基于ANSYS的某高陡边坡开挖支护有限元分析

基于有限元的公路边坡支护设计及效果测试咱们在高速公路上开车的时候，看到两旁的边坡，大家可能并不会太在意，觉得它就是个简单的山坡，甚至有点土土的。

可是，如果这边坡不稳，结果可就不太美妙了，特别是下大雨或者是天气不太好的时候，这些边坡就很容易发生塌方，给公路安全带来巨大的隐患。

于是呢，大家开始动脑筋，如何解决这个问题，保证公路两边的土壤能够稳稳当当的待在那里，不给我们带来麻烦。

于是，就有了边坡支护的设计。

说白了，就是给这些边坡穿上“盔甲”，让它们在风雨中不容易倒塌，保证我们的行车安全。

你可能会想，这个支护到底有啥神奇之处？它背后的原理简单得很，就是通过一些技术手段，让边坡的土体不容易滑动，减少土石流的发生。

而为了确保支护设计的效果，咱们不得不提到有限元分析这一技术。

听起来好像挺高大上，但它就是用数学模型去模拟现实中边坡受力的情况。

通过这种方式，设计师能更精准地预测到不同设计方案的优劣，让整个支护设计变得更科学。

就像是给边坡做了个全身检查，找到它最容易“生病”的地方，做个针对性的治疗。

现在我们都知道，公路边坡支护是为了提高道路的稳定性，可是具体怎么设计才能做到最好呢？这就得“掏心掏肺”地去分析了。

首先得了解这块土地的性质，土壤是沙土还是黏土，它是怎么分布的，甚至要考虑到季节的变化，雨水的影响，温度的变化对土体的影响，啥情况都会影响到边坡的稳定性。

然后通过有限元分析，将所有的物理特性，地形地貌，以及外力因素都考虑进去，进行一系列的模拟和计算。

通过这些细致入微的计算，设计师能够找到最适合的支护方案，像是给边坡量身定做一套适合它的保护措施，做到既安全又经济。

像是那种有点“懒散”的边坡，它需要的支护方案可能就是最基础的挡土墙或者是钢筋网；如果边坡比较“机灵”，可能需要复杂一点的结构设计，甚至是几种支护措施的组合。

只有合适的设计才能确保边坡在不同情况下都能稳稳地待着。

可是，光有设计还不够呀，我们还得看看实际效果怎么样。

基于 ANSYS平台的 FLAC3D顺层岩质高边坡开挖稳定性分析摘要：文章运用FLAC3D有限差分软件中Mohr-Coulomb 本构模型对某场地顺层岩质高边坡分步开挖进行模拟，揭示坡体的整体变形和应力应变特征发展过程，对边坡开挖稳定性做出评价。

结果表明坡脚和开挖临空面应力相对集中，自上而下开挖至第七级台阶处位移突增，边坡处于不稳定状态。

关键词：顺层岩质高边坡；ANSYS；FLAC3D；稳定性分析1引言顺层岩质高边坡作为边坡的一种特殊形式，是很容易发生变形破坏的一种边坡类型，使得顺层岩质高边坡的失稳问题成为工程地质学和岩石力学领域内亟待解决的问题之一［1】。

FLAC3D数值模拟方法全面满足了静力许可、应变相容和应力、应变之间的本构关系。

同时，采用数值分析方法可以不受边坡不规则的几何形状和材料的不均匀性的限制，这是比较理想的分析边坡应力变形和稳定性的手段。

在运用FLAC3D对边坡进行稳定性数值模拟分析时，通常要对实体对象经过适当简化建立相应的三维计算模型。

然而FLAC3D在前期处理建模以及网格划分方面却一直很不方便,特别是遇到地层比较复杂和边界不规则时，在创建模型时就十分困难，不易控制网格点数据，不能完全创建真实的地质模型［2】。

ANSYS可以自上而下直接建立实体模型，还可以通过自下而上依次生成点、线、面和体，从而创建真实的实体模型［4】。

对于创建好的实体模型的网格划分，ANSYS提供了功能强大的控制工具，比如单元大小和形状的控制、网格的划分类型以及网格的清除和细化［5］。

因此，在需要建立比较复杂的地质模型时，可以采用建模与网格划分功能强大的ANSYS软件建立相应的数值模型，再导入FLAC3D中进行分析，这样就可以明显降低了前期建模的难度［6］。

2工程地质概况场地整体地形情况为西高东低，四周高中间低，场平过后场地将形成约10个高边坡，最大边坡高度超过90m。

特别是南侧高边坡，为顺向边坡，边坡软弱结构面较多，层面存在泥化现象,岩体较破碎，边坡开挖后容易引起岩体滑动,造成边坡失稳。

收稿日期:20230508基金项目:江苏省政策引导类计划项目(B Y 2015002-05)㊂作者简介:丁 玎(1999),男,河南南阳人,硕士研究生㊂通讯作者:陈志坚(1963),男,福建福清人,教授,博士㊂第36卷第2期2024年 4月沈阳大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f S h e n y a n g U n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e )V o l .36,N o .2A pr .2024文章编号:2095-5456(2024)02-0163-08基于离散元的岩质高边坡开挖支护数值模拟丁 玎,陈志坚*(河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 211100)摘 要:为分析岩质路堑高边坡的开挖支护对边坡变形破坏及边坡稳定性的影响,利用离散元数值模拟与原位监测相结合的方法,对开挖适时支护与开挖未支护两种工况进行比较,评价了锚杆支护的效果㊂结果表明:边坡开挖引起的竖向位移主要集中于开挖面中部;在相同开挖条件下,经适时支护后,边坡开挖面临空向水平位移最大值减小2.50c m ,安全系数提高8.62%,处于基本稳定状态;数值模拟结果与原位监测数据基本吻合,说明离散单元法对于分析岩质边坡稳定性问题的适用性㊂关 键 词:路堑边坡;数值模拟;离散单元法;现场监测;锚杆加固中图分类号:T U 457 文献标志码:A N u m e r i c a lS i m u l a t i o n o f H i g h R o c k S l o p e S u p p o r t U n d e r E x c a v a t i o nB a s e d o nD i s c r e t eE l e m e n tM e t h o dD I N GD i n g ,C HE NZ h i ji a n (S c h o o l o fE a r t hS c i e n c e s a n dE n g i n e e r i n g ,H o h a iU n i v e r s i t y ,N a n j i n g 211100,C h i n a )A b s t r a c t :I no r d e rt oa n a l y z et h ei m p a c to fe x c a v a t i o na n ds u p p o r to fh i g hr o c kc u t t i n g s l o p e so nt h es t a b i l i t y o fs l o p e ,t h et w oc o n d i t i o n s w e r ec o m p a r e d b e t w e e n e x c a v a t i o n w i t h o u t s u p p o r ta n dt i m e l y s u p p o r t e db y b o l t .T h ee f f e c to fb o l ts u p p o r t w a se v a l u a t e d t h r o u g h t h e m e t h o d o f c o m b i n i n g d i s c r e t e e l e m e n t n u m e r i c a l s i m u l a t i o n w i t h f i e l d m o n i t o r i n g .T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n tc a u s e db y e x c a v a t i o n w a s m a i n l y c o n c e n t r a t e di n t h e m i d d l e o ft h e e x c a v a t i o nf a c e .U n d e rt h es a m e e x c a v a t i o n c o n d i t i o n s ,t h e m a x i m u m v a l u e o f t h e s l o p e e x c a v a t i o n f a c e s p a c e -f a c i n g h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n tw a s r e d u c e d b y 2.50c m ,a n d t h e s a f e t y f a c t o r o f c u t t i n g s l o p ew a s i n c r e a s e d b y 8.62%,i n d i c a t i n g t h a t t h e s l o p ew a s i nab a s i c a l l y s t a b l e s t a t e .I n a d d i t i o n ,t h e v a l i d i t y a n d c o r r e c t n e s so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s w e r ev e r i f i e db y c o m p a r i n g w i t ht h ef i e l d m o n i t o r i n g d a t a ,w h i c hi n d i c a t e d t h e a p p l i c a b i l i t y o ft h e d i s c r e t e e l e m e n t m e t h o d f o r a n a l y z i n g t h e s t a b i l i t y o f r o c k y s l o p e .K e y w o r d s :c u t t i n g s l o p e ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ;d i s c r e t e e l e m e n tm e t h o d ;f i e l dm o n i t o r i n g ;a n c h o r b o l t r e i n f o r c e m e n t随着我国公路网络的不断完善,在山区交通的修建过程中,由于工程地质条件的限制,不可避免地形成了数量众多的岩质高陡路堑边坡㊂人工开挖改变了天然边坡的边界条件与载荷条件,致使边坡内部应力重新分布,造成局部区域应力集中进而影响边坡稳定性㊂边坡从变形至失稳破坏是一个渐进的过程[12],具有一定规律的演变过程,但边坡变形缓慢,难以凭借工程经验判断边坡变形演变情况,故通常对边坡进行现场监测,及时掌握边坡内部变形趋势,采取相关措施进行加固,达到避免边坡发生失稳破坏的目的㊂现场监测[3]作为评价边坡稳定性的有效手段,为边坡施工期治理提供可靠的依据与建议,通过分析监测数据及时采取有针对性的加固措施,降低边坡失稳所带来的损失㊂边坡开挖引起的滑动破坏㊁崩塌等边坡失稳问题严重威胁人们的生命财产安全,引发了大量学者的关注与研究㊂梁靖等[4]基于现场调查和监测结果分析,揭示了边坡变形破坏特征,定性评价了边坡稳定性;彭绍才等[5]通过分析乌东德水电站施工期的监测成果,揭示了边坡发生变形的原因,进一步评价了边坡的稳定性㊂但现场监测只能采集到特定测点的位移㊁应力等,利用数值模拟可以对任意点进行位移㊁应力分析,故数值模拟通常与现场监测相补充㊂梁远禄等[6]利用A N S Y S 有限元软件对路堑边坡分级开挖进行了模拟,分析了逐级开挖各阶段的位移与剪应变变化,阐述了边坡开挖后采取适时支护措施的必要性;闫强等[7]采用有限元法对及时支护和未及时支护两种工况进行了模拟,分析了两种不同支护方式下边坡开挖稳定性变化特征,探究了开挖支护时序对边坡稳定性的影响;吴江鹏等[8]利用有限差分法模拟了边坡在降雨条件下的开挖过程,与现场调查相结合,探究了边坡在开挖扰动及降雨工况下的失稳破坏机理;D o u 等[9]基于有限元强度折减法分析了土质路堑高边坡在开挖与降雨条件下的破坏机理,对不同的加固方案效果进行了比较,结果表明适时加固可以降低开挖扰动对边坡稳定性的不利影响;周子涵等[10]利用有限差分法研究了边坡在开挖扰动作用影响下的系统能量变化㊁稳定性变化和失稳破坏机制;相较于土质边坡,岩质边坡内部赋存的大量结构面对边坡稳定性起控制作用㊂因此,在进行数值模拟时不适合将节理岩体视作各向同性材料,宜采取离散单元法进行模拟与分析㊂黄俊辉等[11]利用二维离散元软件模拟了多级边坡的开挖过程,将模拟结果与现场监测数据对比,评价了边坡开挖稳定性,分析了开挖稳定性的影响因素;罗沙等[12]借助颗粒离散元法,从微观角度探究了应力水平㊁裂隙密度等因素对于开挖卸荷作用下边坡稳定性的影响;徐奴文等[13]利用二维离散元软件模拟了顺层岩质边坡的开挖卸荷过程,揭示了顺层岩质边坡的变形失稳机制,根据模拟结果提出加固措施建议,对于同类型工程具有良好的借鉴意义㊂随着计算机技术的发展,三维离散元法逐渐走入学者们的视野㊂单仁亮等[14]通过三维离散元软件(3D E C )模拟了岩质边坡开挖过程,根据模拟结果提出了边坡支护方案,评价了支护后边坡的稳定性;倪勇等[15]利用3D E C 建立了辽宁建兴高速公路某段路堑边坡离散元模型,模拟了该路堑边坡的开挖过程,依据数值模拟结果确定失稳块体的位置,为边坡支护设计提供了依据㊂图1 路堑边坡的开挖坡率F i g .1 E x c a v a t i o n s l o p e r a t eo f t h ec u t t i n g s l o pe 鉴于此,本文依托连云港东疏港高速公路路堑边坡,采用3D E C 软件建立具有起伏地形的天然边坡三维模型,对边坡开挖未支护工况与开挖适时支护工况进行模拟,结合原位监测数据,评价了边坡支护效果与边坡稳定性,为相似工程背景下的研究提供借鉴㊂1 工程背景1.1 工程概况连云港东疏港高速公路起自连云港南侧港区进港道路,穿越后云台山,向南经中云台山,跨242省道与连徐高速公路相连,全长约13k m ㊂线路采用明挖方式横穿中云台山,进而在高速公路两侧均形成了高陡岩质路堑边坡㊂其中,东坡最大开挖深度超200m ,属1级边坡工程,相较于西坡,坡度更陡㊁开挖级数更多,在开挖扰动工况下更易发生边坡失稳,故选择东坡为研究对象㊂该边坡总体走向为N E~S W 方向(52.5ʎ~232.5ʎ),开挖段路线全长1050m ,路基设计标高为15~17m ㊂实际边坡工程中,边坡按单级坡高10m ,单级坡角55ʎ,分20级自上而下逐级开挖并进行支护㊂各级平台除第5㊁9㊁13㊁15级外,宽度均为3m ,总体坡角为42.4ʎ㊂边坡开挖坡率及各级台阶宽度的具体布置如图1所示㊂461沈阳大学学报(自然科学版) 第36卷1.2 工程地质条件由地质地面调绘㊁钻探㊁现场试验及物探成果形成的工程地质剖面图(图2)可知:边坡岩体岩性单一,基岩为前震旦系海洲群云台组变粒岩,以肉色白云钠长变粒岩为主,具变斑状及变余晶屑塑性岩屑结构,似片麻状构造;主要矿物成分为长石㊁石英㊁云母等;其软化系数为0.84~0.90,为硬质岩㊂图2 路堑边坡工程地质剖面图F i g .2G e o l o g i c a l p r o f i l em a p o f t h ec u t t i n g s l o pe 边坡岩体以块状结构为主,岩体中主要发育走向为N N E ㊁N E ㊁NWW 及N E E 向的结构面㊂其中,片理面为主要结构面,总体倾向东南,产状为150ʎø30ʎ~110ʎø20ʎ,对边坡工程地质性质影响较大㊂坡内有数条绿泥石片岩发育,产状为N E 40ʎ~60ʎ/S Eø10ʎ~30ʎ,自西南至东北方向贯穿东坡,缓倾向坡内㊂主要矿物为绿泥石,抗压强度较低,试验测得软化系数为0.4~0.6,为易软化岩,在地下水活动较频繁地段岩体强度变化大,抗风化能力差㊂2 离散元数值模拟连云港东疏港高速公路路堑边坡内部结构面较为发育,边坡岩体在大规模开挖过程中可能沿结构面产生错动与滑移,因此要求数值模型允许块体转动乃至脱离,有限单元法㊁有限差分法对于结构面的模拟具有一定局限性㊂为确保数值模拟的合理性,本文采用3D E C 软件对该边坡开挖与支护过程进行模拟,为边坡施工期稳定性分析提供依据㊂图3 天然边坡离散元模型F i g .3 D i s c r e t ee l e m e n tm o d e l o f n a t u r a l s l o pe 2.1 天然边坡模型建立综合考虑,连云港东疏港高速公路路堑边坡的实际地质情况与勘察报告,建立具有起伏地形的可视化天然边坡三维数值模型如图3所示㊂模型尺寸为500mˑ250mˑ255m ,取边坡底部高程为-50m ㊂依据地质勘探资料及岩体风化程度,将边坡从上至下分强风化变粒岩㊁中风化变粒岩和微风化变粒岩㊂由于边坡控制性结构面间距小㊁数量多的特点,本文主要对绿泥石片岩及其两侧陡倾结构面进行模拟,将绿泥石片岩夹层简化为厚度2m 的软弱夹层㊂地下水作为边坡重要控稳因素之一,为模拟天然边坡内部地下水准静态分布情况,体现其对于边坡的影响,基于施工期地下水监测数据,选取各测点历史最高水位作为模型在该点的地下水位㊂根据边坡岩土体材料特性,模拟计算采用摩尔库伦屈服条件的弹塑性模型;3D E C 中采用接触摩擦型节理模拟接触关系,服从库伦滑移破坏准则,结构面采用库伦滑移模型进行计算[16],以自重应力作为初始应力㊂同时,模型对底部进行位移约束,坡顶和坡面为自由表面㊂数值计算中所需的体积模量K 561第2期 丁 玎等:基于离散元的岩质高边坡开挖支护数值模拟与剪切模量G 可按式(1)和式(2)进行取值[17],相关岩体与结构面力学参数根据试验和相关规范确定,如表1㊁表2所示㊂K =E 3(1-2μ),(1)G =E 2(1+μ)㊂(2)式中:E 为弹性模量,M P a ;μ为泊松比㊂表1 边坡岩体物理力学参数T a b l e1 P h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f s l o pe r o c km a s s 岩 性密度/(k g ㊃m -3)天然密度饱和密度弹性模量/M P a 摩擦角/(ʎ)黏聚力/M P a 泊松比强风化变粒岩205021601300270.150.35中风化变粒岩230024103650330.450.30微风化变粒岩2650274021500551.550.23绿泥石片岩 179019901250250.090.37表2 结构面物理力学参数T a b l e2 P h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f s t r u c t u r a l pl a n e 结构面类型黏聚力/M P a 摩擦角/(ʎ)法向刚度/G P a 剪切刚度/G P a 陡倾结构面0.05282.801.20软弱夹层 0.02160.330.112.2 数值模拟结果分析基于天然边坡模型,由开挖底面与坡面共同确定开挖区域,进行20级边坡逐级开挖模拟㊂由于边坡开挖级数较多,本文以边坡开挖模拟完成后的应力场㊁位移场及加固后的锚杆受力状态为着手点进行分析㊂为直观展示边坡开挖所引起的边坡变形,在开挖模拟开始前将自重平衡所产生的边坡变形量清除,模拟所得结果即为开挖引起的变形量㊂2.2.1 边坡开挖未支护工况边坡模拟开挖完成后位移情况如图4所示,开挖引起的回弹变形主要集中在软弱夹层以下的开挖平台中部区域㊂竖直向位移在坡面上呈现同心圆状,由54平台中部向四周扩散;随着高程降低,岩体内部弹性势能得到释放,竖向回弹位移随之增大;竖直向位移最大值出现在14平台中部,为8.68c m ㊂临空向位移随着高程降低,呈现出先增大后减小的趋势,154平台以上坡体向坡内产生变形,最大值为0.63c m ㊂随着开挖施工的进行,边坡临空向约束作用逐渐减弱,开始向临空面方向发生变形,在绿泥石片岩夹层附近达到最大值5.10c m ㊂由于绿泥石片岩夹层与陡倾结构面的存在,最小主应力在软弱夹层处发生应力陡增与应力集中现象,使得绿泥片岩区域附近的岩体在开挖完成后,沿软弱夹层结构面产生较大的临空向位移㊂利用强度折减法计算边坡开挖未支护工况下的安全储备系数F s =1.03,根据规范规定[18],此时边坡处于欠稳定状态㊂(a)竖直向位移场(b)临空向位移场图4 未支护工况下的边坡位移场F i g .4 S l o p ed i s p l a c e m e n t f i e l d u n d e r u n s u p p o r t e dc o n d i t i o n 661沈阳大学学报(自然科学版) 第36卷边坡应力主要由自重应力场控制,故边坡内部主应力方向与自重应力方向相一致㊂随着开挖量的不断增加㊁开挖高程不断降低,边坡内部最大主应力不断调整㊂在桩号K 10+50处取边坡典型剖面,该剖面应力场如图5所示㊂根据图5(a )可知:134平台以上最大主应力等值线分布近水平;134平台以下最大主应力等值线近似平行于开挖坡面㊂最大主应力的最大值存在于坡体底部,约为5096.10k P a ;最小值出现在坡顶,约为50.39k P a ,符合一般应力场分布规律㊂由图5(b )可知:最小主应力等值线分布受到软弱结构面影响,在绿泥石片岩软弱夹层处出现应力集中现象,最大值约为1630.90k P a ;边坡开挖坡面附近的最小主应力值为1.00~3.00k P a㊂(a )最大主应力(b)最小主应力图5 边坡K 10+50剖面的应力场F i g .5 T h es t r e s s f i e l da t t h eK 10+50s e c t i o no f t h es l o p e 2.2.2 边坡开挖适时支护工况边坡经大规模开挖后由岩体卸荷回弹产生的变形较大,同时在绿泥石片岩夹层附近产生较大的位移量与塑性变形,边坡处于欠稳定状态,因此有必要采取加固措施对边坡进行适时加固支护㊂实际边坡加固工程中,根据设计要求及岩性确定锚固深度,采用规格分别为Ф20mmˑ4m ㊁Ф20mmˑ6m ㊁Ф25mmˑ8m 的普通砂浆锚杆进行新奥法施工㊂在模拟中,对锚杆布置进行简化,利用3D E C 软件自带的f i s h 语言编制锚杆自动施加程序,进行全坡面锚杆支护,依据实际工况在各开挖坡面布置对应规格参数的锚杆㊂图6 锚杆轴力等值线云图F i g .6 C o n t o u r d i a g r a mo f a x i a l f o r c e 锚杆支护工况下的锚杆受力情况如图6所示,锚杆受力集中在坡顶至软弱夹层附近,锚杆轴力自坡顶向下逐渐增大㊂锚杆轴力在软弱夹层处最大,为11.43k N ㊂锚杆轴力较大值的分布情况与软弱夹层在开挖坡面上的出露情况相一致,这是由于绿泥石片岩夹层岩体性质较差,在开挖过程中发生应力集中现象,施加锚杆后抑制了其产生变形,故锚杆轴力相应增大㊂此外,锚杆轴力自边坡内部向坡面逐渐增大,主要原因是开挖扰动所导致的边坡变形大部分发生在人工坡面开挖处,坡内所受影响逐渐减小,使得锚杆轴力主要作用在开挖面附近的一定深度岩体范围内㊂锚杆支护工况下的边坡位移场如图7所示,在边坡开挖适时支护工况下的位移等值线云图分布规律与开挖未支护工况类似;边坡南侧位移量较北侧位移量大;锚杆通过抑制结构面所切割岩板间的相互滑动减小了边坡的临空向变形,临空方向位移在软弱夹层处较大,最大位移量相较于未支护工况减少了2.50c m ,开挖及时支护工况下的边坡安全储备系数F s =1.12,边坡处于基本稳定状态㊂模拟结果表明,在边坡开挖后适时进行锚杆支护,使边坡开挖面附近岩体的临空向位移变幅减小,体现了锚杆支护的加固作用,边坡稳定安全系数增大说明采取适时加固措施可以有效提高边坡开挖后的稳定性㊂761第2期 丁 玎等:基于离散元的岩质高边坡开挖支护数值模拟(a)竖直向位移场(b)临空向位移场图7 锚杆支护工况下的边坡位移场F i g .7 S l o p ed i s p l a c e m e n t f i e l d u n d e r b o l t s u p p o r t c o n d i t i o n 2.3 边坡原位监测数据与模拟结果对比分析为及时掌握边坡内部变形趋势,确保边坡工程的稳定性,该边坡自施工期起便开始布设包括滑动式测斜仪㊁多点位移计和渗压计在内的大量现场监测仪器,多种监测手段并施,对岩坡内水平位移㊁锚杆轴力㊁地下水渗透压力等进行监测,形成了完备的边坡安全监测系统㊂其中,通过钻孔测斜仪测定坡体内不同垂直深度的水平位移,为边坡治理与稳定性评价提供可靠依据㊂原位监测作为边坡稳定性评价的有效手段,将其与数值模拟相结合可以更好地阐述边坡变形机制㊂本文选取194平台观测孔L 194与134平台南部观测孔L 1342施工期及部分运营期的测斜监测数据进行分析,选取测斜孔所在位置模型剖面,沿测斜孔方向间隔0.5m 设置监测点,以测斜孔底为不动点,计算监测点与测斜孔底部的相对位移,将监测点的相对位移值与现场监测数据对比,据此验证数值模型的合理性㊂L 194观测孔现场监测数据及模型剖面如图8所示㊂监测数据显示,测斜孔顶部相对于底部产生了向坡内的水平位移,最大值为3.50mm ,位移值呈现出顶大底小的特征㊂这是由于水平位移监测略滞后于边坡开挖,致使观测孔附近岩体基本完成了卸荷变形,故该观测孔范围内岩体产生的水平位移变幅较小㊂模拟结果显示测斜孔顶部相对于底部向坡内产生了2.90mm 的水平位移,与监测数据相差0.60mm ,二者基本吻合㊂(a )L 194测孔剖面位移云图(b )L 194测孔监测数据图8 194平台测孔的模型剖面及监测数据F i g .8 194p l a t f o r mb o r e h o l em o d e l p r o f i l ea n dm o n i t o r i n g d a t a 134平台观测孔实测数据及数值模型剖面见图9㊂监测数据显示,该测孔顶部相对于底部产生的水平位移较小,在测斜孔中下部测点水平位移产生的增幅最大值为5.0mm ,向临空面方向产生了11.60mm 位移,这是由于该区域绿泥石片岩夹层所致,突变位移方向与夹层反倾方向一致㊂与L 194观测孔不同,该测孔水平位移呈现出先增大后减小的变化趋势,自孔顶至位移突变处向坡外运动,而后随着深度增加向坡内产生位移㊂主要原因为134平台测斜孔位于该边坡南侧,靠近废弃采石场使得该处岩体两面临空,岩体松动和爆破开挖所致裂隙较为发育,加之岩体较为破碎,故使得该测孔处岩体剪切变形和蠕变更为严重,从而产生向坡外变形的趋势㊂由L 1342测孔所在剖面的水平位移云图显示,观测顶部临空方向位移值为8.30mm ,由于受绿泥石片岩夹层影响,随着测孔深度的增加水平位移值861沈阳大学学报(自然科学版) 第36卷也随之增加,在软弱夹层处位移值达到了12.10mm ,随后突变至7.60mm ,观测孔底部位移为4.80mm ㊂测斜孔顶部相对于测斜孔底部产生了临空向变形,相对位移量呈现出测孔两端位移小中间大的特征,与实际监测数据所反应的特征一致㊂(a )L 1342测孔剖面位移云图(b )L 1342测孔监测数据图9 134平台测孔的模型剖面及监测数据F i g .9 134p l a t f o r mb o r e h o l em o d e l p r o f i l ea n dm o n i t o r i n g d a t a 3 结 论本文采用离散单元法建立了连云港东疏港高速公路路堑边坡三维数值模型,对开挖未支护㊁开挖适时支护两种工况进行了模拟,分析了两种工况下边坡位移场㊁应力分布㊁锚杆轴力与边坡变形情况,与现场监测数据进行了对比,得出了以下结论:1)连云港东疏港高速公路路堑边坡位移场分布规律主要受边坡岩性㊁开挖范围和软弱夹层分布的影响㊂由卸荷回弹引起的边坡竖向位移主要集中在开挖面的中部㊂2)在相同的开挖条件下,开挖后采取适时支护措施使边坡开挖面临空向最大水平位移减少了2.50c m ,提升了边坡人工开挖面临空向水平位移的协调性㊂3)边坡支护后临空向位移减小,支护工况下的安全系数为1.12,相较于未支护工况下的安全系数1.03提高了8.62%,边坡处于基本稳定状态㊂绿泥石片岩夹层处受压剪作用,产生变形较大,建议在路堑边坡运营期加强对该区域的监测㊂4)模拟结果与实际监测数据基本吻合,验证了模型的合理性与正确性,为工程背景相近的边坡稳定性分析提供了参考依据㊂参考文献:[1]康佳辉,刘晓辉,张永彬,等.基于R F P A 3D 不同加载方法的边坡渐进破坏分析[J ].西华大学学报(自然科学版),2021,40(4):99107.K A N GJH ,L I U X H ,Z H A N G YB ,e t a l .P r o g r e s s i v e f a i l u r e a n a l y s i s o f s l o p e b a s e do nd i f f e r e n t l o a d i n g RF P A 3D m e t h o d s [J ].J o u r n a l o fX i h u aU n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ),2021,40(4):99107.[2]吕金星,韩磊,陈辉,等.胜利露天矿边坡工程渐进性破坏分析研究[J ].煤炭工程,2020,52(9):126129.L Y UJX ,HA N L ,C H E N H ,e ta l .A n a l y s i sa n dr e s e a r c ho n p r o g r e s s i v ef a i l u r eo fs l o p e i nS h e n g l io p e n -p i t m i n e [J ].C o a l E n g i n e e r i n g ,2020,52(9):126129.[3]WA N G Y Q ,Z H A N GSB ,C H E NLL ,e t a l .F i e l dm o n i t o r i n g o nd e f o r m a t i o no f h i g h r o c k s l o p e d u r i n g h i g h w a y co 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g i n e e r i n g:G B50330-2013[S].B e i j i n g:C h i n aA r c h i t e c t u r e&B u i l d i n g P r e s s,2014.ʌ责任编辑:赵炬ɔ。

用ANSYS有限元法分析边坡稳定性的思考发布时间：2021-07-08T07:42:19.893Z 来源：《防护工程》2021年7期作者：陈洁[导读] ：提出了ANSYS有限元法分析边坡稳定性的优点，使用ANSYS软件模拟典型天然边坡，为了提高仿真模拟的准确性和求解结果的准确度，提出在ANSYS软件中实体建模时在材料模型、几何模型和安全系数求解方面的思考。

针对实际边坡工程的ANSYS稳定性分析提出了一些问题和想法。

陈洁重庆交通大学河海学院重庆 400041摘要：提出了ANSYS有限元法分析边坡稳定性的优点，使用ANSYS软件模拟典型天然边坡，为了提高仿真模拟的准确性和求解结果的准确度，提出在ANSYS软件中实体建模时在材料模型、几何模型和安全系数求解方面的思考。

针对实际边坡工程的ANSYS稳定性分析提出了一些问题和想法。

关键词：边坡稳定；ANSYS；有限元1.ANSYS有限元法分析边坡稳定性的优点研究边坡稳定性问题可以大体分为极限平衡理论、室内模型研究和数值分析。

极限平衡理论不能考虑土体内部应力-应变的非线性关系，所求出的安全系数只能是假定滑落面的平均安全度。

求出的内力和反力不能代表实际产生的滑移变形的力，因此这个方法对于处理边坡稳定问题存在很大缺陷。

随着分析理论的不断完善，加之计算水平的不断发展，使有限元法有了越来越大的用武之地[1-2]。

用有限元研究边坡稳定性的优点如下：（1）破坏面的形状和位置不需要假定。

（2）有限元法有变形协调的本构关系。

（3）有限元法求解建议获得完整的应力、位移。

（4）有限元法可以考虑岩土体的不连续性，即非线性应力-应变。

2.ANSYS有限元法模拟边坡典型示例该边坡考虑弹性和塑性两种材料，边坡尺寸如图1所示。

图1边坡模型示意图计算模型为二维几何模型，模型先后建立了9个关键点、10条直线和3个面。

如图2所示。

图2 边坡网格模型示意图3.ANSYS实体建模中的思考尽管数值分析方法功能强大，但将其用于边坡稳定性分析现在也存在一些问题。

基于ANSYS有限元软件的边坡稳定性分析摘要：随着计算力学、计算数学、工程管理学与计算机科学的快速发展，数值模拟的技术随之变得越来越成熟。

本文使用ANSYS有限元软件来模拟边坡，运用强度折减法，分析凝聚力和内摩擦角对边坡安全系数的影响，获得相应的位移云图。

把安全系数作为判断边坡稳定性的一个重要的指标，从而及时地发现和避免可能发生的滑坡、崩塌等自然灾害，尽可能地降低人民生命和财产的损失。

关键词：边坡；稳定性；有限元软件；数值模拟；强度折减法引言边坡是指地壳表面具有侧向临空面的地质体，由坡面、坡顶与其下方一定深度的岩土体构成。

边坡存在于大量的工程中，包括但不限于铁路、公路和水利工程等。

近年来，滑坡，泥石流，山体崩塌等灾害时有发生，严重危害了人民的生命及财产安全，给人们的生活造成了重大的威胁，边坡稳定成为社会各界广泛关注的一个问题。

不仅如此，边坡是否稳定会严重影响工程的施工安全、运营安全和建设成本，因此，边坡的稳定性有分析研究的充分必要。

运用数值模拟的方法研究边坡稳定性最早使用的就是有限元法，也是现在最常用的数值模拟方法。

有限元法充分考虑了介质的变形特征，能够正确地反应边坡的受力状态。

既能考虑到边坡沿软弱结构面破坏，还能分析边坡的整体稳定破坏。

1ANSYS有限元软件简介FEA(Finite Element Analysis)是一种高效的，常用的计算方法，它是将连续的对象离散化成若干个有限大小的单元体的集合，从而求解连续体的力学问题。

ANSYS有限元软件包含多中有限元分析类型，从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析都能够进行计算求解。

2参数选取及计算模型建立2.1 选取背景参数本次数值模拟以国内某矿边坡为对象，采用有限元软件ANSYS分析该边坡结构在不同力学参数条件下的应力应变情况，并判断其稳定性。

边坡的材料属性如表1所示。

2.2 建立计算模型对于边坡这种纵向比较长的实体，计算模型可简化成平面应变问题，即认为边坡所受的外力不随Z轴变化，其在外力作用下所发生的位移和应变都只在自身平面内。