運(yùn)用ANSYS模擬邊坡開挖并計(jì)算安全系數(shù)

賈 正 涂興懷

(西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039)

運(yùn)用ANSYS模擬邊坡開挖并計(jì)算安全系數(shù)

賈 正 涂興懷

(西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039)

利用ANSYS有限元強(qiáng)度折減法，對某邊坡開挖施工進(jìn)行了模擬分析，通過計(jì)算兩種開挖坡率、三種不同工況下對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)，綜合分析了各種工況下邊坡的穩(wěn)定性與安全性，得出了一些有應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論。

ANSYS軟件，邊坡開挖，支護(hù)，安全系數(shù)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，能源消耗嚴(yán)重與道路交通運(yùn)輸能力不足是當(dāng)前社會主義建設(shè)面臨的兩大難題，其中，水電站開發(fā)和高速公路的修建是這兩大難題中的重要組成部分。在這兩大建設(shè)工程領(lǐng)域都會遇到大量的邊坡工程，而邊坡工程最重要的就是穩(wěn)定性與安全性，因?yàn)橐坏┻吰率Х€(wěn)就會產(chǎn)生嚴(yán)重后果，給工程帶來巨大損失，由此可見對邊坡的穩(wěn)定性與安全性進(jìn)行綜合分析是多么重要。本文針對邊坡開挖施工進(jìn)行模擬分析，計(jì)算兩種開挖坡率、三種不同工況下對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)，希望對工程實(shí)踐有一定的參考意義。

2 分析方法

經(jīng)典極限分析法適用于工程設(shè)計(jì)，它利用靜力學(xué)理論對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，不考慮邊坡的變形，在大量假設(shè)的基礎(chǔ)上，依據(jù)力或力矩的平衡求解邊坡的安全系數(shù)[1]。但是也正因?yàn)橛刑嗟募僭O(shè)，計(jì)算出的精準(zhǔn)度不高，導(dǎo)致適應(yīng)性差。而有限元法適應(yīng)性廣，但是無法計(jì)算出安全系數(shù)。在現(xiàn)今的工程中，有限元極限分析法運(yùn)用的越來越廣泛，它既適用于工業(yè)設(shè)計(jì)，且適應(yīng)性廣，對于巖土工程(如邊坡、地基、隧道)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用也特別廣泛。有限元極限分析法包括：1)有限元強(qiáng)度折減法；2)有限元增量加載法。本次分析采用ANSYS有限元強(qiáng)度折減法。

2.1 邊坡失穩(wěn)的判據(jù)

1)以有限元數(shù)值迭代不收斂作為邊坡失穩(wěn)的標(biāo)志；2)以特征點(diǎn)的位移突變作為邊坡失穩(wěn)標(biāo)志；3)以廣義塑性應(yīng)變或等效塑性應(yīng)變從坡腳到坡頂貫通作為邊坡失穩(wěn)的標(biāo)志[2]。本次分析設(shè)定計(jì)算模型最終計(jì)算數(shù)值迭代不收斂為邊坡失穩(wěn)依據(jù)。

2.2 材料模型的設(shè)定

ANSYS中能用于巖土材料的只有D-P模型，D-P模型是理想彈塑性模型。理想彈塑性即材料應(yīng)力達(dá)到屈服極限以后，應(yīng)力不再增大，應(yīng)變會一直增加。ANSYS中設(shè)置D-P模型需要輸入3個參數(shù)，分別為粘聚力c，內(nèi)摩擦角φ，膨脹角φf。其中膨脹角φf是用來控制體積膨脹大小的。在巖土工程中，一般密實(shí)的砂土和超強(qiáng)固結(jié)土在發(fā)生剪切的時(shí)候會出現(xiàn)體積膨脹，因?yàn)轭w粒重新排列了；而一般的砂土或正常固結(jié)的土體，只會發(fā)生減縮。故本模型將膨脹角φf設(shè)置為0是合理的。

2.3 有限元強(qiáng)度折減理論

強(qiáng)度折減法是有限元分析中最常用的方法之一，對于本材料模型中的粘聚力c，內(nèi)摩擦角φ，則是需要折減的參數(shù)。強(qiáng)度折減法即是將c和φ同除以一個折減系數(shù)，得到新的c和φ，記為c′和φ′[3]。然后作為新的土體強(qiáng)度參數(shù)輸入模型，進(jìn)行試算，以此類推。相應(yīng)折減公式如下：

當(dāng)最終計(jì)算數(shù)值迭代不收斂時(shí)，此時(shí)對應(yīng)的折減系數(shù)F即是該邊坡的安全系數(shù)。

3 工程實(shí)例

某水電站進(jìn)場公路旁有一邊坡，其組成巖性比較單一，巖體裂隙發(fā)育程度較弱，地下水水位較低。因此，對該邊坡的工程地質(zhì)情況做出兩點(diǎn)假設(shè)：1)邊坡為均質(zhì)邊坡；2)忽略地下水的影響，以便簡化計(jì)算模型。坡高125m，縱向長2 000m。對于這種縱向很長的實(shí)體，計(jì)算模型可以簡化為平面應(yīng)變問題。對于邊坡的穩(wěn)定性分析，實(shí)踐表明這種假設(shè)是合理的。該邊坡圍巖巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

本次分析主要內(nèi)容是在兩種計(jì)算模型下的三種工況下模擬開挖上述邊坡，分析在不同工況下邊坡的安全系數(shù)。工況類型如表2所示。

表2 工況類型模擬情況

4 計(jì)算過程

1)在ANSYS中選取所需單元，圍巖體選用Plane82單元，工況二中用到的支護(hù)混凝土選用Beam3單元，定義單元實(shí)常數(shù)以及賦予單元相關(guān)參數(shù)。

2)在ANSYS環(huán)境中以m為單元創(chuàng)建分析模型，并注意將計(jì)算過程中會被開挖的土體單獨(dú)生成面，以便于后面進(jìn)行的“殺死面”操作。所有面(或線)賦予單元和材料屬性；合理分配模型各線段劃分比例，劃分網(wǎng)格，如圖1所示。

3)根據(jù)邊界條件在斷面兩側(cè)施加UX方向約束，底面施加UX,UY約束，并施加重力加速度。

4)設(shè)置求解選項(xiàng)，求解。因?yàn)榉治鲞^程每一次都是從計(jì)算初始應(yīng)力開始，故不需要寫初應(yīng)力文件。完成初始應(yīng)力求解后保存數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行土體開挖和噴射混凝土支護(hù)模擬。兩種計(jì)算模型開挖級數(shù)都是五級，工況一和工況三類似，工況二會進(jìn)行支護(hù)模擬，下面分別介紹：對工況一和工況三，利用ANSYS程序的EKILL命令一級一級“殺死”開挖土體單元，模擬土體開挖卸載施工，求解，保存求解數(shù)據(jù)。對工況二，利用ANSYS程序的EKILL命令“殺死”開挖土體單元，“殺死”一級結(jié)束后就利用ANSYS程序中的EALIVE命令激活噴射混凝土，然后開挖下一級，如此反復(fù)。求解，保存求解數(shù)據(jù)。

5 計(jì)算結(jié)果分析

1)對工況一：計(jì)算強(qiáng)度未折減的天然土體狀態(tài)下開挖的數(shù)據(jù)，然后分別計(jì)算折減系數(shù)F=1.2，1.4…對應(yīng)土體強(qiáng)度下開挖的數(shù)據(jù)。在ANSYS的后處理器中可以看出隨著折減系數(shù)的變化，模型節(jié)點(diǎn)的最大位移,XY方向剪應(yīng)力，塑性變形也在變化。當(dāng)工況一的折減系數(shù)F=3.5，數(shù)值計(jì)算收斂；折減系數(shù)F=3.6，數(shù)值計(jì)算不收斂(見圖2)，此時(shí)邊坡失穩(wěn)。

故工況一的安全系數(shù)為3.5。

2)同理，對工況二：由于噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，邊坡巖土體的穩(wěn)定性得到改善。對土體強(qiáng)度進(jìn)行折減，當(dāng)折減系數(shù)F=3.9時(shí)數(shù)值計(jì)算收斂，當(dāng)F=4.0時(shí)數(shù)值計(jì)算不收斂，此時(shí)邊坡失穩(wěn)。對工況三：當(dāng)折減系數(shù)F=4.0時(shí)數(shù)值計(jì)算收斂，當(dāng)F=4.1時(shí)數(shù)值計(jì)算不收斂，此時(shí)邊坡失穩(wěn)。工況二、三的數(shù)值計(jì)算結(jié)果圖類似于工況一，此處不再贅述。

故工況二的安全系數(shù)為3.9，工況三的安全系數(shù)為4.0。

6 結(jié)語

1)利用ANSYS軟件對邊坡進(jìn)行有限元分析，其結(jié)果與工程實(shí)際相差不大，證明這種分析方法是可行的。本文利用ANSYS軟件的初應(yīng)力輸入和單元生死功能，模擬了在天然狀態(tài)下、開挖過程中以及開挖并支護(hù)狀態(tài)下邊坡的應(yīng)力場，取得了比較好的效果。

2)改變開挖坡率，邊坡的安全系數(shù)產(chǎn)生變化。坡率大(工況三)的安全系數(shù)較坡率小(工況一)的安全系數(shù)大。當(dāng)采取一定措施對以較小坡率開挖的邊坡進(jìn)行支護(hù)，如噴射混凝土，可以加大安全系數(shù)。此種開挖并支護(hù)的方式可以推廣，對工程具有參考意義。若在實(shí)際工程中，工況二的開挖成本低于工況三，而且安全系數(shù)也不低于工況三，那么優(yōu)先采用工況二進(jìn)行開挖。

3)在模擬開挖時(shí)，作了以下兩點(diǎn)假設(shè)：a.邊坡為均質(zhì)邊坡；b.忽略地下水的影響。但是畢竟圍巖體內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面，發(fā)育程度較弱的裂隙，地下水，如果要考慮這些因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，那么如何定量地對圍巖模型施加這些因素，則是應(yīng)當(dāng)繼續(xù)研究的問題。

[1] 陳 華，房 銳，趙有明，等.基于有限元強(qiáng)度折減法的巖石高邊坡穩(wěn)定性分析[J].公路，2009(10)：31-32.

[2] 謝榮昌，齊 偉，李 彬.基于有限元強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性分析[J].邊坡工程，2008，12(2):69-70.

[3] 閻 波，方 云.基于ANSYS的邊坡開挖模擬[J].山西建筑，2008，34(1):93-94.

Using the ANSYS simulation of side slope excavation and calculation of the safety factor

JIA Zheng TU Xing-huai

(Energy&EnvironmentCollege,XihuaUniversity,Chengdu610039,China)

This paper made simulation analysis on a side slope excavation construction using ANSYS finite element strength reduction method, through the calculation on two excavation slope rate, the corresponding side slope safety factor under three different construction conditions, made comprehensive analysis on side slope safety and stability under various construction conditions, obtained some valuable conclusions.

ANSYS software, side slope excavation, support, safety coefficient

1009-6825(2014)28-0056-03

2014-07-24

賈 正(1990- )，男，在讀碩士； 涂興懷(1964- )，男，副教授

TU413.62

A