基坑开挖对边坡稳定性的影响分析

1、基坑开挖对边坡稳定性的影响分析摘 要：通过大型结构有限元分析软件 ansys 对 一边坡进行稳定性分析，并通过杀死单元的方法来模 拟边坡开挖。采用强度折减法来进行边坡稳定性分析， 并且得到了边坡在开挖前后的 x 方向的位移变化以及 塑性应变的变化。关键词：边坡；基坑开挖； ansys 在边坡工程当中，在边坡上部进行基坑开挖是能 够经常遇到的，这对于边坡来说既是一种卸载的过程， 同时也是破坏了其原有结构的稳定。那么对于边坡的 开挖进行稳定性分析是十分有必要的。本文立足于探 求在边坡上进行基坑开挖前后的稳定性分析，采用有 限元分析软件ansys对参考文献中国内某矿的边坡进 行模型建立。1 有限元模

2、型的建立 本例所采用的边坡的单元是材料库中的PLANE82 单元，边坡的实例选取国内某矿， 边坡模型 建立选用弹性和弹塑性两种材料，定义的两种边坡围 岩截面的材料属性参数如表 1表 1 边坡模型围岩材料属性参数材料类别 弹性模量 /pa 泊松比 v 容重 kN/m3 粘 聚力/pa内摩擦角 （。围岩 1 3.2e+11 0.24 2700 - -围岩 2 3.0e+11 0.25 2500 9e+5 42 模型建立以后进行单元离散和网格划分对模型左 右边界限制其水平位移，下边界限制其水平及竖向位 移，施加自重作用。设置边坡稳定收敛条件，求解到 不收敛为止。在对正常边坡求解完成以后，通过杀死 单

3、元的方法来模拟边坡上部的基坑开挖，使其在同等 条件进行求解，一直到边坡不收敛为止。2 有限元强度折减原理在ansys对于平面应变下的强度问题，可以用 Drucker Prager法则来代替摩尔一库伦准则，而对于 DP法则模型需要三种材料的力学参数：粘聚力C、内摩擦角、膨胀角2，其中膨胀角2在本例中均设 为0。而材料的粘聚力C和内摩擦角均使用强度折 减法进行计算。计算公式如下式所示：式中，C和为边坡土体的原始的粘聚力和内摩 擦角，C和 是折减后的粘聚力和内摩擦角，F是 强度折减系数。将折减后的参数输入模型求解计算， 若完成求解，则此时边坡是稳定的；就增大折减系数F,直到计算至不收敛为止，此时的折

4、减系数就是稳定 系数。3 计算结果分析运用ansys对边坡土体在不同的折减系数下的稳 定性进行分析， 求解完成以后， 进入后处理查看器中， 可以查看边坡的变形图、 X 方向位移云图以及塑性应 变云图。随着折减系数的增大，边坡的 X 方向位移也 在增大，塑性应变发展迅速，当塑性区发展形成一个 贯通区域时，求解计算不收敛，此时认为边坡发生了 破坏。图1基坑开挖前F=2.4的塑性应变云图 图2基 坑开挖后F=2.4的塑性应变云图通过对于基坑开挖前后边坡求解的结果，发现两 者都是在F=2.6的时候计算不收敛，F=2.4时候的塑性 应变云图如图 1、2所示。根据基坑开挖前后的塑性应变图可以看出，两者 的

5、塑性应变云图一致的，此时的塑性区即将贯通至坡 顶。在总体变化上，基坑开挖以后的塑形图围绕着基 坑边缘更快的向上贯穿，但是在基坑底部的土层仍未 发生塑性区的开展。将基坑开挖以前的边坡在不同折减系数下求解得 到的 X 方向位移的最大值以及最小值的结果列于表2：表 2 开挖基坑前后的边坡 X 方向位移值折减系数 开挖前X方向位移 开挖后X方向位移Min（ mm） Max（ mm） Min（ mm） Max（ mm）F=1.0 -32.654 46.855 -26.326 50.357F=1.2 -32.669 46.847 -26.337 50.362F=1.4 -32.877 46.977 -26

6、.358 50.371F=1.6 -46.208 53.659 -36.21 57.078F=1.8 -61.771 52.122 -49.054 55.025F=2.0 -76.543 46.368 -61.223 48.027F=2.2 -90.986 35.385 -73.475 34.80F=2.4 -103.798 23.144 -89.806 19.2124 结语根据基坑开挖前后的边坡的 X 方向的位移云图以 及塑性应变云图可以得到以下结论：4.1 无论是基坑开挖前还是基坑开挖后，在 X 方 向上的位移值在不同的折减系数的情况下有很大的改变。其中对于-X方向的位移值，随着F的增大，

7、其位 移的绝对值都是一直在增大。而且基坑开挖以后的在 -X 方向的位移值还要小于未开挖基坑的值， 这是由于 基坑开挖对于边坡相当于是一个卸载的过程。4.2 对于 X 方向的位移值，在刚开始的时候，位 移值都是增大，当达到一定的强度系数以后， X 方向 的位移值开始下降。由于基坑的存在，开挖基坑以后 的边坡在最开始出现塑性区开展时（F=1.4）,是出现 在基坑边角处；对于基坑开挖前的边坡，虽然也是在 F=1.4的时候出现塑性区开展，但是是在坡脚处进行 开展。4.3 对于基坑开挖后， F=2.6 时，计算结果不收敛， 塑性区贯穿整个边坡。当F=2.4时候，计算结果仍是 收敛的，这与未开挖基坑时的结果一致。由于此时的 强度折减系数就是稳定系数，说明基坑开挖后的边坡 仍是稳定的。参考文献1 张季如.边坡开挖的有限元模拟和稳定性评价J岩石力学与工程学报，2002.21（ 6）.2 涂国强基于ansys的边坡稳定性分析J.交通