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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Ⅰ、Ⅱ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 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 Ⅰ类围岩 1 0．4 17 Ⅱ类围岩 2 0．35 20 C30混凝土 30 0．2 25 　　3 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14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