用ANSYS分析高速公路边坡的开挖过程

1、用ANSYS分析高速公路边坡的开挖过程 管养网 牟声远摘要：对于工程边坡，工程开挖破坏了自然边坡的原有平衡，致使边坡病害进一步加剧，存在由可能失稳边坡发展为失稳边坡的趋势，因此，工程开挖成为边坡发展的重要影响因素。在此基础上，选取某高速公路边坡进行了开挖分析，得到一些对边坡设计有意义的结论。 关键词：数值分析 边坡 开挖 ANSYS 1 引言边坡可分为稳定边坡、可能失稳边坡和失稳边坡。通常又将可能失稳边坡和失稳边坡统称为病害边坡1.边坡病害的发展受诸多因素的控制2。一般而言，岩质边坡的病害发展受坡体主导结构面 的控制，其破坏形式多呈平面破坏、楔体破坏和倾倒破坏3,4，对于土坡或破碎岩体边坡，其

2、破坏形式多呈圆弧破坏5。对于工程边坡，工程开挖破坏了 自然边坡的原有平衡，致使边坡病害进一步加剧，存在由可能失稳边坡发展为失稳边坡的趋势，因此，工程开挖成为边坡发展的重要影响因素。边坡的防护对于边坡 的稳定、安全使用、美化道路、保护环境、水土保持以及保证运营经济效益和社会影响等起着重要作用。由于边坡防护工程与地质条件密切相关，很难通过手工计算 来验证防护措施是否能够起到稳定边坡的措施。因此，随着计算机模拟数值计算技术的发展，可采用有限元数值模拟方法对边坡防护设计进行验算。ANSYS是大 型通用有限元设计软件，可用于边坡工程的结构设计。本文将介绍高速公路边坡修建过程的仿真分析。首先介绍高速公路边

3、坡防护结构的构造设计；然后采用平面应变理论对高速公路边坡的修建过程进行ANSYS建模和求解分析，包括加载与初始地应力模拟、上台边坡开挖求解和路基开挖与挡墙支护求解分析；最后对计算结构进行分析。2 高速公路边坡防护结构的构造设计该高速公路边坡的断面图如图1所示，图中、表示地层的围岩类别。边坡的防护结构由A、 B、C、D、E五部分组成。A和E为自然坡度，其防护形式采用菱形网格；而B为开挖出来的坡度，其防护形式采用窗孔肋；C为钢筋混凝土挡土墙，采用C30 混凝土；D为路基，菱形网格和窗孔肋两种边坡防护形式的材料均为混凝土。边坡A和E的坡度为1：2，边坡B的坡度为1：1。整个分析模型的高为35m，宽

4、为91m。图1 高速公路边坡断面图该边坡在施工时， 先开挖B部分，然后施加窗孔肋防护体，再开挖D部分并修挡土墙C，然后对A和E进行菱形网格防护，最后对A、B和E部分植草绿化。在计算分析中，选取 【Solid】【Quad4node】单元模拟围岩地层，选取【Beam】【2D elastic 3】单元模拟钢筋混凝土挡土墙，用到的围岩类别和钢筋混凝土的参数见表1所示。表1 进行开挖模拟分析时的参数参数弹性模量/GPa泊松比容重/KN/m3类围岩10417类围岩203520C30混凝土3002253 初始地应力场模拟在模型上加边界条件、重力荷载并进行初始地应力场的模拟计算，初始地应力场其实就是原始的地应

5、力场。图2地层变形图图3x方向位移等直线图4y方向位移等直线图5x方向应力等直线图6y方向应力等直线图7z方向应力等直线图8第一主应力（S1）等直线图9第二主应力（S2）等直线图10第三主应力（S3）等直线4 上台边坡开挖模拟分析 每次开挖后，进行的模拟计算所得的变形和位移结果，都不是实际的值，而要减去初始地应力场下的变形和位移后，才是实际的值。但是，对于应力则刚好相反， 每一次所分析得到的结果就是实际的值。如果要计算每一步开挖所产生的附加应力和位移，则只有将此次计算的结果减去上一步的结果就行。图11第一次开挖后地层变形图图12第一次开挖后x方向位移等直线图13第一次开挖后y方向位移等直线图1

6、4第一次开挖后x方向应力等直线图15第一次开挖后y方向应力等直线图16第一次开挖后z方向应力等直线图17第一次开挖后第一主应力（S1）等直线图18第一次开挖后第二主应力（S2）等直线5 下台边坡开挖模拟分析图19第一次开挖后第三主应力（S3）等直线图20第二次开挖后地层变形图图21第二次开挖后x方向位移等直线图22第二次开挖后y方向位移等直线图23第二次开挖后x方向应力等直线图24第二次开挖后y方向应力等直线图25第二次开挖后z方向应力等直线图26第二次开挖后第一主应力（S1）等直线图27第二次开挖后第二主应力（S2）等直线图28第二次开挖后第三主应力（S3）等直线6 计算结果分析 从边坡开挖

7、过程仿真分析地层变形和位移结果可以看出最大变形为4mm，从趋势上看，在最终开挖的平面上，位移最大，因而是最危险的部分。但从数值上看， x方向最大位移为1.456mm（第二次开挖后的值），在初始地应力场下的位移为0.77mm（见图3），所以最后的x方向位移为0.69mm，是一个非 常小的数值，因而不会产生破坏。从边坡开挖过程仿真分析地层的应力结果可以看出，在挡土墙后很小范围的地层拉应力为0.084MPa，而往后较大范围为0.042MPa（见图23）。说明边坡地层的拉应力很小，边坡是稳定的。 参考文献1 湖南省水利水电勘测设计院. 边坡工程地质. 北京：中国水利水电出版社，1983.2

8、铁科院西北研究所. 滑坡防治及研究述评. 滑坡文集，1976，2542.3 Hoek E,Bray J W .Rock Slope Engineering(3rd ed). London:Institute of Mining and Metallurgy 1981.78-79 4 Richads L R,Atherton D A.Stability of slopes in rocks.In:Bell F ed. Ground Engineers Reference Book.London:Butterworths,1987.381-389 5 Laurie R .Case examples of rock mechanics principles used in rock engineering. Comprehensive Rock Engineering.London