邊坡上部基坑開挖數(shù)值模擬分析

魏 達(dá) 劉思奇 呂美群 申楊凡

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

邊坡上部基坑開挖數(shù)值模擬分析

魏 達(dá) 劉思奇 呂美群 申楊凡

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為了解邊坡上部基坑開挖對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響，利用有限元軟件ansys對(duì)邊坡上部不同深度的基坑開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過計(jì)算得到了邊坡在開挖前后水平方向的變位以及邊坡塑性應(yīng)變的差異，所得結(jié)果可為邊坡支擋防護(hù)等相關(guān)工程的設(shè)計(jì)提供參考。

邊坡，穩(wěn)定性，基坑開挖，有限元計(jì)算軟件

0 引言

在巖土與水利建設(shè)中，邊坡工程是十分重要的，邊坡的穩(wěn)定性會(huì)嚴(yán)重影響工程的施工和運(yùn)營(yíng)安全。邊坡上部進(jìn)行一定深度的基坑開挖既破壞了原有邊坡的穩(wěn)定性能，同時(shí)也是一種上部結(jié)構(gòu)的卸載過程，因此邊坡上部的基坑開挖對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性有一定的影響。

本文通過有限元模型對(duì)于邊坡進(jìn)行不同深度的基坑開挖數(shù)值模擬，可以得到不同開挖深度的基坑對(duì)于邊坡x方向的變位以及塑性開展區(qū)。

1 計(jì)算模型

本文采用大型通用有限元計(jì)算軟件ansys建立邊坡平面模型，由于邊坡可以認(rèn)為是縱向較長(zhǎng)的實(shí)體，因此將幾何模型簡(jiǎn)化為平面問題進(jìn)行簡(jiǎn)化是合理的。模型單元采用材料庫中常見的Plane82單元，此平面單元由于具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有較大的精準(zhǔn)度，可以很好的適應(yīng)不規(guī)則網(wǎng)格。定義邊坡截面中邊坡的高度為90 m，邊坡坡率為1.5。

本次邊坡模型選用D-P(Drucker-Prager)模型作為土體的本構(gòu)模型，ansys中的D-P模型是使用Von Mises屈服作為相應(yīng)判斷條件。在D-P模型中，其等效應(yīng)力σe以及Von Mises屈服法則的計(jì)算公式如式(1)～式(3)所示[1]。

σe=3βσm+[{s}T[M]{s}/2]1/2

(1)

F=3βσm+[{s}T[M]{s}/2]1/2-σy=0

(2)

(3)

式中：σm——靜水壓力；

β——材料參數(shù)；

{s}——偏差應(yīng)力矩陣；

C——粘聚力；

φ——土體的剪脹角。

本例中，土體采用的粘聚力為123.13 kPa，內(nèi)摩擦角為14.96°，剪脹角設(shè)置為0。

建立相關(guān)幾何模型以后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并施加約束，對(duì)有限元模型的下部土體進(jìn)行完全約束，并對(duì)邊坡左右兩邊進(jìn)行橫向膨脹約束，對(duì)模型進(jìn)行自重荷載加載，通過殺死一定單元的方式模擬邊坡上部的基坑開挖進(jìn)行計(jì)算。其有限元模型示意如圖1所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)邊坡上部進(jìn)行不同深度的基坑開挖，其中所開挖的基坑距離斜坡為20 m，基坑寬度為20 m，所開挖的邊坡基坑深度分別為5 m，10 m，15 m，20 m。經(jīng)過計(jì)算后進(jìn)入通用后處理可以查看得到邊坡的x方向以及y方向的位移變形云圖、塑性應(yīng)變?cè)茍D等。如果邊坡的x變形較大，塑性區(qū)持續(xù)開展形成貫通區(qū)域時(shí)，就容易發(fā)生邊坡塌陷等災(zāi)害，因此通過邊坡的x變形以及邊坡塑性變形可以綜合判斷邊坡穩(wěn)定性。

通過邊坡上部不同深度的基坑開挖進(jìn)行求解得到邊坡x方向的位移云圖以及塑性云圖，與未開挖的邊坡模型計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，其中x方向隨著基坑開挖深度的不斷增大邊坡上部位移最大值變化如圖2所示，未開挖時(shí)的邊坡x方向位移云圖與上部基坑開挖20 m時(shí)的x方向位移云圖如圖3所示。

通過圖2以及圖3可以看出，基坑開挖前后，邊坡在-x方向的位移值要遠(yuǎn)大于在x方向的位移值，且-x方向位移最大值以及x方向位移最大值的出現(xiàn)位置均相同，-x方向位移最大值均出現(xiàn)在坡腳處，而x方向位移最大值均出現(xiàn)在坡頂處。隨著邊坡開挖深度的不斷增大，-x方向的位移值呈現(xiàn)四次拋物線的形式下滑，這是由于基坑開挖對(duì)于邊坡而言是一個(gè)卸載的過程，此時(shí)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性是有利的。隨著邊坡開挖深度的不斷增大，x方向的位移值呈現(xiàn)四次拋物線的形式上升，這是由于出現(xiàn)x方向的位移最大值在坡頂處，而在坡頂處進(jìn)行基坑開挖則會(huì)破壞局部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使得基坑附近的土體更容易塌陷。

通過有限元計(jì)算所得到的塑性區(qū)開展的塑性應(yīng)變最大值如圖4所示，基坑開挖前后的邊坡塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。

通過圖4以及圖5可以看出，無論基坑開挖前后，邊坡的塑性區(qū)開展都是從坡腳處開始，其塑性應(yīng)變最大值都在坡腳處。隨著開挖深度的不斷增大，其塑性應(yīng)變最大值出現(xiàn)了先降再升再降的雙波谷式變化，這是由于最開始的基坑開挖對(duì)于邊坡土體是一個(gè)卸載作用，使得坡腳的塑性應(yīng)變減小，從圖5b)中可以看出，當(dāng)基坑深度達(dá)到20 m時(shí)，此時(shí)的基坑附近也出現(xiàn)了較大的塑性區(qū)，如基坑深度不斷增大，其塑性區(qū)開展容易形成貫穿區(qū)域，不利于邊坡的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

通過有限元計(jì)算軟件ansys對(duì)不同深度的邊坡上部基坑進(jìn)行開挖的數(shù)值模擬，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)不同深度的基坑開挖對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有一定的影響。

基坑開挖前后，邊坡x方向最大值出現(xiàn)的位置是一定的，均出現(xiàn)在坡腳處。但是隨著邊坡開挖深度的不斷增大，-x方向的位移值呈現(xiàn)四次拋物線的形式下滑，而x方向的位移值呈現(xiàn)四次拋物線的形式上升，因此在邊坡上部進(jìn)行開挖時(shí)，盡量采用相應(yīng)的支擋結(jié)構(gòu)。

2)隨著邊坡開挖深度的不斷增大，邊坡的塑性應(yīng)變最大值出現(xiàn)了先降再升再降的雙波谷式變化，當(dāng)基坑深度達(dá)到20 m時(shí)，此時(shí)的基坑附近也出現(xiàn)了較大的塑性區(qū)，因此較大的基坑開挖不利于邊坡的穩(wěn)定性。

[1] 李 婕.基于ANSYS加筋路堤沉降的有限元分析[J].山西建筑,2008,34(26):262-263.

[2] 劉世強(qiáng)，丁佳攀，何鈺龍，等.基坑開挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析[J].建材發(fā)展導(dǎo)向,2014(5):28.

[3] 王恒星,孫 碩,劉 潔,等.凍融作用對(duì)路堤邊坡穩(wěn)定性的影響[J].北方交通,2014(12):47-49，54.

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

[5] 包 磊.基于ansys的邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度折減有限元分析[J].土工基礎(chǔ)，2012，26(8)：48-51.

Numerical simulation analysis of excavation in the upper part of slope

Wei Da Liu Siqi Lv Meiqun Shen Yangfan

(SchoolofCivilEngi.,NortheastForeastryUniv.,Harbin150040,China)

In order to solution on the upper part of slope excavation influence on slope stability, using finite element software ansys, the upper slope of different depth of foundation pit excavation numerical simulation and calculation of the slope in the horizontal direction before and after the excavation of the displacement and slope plastic strain differences. The results can provide a reference for the design of slope retaining and protection.

slope， stability， foundation pit excavation， finite element software

2015-05-23

魏 達(dá)(1992- )，男，在讀本科生； 劉思奇(1993- )，男，在讀本科生； 呂美群(1993- )，女，在讀本科生； 申楊凡(1993- )，男，在讀本科生

1009-6825(2015)22-0098-02

TU463

A