coulomb模型，强度参数需要输入粘聚力和内摩擦角。

2、水平地震加速度为0.2g，那么软件中采用的为设计水平加速度，值为0.05g。

3  结构参数

在项目中，采用的支护结构包括挡土墙、锚杆、锚索和锚杆框架，建模时挡土墙采用的是重度为24kN/m³的刚体进行模拟，锚杆、锚索采用土工格栅和连接件来模拟（连接件与土体不起作用，只作为连接锚固段和板单元的作用），模拟框架采用的是重度为0的刚性板，具体结构参数见表3.1。

表3.1 结构单元参数

注：屈服力依据的是抗拉强度设计值360×10³kPa，刚度为杨氏模量E与截面面积A的乘积。

4  边界条件和网格划分

4.1 边界条件

在本次分析中，边界条件选用OptumG2默认标准边界条件，即模型左右边界限制x方向（水平方向）的位移，模型底边界同时限制x方向和z方向的位移。该边界条件也是有限元平面应变分析中最常用的边界条件。

进行边坡稳定性分析时，建模时必须将完整的坡面表达出来。尽管在本次分析中，拟分析区域处于边坡的上部，但采用上述的边界条件完全是合理的。

4.2 网格划分

在OptumG2中，可以采用网格自适应功能来便捷的划分网格，扇形网格，局部网格大小设置等等功能可以更加提高网格划分的质量。扇形网格主要用于多条线段相交的节点处，或者尖锐的节点处，这是对于局部尖端模型最常用、最合理的划分网格方式。

本次分析的网格划分如下图4.1所示，采用的网格单元数量为5000，同时使用了软件自带的网格自适应功能。

图4.1 剖面5-5网格划分效果图

5  破坏模式分析

作为OptumG2实用且强大的优势功能，破坏模式分析对了解边坡的破坏机制以及采用何种支护方式具有非常有意义的作用。进行破坏模式分析时，软件采用的是强度折减法，需要注意的是，OptumG2中的强度折减法的每一步都是极限分析。此外，强度折减法中是对实体，即对岩土体进行折减，对支护的结构单元（包括锚杆、板单元等）不进行折减。

5.1 天然工况

在天然工况下，剖面5-5的破坏模式如下图5.1所示，可以发现剖面的破坏模式稍微有点复杂，虽近似为圆弧滑动，但有一部分滑面是沿着马兰黄土和离石黄土层分界面的，最危险滑面主要处于马兰黄土层中。

通过强度折减法计算，得到的计算安全系数为1.063，说明5-5剖面在天然工况下的稳定状态为基本稳定。

图5.1 剖面5-5天然工况下的剪切耗散图

5.2 暴雨工况

在暴雨工况下，剖面5-5中的各岩土材料参数发生了一定的变化，得到的破坏模式如下图5.2所示，可以发现剖面的破坏模式与天然工况类似，稍微有点复杂，虽近似为圆弧滑动，但有一部分滑面是沿着马兰黄土和离石黄土层分界面的，最危险滑面主要处于马兰黄土层中。

通过强度折减法计算，得到的计算安全系数为0.9647，相比天然工况有了一定的减小，此时剖面的稳定状态为不稳定状态。

图5.2 剖面5-5暴雨工况下的剪切耗散图

5.3 地震工况

在地震工况下，对模型施加了横向体荷载，设定横向加速度大小为0.05g，剖面5-5的破坏模式如下图5.3所示，可以发现剖面的破坏模式与天然工况类似，稍微有点复杂，虽近似为圆弧滑动，但有一部分滑面是沿着马兰黄土和离石黄土层分界面的，最危险滑面主要处于马兰黄土层中。

通过强度折减法计算，得到的计算安全系数为0.9738，说明此时该剖面已经达到不稳定状态。

图5.3 剖面5-5地震工况下的剪切耗散图

5.4 支护后天然工况

对于剖面5-5，采用的支护方式为：在坡面上施加锚杆框架和锚杆，在天然工况下，支护后的剖面5-5的破坏模式如下图5.4所示，可以发现剖面的破坏模式为圆弧滑动，最危险滑面往下移动到片岩层中，贯穿整个边坡的土层，且滑面绕过了支护的锚杆锚索。

通过强度折减法进行计算，得到的计算安全系数为1.535，相比支护前，安全系数得到很大的增加，此时该剖面达到稳定状态。

图5.4 支护后的剖面5-5天然工况下的剪切耗散图

5.5 支护后暴雨工况

在暴雨工况下，支护后的剖面5-5的破坏模式如下图5.5所示，可以发现剖面的破坏模式与天然工况类似，为圆弧滑动，最危险滑面同样主要位于片岩层中，贯穿边坡的所有土层，且滑面绕过了支护的锚杆锚索。

通过强度折减法进行计算，得到的计算安全系数为1.507，相比支护前，安全系数得到很大的增加，此时该剖面达到稳定状态。

图5.5 支护后的剖面5-5暴雨工况下的剪切耗散图

5.6 支护后地震工况

在地震工况下，支护后的剖面5-5的破坏模式如下图5.6所示，可以发现剖面的破坏模式与天然工况类似，为圆弧滑动，最危险滑面同样主要位于片岩层中，贯穿边坡的所有土层，且滑面绕过了支护的锚杆锚索。

通过强度折减法进行计算，得到的计算安全系数为1.383，相比支护前，安全系数得到很大的增加，此时该剖面达到稳定状态。

图5.6 支护后的剖面5-5地震工况下的剪切耗散图

6  变形分析

对于本项目，除了对剖面的破坏模式和稳定性进行分析之外，同时采用弹塑性分析，对坡面模型的整体变形进行了分析。

对于剖面5-5，分别对初始坡面和支护后的剖面在天然工况、暴雨工况和地震工况下进行了弹塑性分析，分析得到了模型的整体变形情况。

6.1 天然工况

对剖面5-5天然工况下进行弹塑性分析，得到最大应力为2390 kPa，应变值很小，最大应变仅仅为0.1069，最大变形位移为22.9 mm，如图6.1所示即为剖面5-5在天然工况下的变形云图，变形位置主要位于剖面上部的马兰黄土层中。

图6.1 剖面5-5天然工况下的变形云图

6.2 暴雨工况

在暴雨工况下，剖面5-5中的各岩土材料参数发生了一定的变化。

由5.2所知，剖面5-5在暴雨工况下的安全系数为0.9647，此时边坡处于不稳定状态，即边坡已经发生破坏，因此这种情况下计算变形结果是不收敛的，故本节不多加讨论。

6.3 地震工况

在地震工况下，对模型施加横向体荷载，设定横向加速度大小为0.05g。

由5.3所知，剖面5-5在地震工况下的安全系数为0.9738，此时边坡处于不稳定状态，即边坡已经发生破坏，因此这种情况下计算变形结果是不收敛的，故本节不多加讨论。

6.4 支护后天工况

对于剖面5-5，采用的支护方式为：在坡面上施加锚杆框架和锚杆。对剖面5-5天然工况下进行弹塑性分析，得到最大应力为2417 kPa，应变值很小，最大应变变为3.466×10^-2，最大变形位移为18.7 mm，如图6.2所示即为支护后的剖面5-5在天然工况下的变形云图，变形位置主要位于剖面上部的马兰黄土和离石黄土层中。

图6.2 支护后的剖面5-5天然工况下的变形云图

6.5 支护后暴雨工况

对剖面5-5暴雨工况下进行弹塑性分析，得到最大应力为2437 kPa，应变值很小，最大应变仅仅为4.651×10^-2，最大变形位移为33.8 mm，如图6.3所示即为支护后的剖面5-5在暴雨工况下的变形云图，变形位置主要位于剖面上部的马兰黄土和离石黄土层中。

图6.3 支护后的剖面5-5暴雨工况下的变形云图

6.6 支护后地震工况

对剖面5-5地震工况下进行弹塑性分析，得到最大应力为2417 kPa，应变值相比天然工况增大很多，最大应变为0.1489，最大变形位移为61.2 mm，如图6.4所示即为支护后的剖面5-5在地震工况下的变形云图，变形位置主要位于剖面上部的马兰黄土和离石黄土层中。

图6.4 支护后的剖面5-5地震工况下的变形云图

7  结论

本文主要对剖面5-5的初始剖面和支护后的剖面进行了分析，并同时考虑了天然工况、暴雨工况和地震工况，不仅采用强度折减法对剖面的破坏模式以及稳定性进行了分析，也采用弹塑性法对剖面的整体变形进行了分析，得到的结果汇总如下表7.1所示： 

表7.1 计算结果汇总表

由计算结果可知：

1、初始剖面5-5，初始稳定性都存在一定的风险，特别是在暴雨工况和地震工况下，因此需要对其采取相应的支护措施；

2、支护后的剖面，稳定性得到了很大程度的增强，不管是在天然工况、暴雨工况，还是地震工况下，都可以达到稳定状态，因此采取的支护措施是可行的；

3、采取支护措施之后，剖面的变形情况良好，可以避免因边坡失稳对边坡上的房屋造成的损害。

4、对于剖面5-5，支护后的剖面稳定性较好，可以考虑将锚索的铺设密度调小一点，看看支护效果。