第３６卷第３Ｏ期 ２ ０ １ ０年１ ０月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏｌ＿３６ Ｎｏ．３０ Ｏｃｔ．２０１０ ・１０９・ 文章编号：１００９—６８２５（２０１０）３０—０１０９—０２ 不同边坡稳定分析软件的实例计算比较 高同玉 雷 刚 施铁军 摘要：基于极限平衡理论和有限元强度折减理论，选取某一土质边坡实例为研究对象，分别采用理正边坡稳定分析软 件、ＷｉｎＳｔａｂｌ软件、Ｐｌａｘｉｓ软件和ＡＮＳＹＳ软件对其进行稳定性分析，得到了相关的分析结果，并对结果进行比较，得出了 各软件的应用效果。 关键词：边坡稳定，Ｐｌａｘｉｓ，ＡＮＳＹＳ 中图分类号：ＴＵ４７１ 文献标识码：Ａ ０ 引言 边坡失稳是生态环境和工程建设中经常遇到的广泛且严重 件。其计算理论也是基于极限平衡法，可以算多层地下水、边界 荷载、锚杆荷载、加筋荷载、地震荷载以及有滑动等情况，也 的地质灾害之一，给人民的生命财产和经济建设带来了巨大的损 可以计算各向同性以及各向异性的情况；可以计算指定破坏面、也可以计算楔块滑动，所采用的方法有： 失。如何保证边坡的稳定性对于防灾减灾和工程建设的安全具 圆弧环规则的滑动面，有重要的现实意义。 目前对于边坡稳定性的分析，针对土质边坡和岩质边坡有不 同的分析方法。限于篇幅，本文主要探讨土质边坡的稳定计算问 圆弧滑面（Ｊａｎｂｕ法）、圆弧滑面（修正Ｂｉｓｈｏｐ法）、任意形状滑面 （Ｊａｎｂｕ法）以及Ｓｐｅｎｃｅｒ法。 Ｐｌａｘｉｓ是荷兰的Ｄｅｌｆｔ大学研制的岩土工程有限元软件Ｌ２』， ａｘｉｓ可分析岩土工程学中２Ｄ和３Ｄ的变形，稳定性以及地下水 题。目前对于土质边坡的定量稳定分析有较多的分析软件和分 Ｐｌ／Ｃ折减法，土体采用Ｍｏｈｒ－ 析方法，本文选取理正边坡稳定分析软件、ＷｉｎＳｔａｂｌ软件、Ｐｌａｘｉｓ 渗流等。对于边坡稳定采用的是ＰｈｉＣｏｕｌｏｍｂ理想弹塑性模型（简称Ｍ—Ｃ）。Ｍ—Ｃ准则在主应力空 软件及ＡＮＳＹＳ软件对同一边坡进行分析，计算理论主要基于极 间的屈服面为不规则的六角形截面的角锥体表面，在Ⅱ平面上的 限平衡理论和有限元强度折减理论。 ＡＮＳＹＳ软件｜３ Ｊ是由世界上最大的有限元分析软件公司之一 理正边坡稳定分析软件和ＷｉｎＳｔａｂｌ软件对于边坡稳定的计 的美国ＡＮＳＹＳ开发，融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体 算主要基于传统的极限平衡理论，Ｐｌａｘｉｓ和ＡＮＳＹＳ有限元软件，在 的大型通用有限元分析软件。对于土木工程而言，可以进行结构 进行边坡稳定分析时，主要是采用强度折减法计算稳定系数。 的静力分析、非线性分析（几何非线性、材料非线性及状态非线 １相关理论和软件概述 图形为不等角六边形。 极限平衡方法＿１ 又称条分法，是将滑动土体竖直分成若干土 条，把土条当成刚体，分别求作用于各土条上的力对圆心的滑动 性）、动力学分析（模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析及谱分 析）、热分析及流体力学分析等。对于边坡稳定分析可以采用点 力矩和抗滑力矩，然后按下式求土坡的稳定安全系数 ， ＝ 安全系数等值线法和强度折减有限元法。本文计算实例采用的 抗滑力矩一ＭＲ 是强度折减有限元法。土体弹塑性模型采用Ｄｒｕｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ准则 滑动力矩Ｍｓ。 根据对条问力假定的不同，分别有不同的方法，如假定条间 力的大小与方向的毕肖普法（Ｂｉｓｈｏｐ法）和瑞典条分法（Ｆｅｌｌｅｎｉｕｓ 条分法）；假定条间力的作用方向的不平衡推力传递法；假定条间 力的作用点位置的简布法（Ｊａｎｂｕ法）等。 （简称Ｉ）＿一Ｐ准则）。【）＿一Ｐ准则在主应力空间的屈服面为光滑圆 锥面，在Ⅱ平面上的图形为圆形，表述极其简单且数值计算效率 很高。 ２边坡稳定计算实例 有限元分析采用的强度折减法ｌ１ｊ，其基本原理是将边坡强度 ２．１计算模型及相关参数 计算模型的几何尺寸见图１。 参数粘聚力Ｃ和内摩擦角 同时除以一个折减系数Ｆ，得到一组 新的ｃ ， 。然后作为一组新的材料参数输入，再进行试算。当 计算不收敛时，对应的Ｆ被称为边坡的最小安全系数，此时边坡 达到极限状态，发生剪切破坏，同时可得到临界滑动面。 理正边坡稳定分析软件是北京理正软件公司开发的面向各 个行业，能够处理各种复杂情况的通用边坡稳定分析系统。向用 户提供三种计算方法：瑞典条分法、简化Ｂｉｓｈｏｐ法及Ｊａｎｈｕ法，可 以进行有效应力或总应力条件下的稳定分析。滑裂面可以是任 意形状，或者曲线的任意组合。可以考虑复杂的外部荷载作用和 边坡加固措施，尽可能反映边坡的实际受力情况。 ＷｉｎＳｔａｂｌ是美国Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ大学Ｍａｄｉｓｏｎ分校的Ｐｅｔｅｒ Ｊ．Ｂｏｓｓ— 图１ 边坡断面图（单位：ｍ） 土的参数及边界条件： 土的密度、粘聚力与内摩擦角分别为：ＩＤ＝１ ８２７ ｋｇ／ｍ３，Ｃ ＝５。，剪胀角为０ｏ；变形模量与泊松比为Ｅ＝２０ ＭＰａ，ｖ ｃｈｅｒ和Ｈｕｓｅｙｉｎ Ｂｅｋｔａｓ采用ＦＯＲＴＲＡＮ编制的边坡稳定分析软 １０ ｋＰａ，收稿日期：２０１０—０７ ０５ 作者简介：高同玉（１９８２一），男，助理工程师，中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦１２４０１０ 雷［￣１］（１９６７一），男，高级工程师，一级注册结构工程师，中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦￣（１９７１一），男，高级工程师，一级注册结构工程师，中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦１２４０１０ １２４０１０ ・ｌ１０・ １ １ｎ． ２第 卷 ３ ０ １ ０年１ ０月０暂 山 西 建 筑 Ｐｌａｘｉｓ有限元网格和变形后的网格如图５，图６所示。 ０．３。边坡右侧和坡角左侧均为水平约束边界条件，底面为全部 固定边界条件。对于这一天然边坡，外荷载仅为重力，不考虑地 下水的影响。 ２．２各软件计算结果 １）理正软件的模型如图２所示。 十＿———————７＿————— 图６ Ｐｌａｘｉｓ变形后的网格 ４）ＡＮＳＹＳ分析结果［４ｌ。 该边坡稳定的ＡＮＳＹＳ分析已有专门的文献论述，详见文献 图２理正计算模型图 ［４］，这里为了方便比较，摘录部分结果如下： 他 Ｂ ＢＢＨＨＨＨ ＡＮＳＹＳ计算得到的稳定系数：１．７。 嘧 由位移云图和等效塑性应变云图可以看出，随着强度折减系 数的增加，边坡的 方向最大位移随之增大，且边坡的等效塑性 Ｌ Ｌ ＬＬ ＬＬＬ 采用理正条分法得到的稳定系数为１．１３８，采用简化Ｂｉｓｈｏｐ 法和Ｊａｎｂｕ法得到相同的稳定系数都是１．１８。 ２）ＷｉｎＳｔａｂ１分析结果。 采用Ｊａｎｂｕ法分析结果：稳定系数１．１２，滑动面如图３所示， 应变从边坡底部移动至边坡上部，且在边坡即将发生破坏时即 最危险的滑动面为实线所示。采用简化Ｂｉｓｈｏｐ法分析结果：稳定 Ｆ＝１．７时，这条等效塑性带贯穿这个边坡，且经过坡脚。这也是 系数１．１８，滑动面如图４所示，最危险的滑动面为实线所示。 边坡即将破坏的重要标志。 ２．３ 小结 上述软件的计算结果如表１所示。 表１各软件计算得到的稳定系数 方法 理正软件 ＷｉｎＳｔａｂｌ Ｐｌａ ｓ Ａ］ 条分法肺化Ｂ曲ｏｐ Ｊａｎｂｕ 化Ｈ ０ｐ Ｊａｆ 法 强度折减法 强度折减法 稳定系数 １ １３８ ｌ １８ １ １８ １ １２ １ １８ １ １３ １ ７ 通过表１可以发现，前３种软件的计算结果数值比较接近， 而 图３ Ｊａｎｂｕ法滑动面 ＳａｆｅｔｙＦａｃｔｍｓ ．ＹＳ分析的结果偏大。 ３结论与建议 １ ｌ８ １．１８ １ １９ １．１９ １ １９ １ １９ １．２ｏ １．加 １．２０ １ ２ｏ 通过以上分析，可以得出如下结论： １）采用基于极限平衡理论的分析方法得到的边坡稳定系数 相差不大。 ２）虽然Ｐｌａｘｉｓ和ＡＮＳＹＳ都是采用强度折减法计算稳定系 数，但是二者采用的土体本构模型不同，前者采用的是Ｍ—Ｃ本 构，而后者是Ｉ）＿一Ｐ本构，使得计算结果也有一定的差异。 ３）应用有限元软件计算边坡稳定时，Ｐｌａｘｉｓ的计算结果与传 统的极限平衡理论较为接近，而ＡＮＳＹＳ计算稳定系数偏大，应用 时要引起注意。 图４简化Ｂｉｓｈｏｐ法滑动面 ３）Ｐｌａｘｉｓ分析结果。 Ｐｌａｘｉｓ计算得到的稳定系数：１．１３。 参考文献： ［１】陈祖煜．土质边坡稳定分析［Ｍ］．北京：水利水电出版社， ■ ２００３：１． ［２］Ｐｌａｘｉｓ公司．Ｐｌａｘｉｓ使用手册（２Ｉ）－版本８）［Ｚ］．２００５． ［３］刘涛，杨凤鹏．精通ＡＮＳ、 ［Ｍ］．北京：清华大学出版社， ２００２：９． ［４］张洪才．基于ＡＮＳＹＳ的均质土层边坡稳定性分析［Ｊ／ＯＬ］． 图５ Ｐｌａｘｉｓ有限元网格 ｅ－ｗｏｒｋｓ网．２００９． Ｔｈｅ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｘａｍｐｌｅ ． ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ＧＡＯ Ｔｏｎｇ－ｙｕ ＬＥＩ Ｇａｎｇ ｂ７４Ｉ Ｔｉｅ－ｊｕｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｉｔ ｃｈ∞ｓｅｓ ｏｎｅ ｃＩａｙ ｓｌａｐｅ ｅ）（ａｎ１ ，Ｐｌｅ Ｉｏｒ Ｓｔｕｄｙ ｏｂｊｅｅｔ・Ｉｔ ｈａｓ ａ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｓｌｏｐｅ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅｔｈｅ ＷｉｎＳｔａｂｌ ｓ０ｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ Ｐｌａｘｉｓ ｓ。ｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ，ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ－Ｉｔ ｈａｓ ａ ｃｏｕｎｔｅｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｒｅｓｄｔ，ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｔ０ ｇｅｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ０ｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｓｏｆｔｗａｒｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉａｔｉｚｏｎ ｏｆ ｓｌｏｐｅ，Ｐｌａｘｉｓ，ＡＮＳＹＳ
