魏 达 刘思奇 吕美群 申杨凡

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

边坡上部基坑开挖数值模拟分析

魏 达 刘思奇 吕美群 申杨凡

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

为了解边坡上部基坑开挖对于边坡稳定性的影响，利用有限元软件ansys对边坡上部不同深度的基坑开挖进行了数值模拟，通过计算得到了边坡在开挖前后水平方向的变位以及边坡塑性应变的差异，所得结果可为边坡支挡防护等相关工程的设计提供参考。

边坡，稳定性，基坑开挖，有限元计算软件

0 引言

在岩土与水利建设中，边坡工程是十分重要的，边坡的稳定性会严重影响工程的施工和运营安全。边坡上部进行一定深度的基坑开挖既破坏了原有边坡的稳定性能，同时也是一种上部结构的卸载过程，因此边坡上部的基坑开挖对于边坡的稳定性有一定的影响。

本文通过有限元模型对于边坡进行不同深度的基坑开挖数值模拟，可以得到不同开挖深度的基坑对于边坡x方向的变位以及塑性开展区。

1 计算模型

本文采用大型通用有限元计算软件ansys建立边坡平面模型，由于边坡可以认为是纵向较长的实体，因此将几何模型简化为平面问题进行简化是合理的。模型单元采用材料库中常见的Plane82单元，此平面单元由于具有8个节点，具有较大的精准度，可以很好的适应不规则网格。定义边坡截面中边坡的高度为90 m，边坡坡率为1.5。

本次边坡模型选用D-P(Drucker-Prager)模型作为土体的本构模型，ansys中的D-P模型是使用Von Mises屈服作为相应判断条件。在D-P模型中，其等效应力σe以及Von Mises屈服法则的计算公式如式(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——静水压力；

β——材料参数；

{s}——偏差应力矩阵；

C——粘聚力；

φ——土体的剪胀角。

本例中，土体采用的粘聚力为123.13 kPa，内摩擦角为14.96°，剪胀角设置为0。

建立相关几何模型以后对模型进行网格划分并施加约束，对有限元模型的下部土体进行完全约束，并对边坡左右两边进行横向膨胀约束，对模型进行自重荷载加载，通过杀死一定单元的方式模拟边坡上部的基坑开挖进行计算。其有限元模型示意如图1所示。

2 计算结果分析

对边坡上部进行不同深度的基坑开挖，其中所开挖的基坑距离斜坡为20 m，基坑宽度为20 m，所开挖的边坡基坑深度分别为5 m，10 m，15 m，20 m。经过计算后进入通用后处理可以查看得到边坡的x方向以及y方向的位移变形云图、塑性应变云图等。如果边坡的x变形较大，塑性区持续开展形成贯通区域时，就容易发生边坡塌陷等灾害，因此通过边坡的x变形以及边坡塑性变形可以综合判断边坡稳定性。

通过边坡上部不同深度的基坑开挖进行求解得到边坡x方向的位移云图以及塑性云图，与未开挖的边坡模型计算进行对比，其中x方向随着基坑开挖深度的不断增大边坡上部位移最大值变化如图2所示，未开挖时的边坡x方向位移云图与上部基坑开挖20 m时的x方向位移云图如图3所示。

通过图2以及图3可以看出，基坑开挖前后，边坡在-x方向的位移值要远大于在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现位置均相同，-x方向位移最大值均出现在坡脚处，而x方向位移最大值均出现在坡顶处。随着边坡开挖深度的不断增大，-x方向的位移值呈现四次抛物线的形式下滑，这是由于基坑开挖对于边坡而言是一个卸载的过程，此时对于边坡稳定性是有利的。随着边坡开挖深度的不断增大，x方向的位移值呈现四次抛物线的形式上升，这是由于出现x方向的位移最大值在坡顶处，而在坡顶处进行基坑开挖则会破坏局部结构的稳定性，使得基坑附近的土体更容易塌陷。

通过有限元计算所得到的塑性区开展的塑性应变最大值如图4所示，基坑开挖前后的边坡塑性应变云图如图5所示。

通过图4以及图5可以看出，无论基坑开挖前后，边坡的塑性区开展都是从坡脚处开始，其塑性应变最大值都在坡脚处。随着开挖深度的不断增大，其塑性应变最大值出现了先降再升再降的双波谷式变化，这是由于最开始的基坑开挖对于边坡土体是一个卸载作用，使得坡脚的塑性应变减小，从图5b)中可以看出，当基坑深度达到20 m时，此时的基坑附近也出现了较大的塑性区，如基坑深度不断增大，其塑性区开展容易形成贯穿区域，不利于边坡的稳定性。

3 结语

通过有限元计算软件ansys对不同深度的边坡上部基坑进行开挖的数值模拟，可以得到以下几点结论：

1)不同深度的基坑开挖对边坡的稳定性有一定的影响。

基坑开挖前后，边坡x方向最大值出现的位置是一定的，均出现在坡脚处。但是随着边坡开挖深度的不断增大，-x方向的位移值呈现四次抛物线的形式下滑，而x方向的位移值呈现四次抛物线的形式上升，因此在边坡上部进行开挖时，尽量采用相应的支挡结构。

2)随着边坡开挖深度的不断增大，边坡的塑性应变最大值出现了先降再升再降的双波谷式变化，当基坑深度达到20 m时，此时的基坑附近也出现了较大的塑性区，因此较大的基坑开挖不利于边坡的稳定性。

[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] 刘世强，丁佳攀，何钰龙，等.基坑开挖对边坡稳定性的影响分析[J].建材发展导向,2014(5):28.

[3] 王恒星,孙 硕,刘 洁,等.冻融作用对路堤边坡稳定性的影响[J].北方交通,2014(12):47-49，54.

[4] 阎 波，方 云.基于ANSYS的边坡开挖模拟[J].山西建筑,2008,34(1):93-94.

[5] 包 磊.基于ansys的边坡稳定性强度折减有限元分析[J].土工基础，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 达(1992- )，男，在读本科生； 刘思奇(1993- )，男，在读本科生； 吕美群(1993- )，女，在读本科生； 申杨凡(1993- )，男，在读本科生

1009-6825(2015)22-0098-02

TU463

A