运用ANSYS模拟边坡开挖并计算安全系数

贾 正 涂兴怀

(西华大学能源与环境学院，四川 成都 610039)

运用ANSYS模拟边坡开挖并计算安全系数

贾 正 涂兴怀

(西华大学能源与环境学院，四川 成都 610039)

利用ANSYS有限元强度折减法，对某边坡开挖施工进行了模拟分析，通过计算两种开挖坡率、三种不同工况下对应的边坡安全系数，综合分析了各种工况下边坡的稳定性与安全性，得出了一些有应用价值的结论。

ANSYS软件，边坡开挖，支护，安全系数

1 概述

随着我国经济建设的飞速发展，能源消耗严重与道路交通运输能力不足是当前社会主义建设面临的两大难题，其中，水电站开发和高速公路的修建是这两大难题中的重要组成部分。在这两大建设工程领域都会遇到大量的边坡工程，而边坡工程最重要的就是稳定性与安全性，因为一旦边坡失稳就会产生严重后果，给工程带来巨大损失，由此可见对边坡的稳定性与安全性进行综合分析是多么重要。本文针对边坡开挖施工进行模拟分析，计算两种开挖坡率、三种不同工况下对应的边坡安全系数，希望对工程实践有一定的参考意义。

2 分析方法

经典极限分析法适用于工程设计，它利用静力学理论对边坡进行稳定性分析，不考虑边坡的变形，在大量假设的基础上，依据力或力矩的平衡求解边坡的安全系数[1]。但是也正因为有太多的假设，计算出的精准度不高，导致适应性差。而有限元法适应性广，但是无法计算出安全系数。在现今的工程中，有限元极限分析法运用的越来越广泛，它既适用于工业设计，且适应性广，对于岩土工程(如边坡、地基、隧道)的设计，运用也特别广泛。有限元极限分析法包括：1)有限元强度折减法；2)有限元增量加载法。本次分析采用ANSYS有限元强度折减法。

2.1 边坡失稳的判据

1)以有限元数值迭代不收敛作为边坡失稳的标志；2)以特征点的位移突变作为边坡失稳标志；3)以广义塑性应变或等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡失稳的标志[2]。本次分析设定计算模型最终计算数值迭代不收敛为边坡失稳依据。

2.2 材料模型的设定

ANSYS中能用于岩土材料的只有D-P模型，D-P模型是理想弹塑性模型。理想弹塑性即材料应力达到屈服极限以后，应力不再增大，应变会一直增加。ANSYS中设置D-P模型需要输入3个参数，分别为粘聚力c，内摩擦角φ，膨胀角φf。其中膨胀角φf是用来控制体积膨胀大小的。在岩土工程中，一般密实的砂土和超强固结土在发生剪切的时候会出现体积膨胀，因为颗粒重新排列了；而一般的砂土或正常固结的土体，只会发生减缩。故本模型将膨胀角φf设置为0是合理的。

2.3 有限元强度折减理论

强度折减法是有限元分析中最常用的方法之一，对于本材料模型中的粘聚力c，内摩擦角φ，则是需要折减的参数。强度折减法即是将c和φ同除以一个折减系数，得到新的c和φ，记为c′和φ′[3]。然后作为新的土体强度参数输入模型，进行试算，以此类推。相应折减公式如下：

当最终计算数值迭代不收敛时，此时对应的折减系数F即是该边坡的安全系数。

3 工程实例

某水电站进场公路旁有一边坡，其组成岩性比较单一，岩体裂隙发育程度较弱，地下水水位较低。因此，对该边坡的工程地质情况做出两点假设：1)边坡为均质边坡；2)忽略地下水的影响，以便简化计算模型。坡高125m，纵向长2 000m。对于这种纵向很长的实体，计算模型可以简化为平面应变问题。对于边坡的稳定性分析，实践表明这种假设是合理的。该边坡围岩岩石力学参数见表1。

表1 模型计算参数

本次分析主要内容是在两种计算模型下的三种工况下模拟开挖上述边坡，分析在不同工况下边坡的安全系数。工况类型如表2所示。

表2 工况类型模拟情况

4 计算过程

1)在ANSYS中选取所需单元，围岩体选用Plane82单元，工况二中用到的支护混凝土选用Beam3单元，定义单元实常数以及赋予单元相关参数。

2)在ANSYS环境中以m为单元创建分析模型，并注意将计算过程中会被开挖的土体单独生成面，以便于后面进行的“杀死面”操作。所有面(或线)赋予单元和材料属性；合理分配模型各线段划分比例，划分网格，如图1所示。

3)根据边界条件在断面两侧施加UX方向约束，底面施加UX,UY约束，并施加重力加速度。

4)设置求解选项，求解。因为分析过程每一次都是从计算初始应力开始，故不需要写初应力文件。完成初始应力求解后保存数据，然后进行土体开挖和喷射混凝土支护模拟。两种计算模型开挖级数都是五级，工况一和工况三类似，工况二会进行支护模拟，下面分别介绍：对工况一和工况三，利用ANSYS程序的EKILL命令一级一级“杀死”开挖土体单元，模拟土体开挖卸载施工，求解，保存求解数据。对工况二，利用ANSYS程序的EKILL命令“杀死”开挖土体单元，“杀死”一级结束后就利用ANSYS程序中的EALIVE命令激活喷射混凝土，然后开挖下一级，如此反复。求解，保存求解数据。

5 计算结果分析

1)对工况一：计算强度未折减的天然土体状态下开挖的数据，然后分别计算折减系数F=1.2，1.4…对应土体强度下开挖的数据。在ANSYS的后处理器中可以看出随着折减系数的变化，模型节点的最大位移,XY方向剪应力，塑性变形也在变化。当工况一的折减系数F=3.5，数值计算收敛；折减系数F=3.6，数值计算不收敛(见图2)，此时边坡失稳。

故工况一的安全系数为3.5。

2)同理，对工况二：由于喷射混凝土支护结构的存在，边坡岩土体的稳定性得到改善。对土体强度进行折减，当折减系数F=3.9时数值计算收敛，当F=4.0时数值计算不收敛，此时边坡失稳。对工况三：当折减系数F=4.0时数值计算收敛，当F=4.1时数值计算不收敛，此时边坡失稳。工况二、三的数值计算结果图类似于工况一，此处不再赘述。

故工况二的安全系数为3.9，工况三的安全系数为4.0。

6 结语

1)利用ANSYS软件对边坡进行有限元分析，其结果与工程实际相差不大，证明这种分析方法是可行的。本文利用ANSYS软件的初应力输入和单元生死功能，模拟了在天然状态下、开挖过程中以及开挖并支护状态下边坡的应力场，取得了比较好的效果。

2)改变开挖坡率，边坡的安全系数产生变化。坡率大(工况三)的安全系数较坡率小(工况一)的安全系数大。当采取一定措施对以较小坡率开挖的边坡进行支护，如喷射混凝土，可以加大安全系数。此种开挖并支护的方式可以推广，对工程具有参考意义。若在实际工程中，工况二的开挖成本低于工况三，而且安全系数也不低于工况三，那么优先采用工况二进行开挖。

3)在模拟开挖时，作了以下两点假设：a.边坡为均质边坡；b.忽略地下水的影响。但是毕竟围岩体内存在软弱结构面，发育程度较弱的裂隙，地下水，如果要考虑这些因素对边坡稳定性的影响，那么如何定量地对围岩模型施加这些因素，则是应当继续研究的问题。

[1] 陈 华，房 锐，赵有明，等.基于有限元强度折减法的岩石高边坡稳定性分析[J].公路，2009(10)：31-32.

[2] 谢荣昌，齐 伟，李 彬.基于有限元强度折减法的边坡稳定性分析[J].边坡工程，2008，12(2):69-70.

[3] 阎 波，方 云.基于ANSYS的边坡开挖模拟[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

贾 正(1990- )，男，在读硕士； 涂兴怀(1964- )，男，副教授

TU413.62

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