2.3 原状边坡工况分析

2.3.1 一般工况

1）设置一般工况

一般工况下，通常进行边坡的非线性应力分析即可。在GTS NX中，应力分析几乎是所有其他分析的基础，应力分析的模型也可以作为其它分析的基础模型。对于一般工况的应力分析的模型来说，通常只有静力位移边界，GTS NX提供了方便的一键静力边界，而对于荷载来说，通常在没有地面超载的情况下，只设置重力即可。

①添加应力边界：主菜单>静力/边坡分析>边界>约束 ，打开对话窗。切换至“自动”选项卡，边界组名称输入“位移边界”，点击“确认”。

 

图26  一键自动边界

②添加水位条件：主菜单>静力/边坡分析>边界>水位 ，打开对话窗。将几何线显示在模型窗口中，选择目标线为如下图所示的线段，间距输入“0.5”，名称输入“初始水位”，点击“确定”。（定义好的“初始水位”是一个函数形式，该函数被注册在工作树>分析>函数>一般函数。定义好函数，不代表模型中就设置了水位，如需使用水位，需在施工阶段或分析工况中调用该函数。） 

图27 添加水位函数

③添加重力荷载：主菜单>静力/边坡分析>荷载>自重 ，打开对话窗。所有选项按照默认，荷载组名称输入“自重”

，点击“确认”。

至此，一个完整的一般工况分析的边坡模型完成了。

 

图28 完整模型效果图

通常，希望在不做任何假设的条件下，求得边坡的稳定性系数，执行有限元分析的强度折减法（SRM）即可，但SRM得到的位移和应力结果是边坡破坏的临界状态结果，并非边坡实际应力状态下的变形结果。对一般工况的边坡，如果期望判断边坡的实际变形结果，又想得到边坡稳定性系数，可以通过施工阶段来同时实现这两者。

④主菜单>静力/边坡分析>施工阶段>施工阶段管理 ，打开对话窗。名称输入“原始边坡稳定性分析”，阶段类型选择“应力”，点击“添加”，选中添加的施工阶段组，点击“定义施工阶段”，打开定义施工阶段对话窗。

图29 添加施工阶段组

⑤阶段名称修改为“原始边坡稳定性分析”，按下鼠标左键，从组数据中，将所有网格组、边界条件、静力荷载，拖动到“激活数据”组中，在右侧初始条件处，勾选“□定义整体水位”，值输入“1”，函数选择“初始水位”，勾选“□边坡稳定（SRM）”，点击“保存”。

 

图30 添加施工阶段数据

⑥主菜单>分析>分析工况>新建 ，打开对话窗，标题输入“原始边坡稳定性分析”，求解类型选择“施工阶段”，施工阶段组选择“原始边坡稳定性分析”，点击“确认”。

 

图31 设定施工工况

⑦主菜单>分析>分析>运行 ，点击“确认”，运行分析。

 

图32 运行分析

2）结果分析

《建筑边坡工程技术规范GB50330-2013》条文5.3.1：除校核工况外，边坡稳定状态可分为稳定、基本稳定、欠稳定和不稳定四种状态，可根据边坡稳定性系数按表5.3.1确定。

表5.3.1 边坡稳定性状态划分

《公路路基设计规范JTG D30-2015》条文3.7.7：各等级公路路堑边坡稳定性系数不得小于表3.7.7所列稳定安全系数值。对非正常工况Ⅱ，路堑边坡稳定性分析方法及稳定安全系数应符合《公路工程抗震规范》（JTG B02）的规定。

表3.7.7 路堑边坡稳定安全系数

规范对边坡稳定性的明确要求只有一个安全系数，但实际分析中，对分析结果的系统评价非常重要。更多的结果判断，需要工程师自己具备一定的分析能力。

来看分析结果。

① 滑动面和安全系数：SRM分析可以同时得到安全系数和边坡的潜在滑动面，这里应注意，潜在滑动面，并非实际的滑动面，软件分析能给出潜在的滑动面，只代表如果边坡达到临界状态的话，剪切力最大的一个条带，但该潜在滑动面是否会发生滑动，通常还要结合安全系数的结果做综合判断。潜在滑动面的位置通常查看E-EQUIVALENT显示出来。

 

图33 等效剪切应变

从图33可见，原状边坡的潜在滑动面大致为圆弧形，弧形底面通过软弱夹层“煤层”，从前文勘察剖面图可见，与根据经验预判的潜在滑动面之一位置吻合，边坡的滑动最有可能沿着煤层所处位置，产生浅层滑移。安全系数1.15，边坡处于基本稳定状态，与实际情况一致。

根据勘察提供的实际情况，坡脚处原有挡土墙，但因边坡变形严重，挡土墙已被完全剪坏无法继续发挥作用。根据分析结果，滑块的前缘剪出口也在坡脚位置，并且存在明显的剪应变集中区，该情况也与该位置挡土墙的破坏情况一致。边坡滑块后缘，根据勘察资料，已产生明显的拉裂缝，宽度30~50cm不等。结合图34可见，滑块后缘位置，实际位移43.1cm，与实际情况也基本符合。

 

图34 水平方向位移结果

综合以上信息，可基本判断分析得到的滑动面的位置与边坡的实际破坏的情况一致，最有可能剪坏的位置为沿煤层的滑动，前缘剪出口的位置在边坡坡脚处，后缘破坏位置在拉裂缝位置，但边坡尚未形成完整的塑性贯通区，边坡暂时处于安全状态，安全系数为1.15。

至此，确定一般工况的滑动面滑移位置已经完成。

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2.3.2 暴雨工况

1）设置暴雨工况

暴雨工况分析，可以在一般工况的模型基础上直接进行。GTS NX的模型网格具有通用性，在原网格的基础上，新增渗流边界条件和荷载，改变分析工况即可实现渗流工况的分析。如果工况的进行是持续的，也可以从施工阶段中，定义随时间变化的动态工况，以实现对整个项目自始至终的整体把握。

《建筑边坡工程技术规范GB50330-2013》中对一般工况做了详尽规定，但由于建筑边坡通常规模相对较小，对暴雨工况没有过多要求。暴雨工况的边坡通常用于地质灾害评估，或公路高边坡的边坡治理，以及一些多山地区，例如贵州、四川等地的市政高填、高挖、高切边坡。

《公路路基设计规范 JTG D30-2015》条文3.6.7：高路堤与陡坡路堤设计时，应进行路基稳定性计算分析。分析时，应考虑以下三种工况：

1正常工况：路基投入运营后经常发生或持续时间长的工况。

2非正常工况Ⅰ：路基处于暴雨或连续降雨状态下的工况。

3非正常工况Ⅱ：路基遭遇地震等荷载作用的工况。

首先来看“非正常工况1”，也即暴雨工况。GTSNX提供了方便的边坡分析的功能，可以实现多施工阶段，多工况的集成化分析。在正常工况的模型基础上，增加渗流边界条件，进行流固耦合分析，即可实现暴雨工况的稳定性计算。

相对于正常工况，暴雨工况在建模分析上有三个地方的不同：渗流参数、渗流边界和分析工况。

（1）渗流参数

在涉及水的分析中，渗流参数是必须输入的参数。但根据执行的分析类型的不同，调用的参数也不尽相同。   

       

     

图35    渗流参数表

容重（饱和）：岩土体饱和状态的容重。一般在计算中设置静水位时，水位以上土压力的计算采用天然重度，水位以下的计算采用饱和重度。如果模型中不设置水位，则默认按天然重度计算。

初始孔隙比：该参数在进行固结分析及应力-渗流完全耦合分析时的初始孔隙比。固结分析和应力-渗流完全耦合分析有一个共同的特点：孔隙水压力的消散和土颗粒之间的孔隙为分析关注的重点，因此固结或渗流开始时的初始孔隙比必须输入。而在进行在两者之外的分析时，初始孔隙比不参与计算，调整该参数也不对结果产生任何影响。

多数土体的孔隙比小于1。如果是粘土或有机土，初始孔隙比可能会高于1。一般情况下，粗粒砂孔隙比为0.6~0.8，密度高且沙粒分布好的沙土为0.3，细粒土的孔隙比甚至能达到2~3。但该参数的取值很大程度上受取样和压实度的影响。

非饱和特性：非饱和特性是为考虑土体的非饱和状态而设置的参数（函数），在执行瞬态分析时，例如边坡分析的暴雨工况，在降雨过程中，岩土体存在从非饱和-饱和的过程，此时必须设置非饱特性，如果不考虑非饱和特性，则默认岩土为饱和状态，将无法进行基于时间变化的渗流分析。而在执行稳态分析时，即使输入此参数，也并不调用参数进行计算。

GTS NX软件提供了两种专业非饱和特性函数：相关和独立。可定义非饱和区域内基于负孔隙水压力大小的渗透率和含水率（或饱和度）变化的非饱和特性函数。

独立：分别定义基于压力水头（负孔隙水压）的渗透系数和含水率函数。

图36    独立非饱和特性函数

相关：定义压力水头-体积含水率（饱和度）-渗透率的关系。

图37   相关非饱和特性函数

非饱和特性函数，可以根据水土特征曲线（SWCC）输入。水土特征曲线是解释非饱和土工程现象的一项基本关系，将理论、试验测试与预测方法有机联系起来，表征了非饱和土中吸力与含水量或饱和度之间的关系，通过这种曲线将非饱和土的强度与渗透性联系起来。

提非饱和特性参数，获得水土特征曲线，虽然并不困难，但是出于各种现实性的考虑，对现阶段大部分勘察单位来说，都比较少见。一来是有限元流固耦合分析未在各设计院完全普及，工程师在做设计之前，可能并未预先想到要做有限元分析，从而提前要求勘察提供该参数。二是因为有限元的分析结果，用于做定性分析时，准确到可怕，但是用于做定量分析辅助设计时，各工程师仍旧对此莫衷一是，因此对此参数也就没有相应的执着。基于此情况，在没有非饱和特性参数的情况下，可以考虑使用“静水位”来设置，进行暴雨工况的分析。

排水参数：表征土体排水特性的参数。应力分析时的水压力分为孔隙水压力和超孔隙水压力，不排水状态，会产生比较大的超孔隙水，排水状态的超孔隙水压力接近0。通常输入的强度和刚度参数需跟场地的排水条件一致。

《公路路基设计规范 JTG D30-2015》条文3.6.8：高路堤与陡坡路堤稳定性分析的强度参数应根据填料来源、场地情况及分析工况的需要，选择有代表性的土样进行室内试验，并结合现场情况确定。试验方法应符合下列要求：

1路基填土的强度参数c、j 值，可采用直剪快剪或三轴不排水剪试验获得。当路基填料为粗粒土或填石料时，应采用大型三轴试验仪或大型直剪试验仪进行试验。

2地基土的强度参数c、j 值，宜采用直剪固结快剪或三轴不排水剪试验获得。

3分析高路堤沿斜坡地基或软弱层带滑动的稳定性时，应结合场地条件，选择控制性层面的土层试验获得强度参数c、j 值。可采用直剪快剪或三轴不固结不排水剪试验。当存在地下水影响时，应采用饱水试件进行试验。

从上述条文可见，规范条文已经明确规定了不同的场地情况，为获得准确的参数须采用的不同试验方法。工程师在将工点的现场情况模拟成计算模型时，也应参照勘察获得岩土参数时使用的试验方法，在模型中选择对应的场地排水条件。

顺手科普：

直接剪切试验（直剪试验）：使用直剪仪进行室内试验，测定剪切面上的抗剪强度。试验时，加荷架对试样施加竖向力，试样上下方各有一块透水石，方便试样排水。剪切试验分为快剪，固结快剪和固结慢剪。快剪为竖向力施加后，立即加水平力，剪切速度很快，3-5分钟，土样被剪破，试件受剪过程不排水。固结快剪为先使试样在法向力作用下达到完全固结，然后加水平力进行剪切快速的3-5分钟把试样剪破，剪切过程不让孔隙水排出。慢剪为先使试样在法向力作用下完全固结，然后慢速加水平力，（1-4h）将土样剪破,土样剪切的过程有时间排水。

三轴剪切试验：使用土工三轴仪测定土的抗剪强度。可以根据实际情况的不同，设定不同的排水条件和固结条件，得到固结排水剪、固结不排水剪、不固结不排水剪情况下的参数。

GTS NX提供了适用于不同场地的排水条件：

图38   岩土排水环境

①排水分析：适用于施工过程持续长时间进行，荷载分级施加的情形，或砂性土等排水性好的岩土材料的分析中，输入固结排水参数，E0’、c’、j'，由于排水充分，孔隙水压力全部消散，在使用时，使用固结慢剪、三轴固结排水剪等手段获得的有效强度参数。

②固结不排水分析（有效刚度/有效强度）：适用于关注加载瞬间的瞬时沉降行为（主要是弹性变形）、或者粘性土等排水不良的场地的分析，这种情形下，在加载瞬间，固结和沉降行为切实存在，但主要是土骨架的体积压缩变形，孔隙水压力不能及时排出。该选项是使用排水参数模拟不排水行为的选项，此时输入固结排水参数，E’、c’、j’，区别于排水分析的刚度模量E0’，此时输入的刚度参数是土的弹性模量。

③不排水（有效刚度/不排水强度）：适用性同2，参数取固结排水刚度参数E’，固结不排水强度参数cu，ju（=0）；附加参数不排水泊松比：0.495；B系数：根据地层土体饱和度确定。

④不排水（不排水刚度/不排水强度）：适用于排水不良场地的饱和土，刚度和强度参数均使用不固结不排水参数E、cu、ju（=0）。

渗透系数：土体饱和状态的渗透系数。

孔隙比依存系数：在进行固结分析和双向耦合分析时需要勾选该选项，执行这两种分析时，土的压缩导致的孔隙变化，将反过来作用在渗流场中，此时渗透系数是孔隙水压力和孔隙比的函数：

通常，Ck在0.5Cc~2Cc范围内，对于粘土，一般取。

贮水率：流入/流出水的体积比，表现岩土材料存储水的能力。程序根据设置的不排水泊松比或B系数自动计算。

（2）渗流边界

GTS NX提供的渗流边界，可直接在应力分析的网格上添加，对于边坡工程，支持静水位、面/线流量边界、水头边界，渗流面边界通常用于水工边坡上的浸润面分析。

静水位：静水位边界，适用于少雨地区或水位相对稳定的地区进行边坡分析，或在多雨地区，进行流固耦合分析时，做为渗流分析的初始渗流条件。模型中设置水位时，水位以上的岩土体按照天然重度计算，水位以下的岩土体按照饱和重度计算。

设置水位边界非常简单：

① 在建几何模型时，将水位线表示出来，做为辅助线；

图39   辅助线示意

② 使用主菜单>静力/边坡分析>边界>水位 命令，根据辅助线的位置信息，生成水位线函数，该水位函数会被注册在工作树>分析>函数>一般函数位置。修改水位函数时，同样在这个位置，选中函数，点击左键，选择编辑，进入菜单可进行相应的修改。

图40   设置水位线

③ 在设置分析工况时，调用定义好的水位函数，可使定义好的水位发生作用。这种设定，既可以做为边坡分析时考虑静水位的设置方法，也可以是渗流分析时，做为初始稳态渗流场的计算条件。

图41   考虑水位的边坡分析

图42   设置水位后效果分析

通常，如果模型中设置静水位时，需要在分析工况的分析控制中勾选“□自动考虑水压力”，勾选该选项时，程序将自动将模型所有自由面（模型与空气的接触面或称临空面）的水压力做为外力考虑。水压力是以作用在自由面/线上的孔隙压力为参考计算。

①若指定了水位，参考水位位置，水压力为常量；

②若之前阶段已执行渗流分析的情况下，使用计算节点的水压分布（大小）；

③若孔隙水压力为负值时，不会自动考虑水压力。

设置水位时，勾选“□自动考虑水压力”选项时，自由面的计算效果如下图所示：

图43   自动考虑水压力

小技巧：

进行暴雨工况模拟的时候，如果不关心土从非饱和变化为饱和的中间过程，可以直接通过设置原始水位和饱水位两个静水位线，分别判断暴雨前和暴雨后的边坡稳定性分析，也即，使用一个静水位条件就可满足边坡的稳定分析。

例如：

暴雨前的原始水位如下图模型中所示：

图44  原始水位

采用强度折减法进行原始边坡的稳定性判断，得出判断结果，安全系数1.13，边坡处于暂时稳定状态。

图45  一般工况边坡稳定性

暴雨过后，部分雨水下渗，当超过岩土材料渗透能力之后，整个边坡体达到饱和状态，多出的雨水将会沿坡面流走，最终的水位变化为地表面，则直接将水位设定为地表，重新计算稳定性。

图46   饱和水位

节点水头：节点水头边界在工程应用中，因为其数值的明确性，应用的最多。通常，在做关心渗流过程的分析时，需要执行应力渗流耦合分析，以便得到流场、流量、水头变化等结果。潜水水头和压力水头都可以通过该方法设定。

图47  节点水头

照例顺手科普：

土体中任意一点的水位值：

其中：

z：位置水头，以程序中的XY平面（Z=0）为参考；

：压力水头；：流速水头。

由于土体中的渗流阻力大，流速小，不考虑流速水头，故：

对于潜水层，不存在压力水头；对于承压水，总水头=压力水头+位置水头。

因此可知，静水位、潜水或上层滞水设定方法，可通过在模型中设定水位分界面或分界线，获得水位面上的对应节点，然后在水位面对应的节点上位置水头值即可。

如果水位面是一条直线或处在同一水头面上，则根据水位面（相对于z=0）的标高值，设定水位总水头值。如果水位线是曲线形式，则在水位对应的位置处，设置压力水头=0的方式更为方便快捷，此时，由于节点位置自带高程信息，因此通过节点高程+压力水头位置即为该点处的总水头值。

图48  节点水头和压力水头

而对于承压水，受隔水顶板的隔水作用，含水层水头压力较大，隔水顶板以上区域，虽然存在压力水头，但是实际并不含有水（无上层滞水的情况下），因此承压水的设定方法为：在测压管测定的含水层中的已知节点位置设置实际压力水头，因为节点的位置自带位置水头信息，因此设置含承压水层的实际压力水头信息即可。

通常设置承压含水层顶的节点的实际压力水头值来表征该承压水层的压力水头比较方便，也可以通过设置“网格组水位”来模拟承压水。

与上层滞水或潜水的区别在于，设置水头的节点位置不同。

小技巧：

在水位急剧变化时，例如大坝、水库泄洪时，可以勾选设置“□如果总水头＜潜水头，则Q=0”，程序将自动执行水头转流量边界。

图49  自动水头转流量边界

水位突降时，会发生虹吸效应使渗流发生逆流。如前文所述，总水位=位置水头+压力水头，水位突降时，水位的下降速度总是比土中的水的渗流发生的快，将出现总水头值低于位置水头的情况，此时压力水头为负值，渗流将发生逆流。但实际情况中，水并不会发生逆流，而是随着水位下降，土中水位滞后于水位的下降速度慢慢回落。此时，应勾选图49中的红色线框中的选项，则程序自动执行水头转流量边界，阻断逆向发生的流量。尤其在水位按周期性变化时，使用该边界条件尤其方便。

节点流量/曲面流量：按照单位时间内面或线内的流入或流出量设置流量边界条件。定义降雨等流入时，可以设置“+”值，定义开挖或抽水时，输入“-”值。

照例顺手科普：

降雨量是在一定时间内降落在地面上的某一点或某一单位面积上的水层深度，以毫米计算，例如：mm/day/m^2

水文部门，通常说的小雨、中雨、大雨、暴雨等，一般以日降雨量衡量：

小雨是指24小时内降水量不超过10毫米的雨；

小到中雨为5毫米~16.9毫米；

中雨为10毫米~24.9毫米；

中到大雨为17毫米~37.9毫米；

大雨为25毫米~49.9毫米；

大到暴雨为38毫米~74.9毫米；

24小时内雨量超过50毫米的称为暴雨，超过100毫米的称为大暴雨，超过250毫米的称为特大暴雨。

GTS NX设置的流量边界条件的单位为m3/day/m2，也即，每平方米每天的水量。水文部门提供的降雨条件单元为mm/day/m2，也即每平方米每天的水柱高度。因此在输入流量值时，只需将水柱高度转化为“单位面积的立方水量”即可，单位面积的立方水量=水柱高度*单位面积，其实输入软件的仍旧是水柱高度的值。

图50   流量边界

这个问题这样掰开写，显得非常小儿科。但该问题确实曾被工程师反复问到，尤其在做二维模型时，输入的是线流量，很多工程师一筹莫展，甚至为此纠结数日。其实，只是因为不明白二维模型的含义罢了。

工程师在建模时，建立二维模型，通常使用二维平面应变单元。新建文件的第一步，一定会弹出如下对话窗，该对话窗存在以下参数“平面应变厚度1m”，其实无论是1m还是1mm，工程师应明白，取的是单宽厚度，单宽厚度*单位长度*水柱高度即为该处的线流量，因此实际输入的数值，仍旧等于水柱高度，也即气象部门发布的降水数据。

                   

       

图51   初始设置中的平面应变厚度设定

小技巧：

勾选“□如果q>ksat，那么总水头=位置水头”，则程序自动执行流量转水头边界。在进行强降雨流量定义时，应勾选此条件。在土层的地表吸收降雨的能力大于降雨强度时，土层可以将所有雨水吸收。但是在土层吸水能力小于降雨强度时，土体部分吸水后达到饱和状态，剩余部分的水量将沿着坡面流走。此时，程序将自动将原始水位线调整到地表面来执行分析。

PS：回顾前述章节，通过设置静水位来简单模拟静水位，与此处有异曲同工之妙。

根据以上对渗流边界的描述，在一般工况的模型基础上，设置暴雨工况分析需要的渗流边界。首先使用“改变静水位”的方式来设置流量边界的位置，执行以下操作：

①  点击

，将后处理切换至前处理状态。将全部几何线显示在模型窗口中，主菜单>静力/边坡分析>边界>水位，打开对话窗。选择目标线为边坡地表面的线，名称输入“饱水位”，点击“确定”；

图52   设置饱水位线

② 主菜单>分析>分析工况>新建

，打开对话窗。设置标题为“原始边坡暴雨工况”，求解类型选择“边坡稳定（SRM）”，点击右上角“分析控制”，打开对话窗，勾选“□定义水位”，数值输入“1”m，函数选择“饱水位”，点击“确认”回到主面板，再次点击“确认”。

图53   设置暴雨工况

图54   设定考虑水位

③ 主菜单>分析>分析>运行

，打开对话窗，确认“原状边坡暴雨工况”处于勾选状态，点击“确认”，运行分析。

小技巧：

注意到在进行暴雨工况分析时，直接执行的是边坡的SRM分析，这是因为在一般工况分析时，安全系数已经达到1.15，位移结果最大时已达到66.5cm，事实上边坡已经发生了大变形。暴雨工况分析时，安全系数也更低，位移结果将更大。位移结果继续变大，程序计算时将会体现出不收敛的效果，因此直接执行SRM分析获得安全系数结果。

此处可引申一下，工程师在进行建模分析时，经常会遇到计算不收敛的问题，此时可以从“是否是因为变形过大导致结果的离散入手”，检查和修改模型。

GTSNX-理论分析手册文档下载其实，分析不收敛，并不能得到“算不出结果”的结论，因为“不收敛”本身就是结果，反映出了模型或者方案存在的问题，例如，前述的变形过大造成的不收敛，通常预示着土体已经崩塌、破坏，只是程序无法给出明确的数值结果而已。