基于有限元方法的边坡开挖与稳定性分析

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1、基于有限元方法的边坡开挖与稳定性分析MfflB沈会兰山西工商学院建筑工程学院摘要：该文采用有限元方法和“生死单元法”对某边坡开挖工程进行模拟，同时采用强度折减法计算了边坡在开挖过程中的稳定安全系数，探讨了开挖过程中边坡应力和位移的分布情况以及边坡稳定安全系数的变化情况。结果发现:随着边坡的开挖，边坡的应力集中现象逐渐消除，坡顶位移减小，但坡脚位移减小不明显;在一、二级开挖过程中，边坡稳定安全系数增加，在三级开挖后，边坡稳定安全系数减小。因此在开挖过程屮应注意采取防护措施。关键词：边坡开挖;有限元;强度折减法;边

2、坡稳定分析;作者简介：严铭姣（1992-）,女，陕丙渭南人，研究生，主要从事防灾减灾工程及防护工程的研究和教学工作。收稿曰期:2017-10-12SlopeExcavationandStabilityAnalysisBasedonFiniteElementMethodAbstract：Thispapersimulatesaslopeexcavationprojectwithfiniteelementmethodandthelifeanddeathelementmethod,calculatesthestabil

3、itysafetycoefficientsoftheslopeinexcavationprocess，anddiscussesthedistributionofslopestressanddisplacementandthevariationofsafetyslopestabilitysafetycoefficientsintheexcavationprocess.Thestudyshowsthatthestressconcentrationofslopeisgraduallyeliminatedwiththe

4、excavationofslope,thedisplacementofslopetopisdecreased,butthedecreaseofslopefootisnotobviousintheslopeexcavation.Duringthelevel-oneand-twoexcavations,theslopestabilitycoefficientsincreasebutdecreaseafterlevel-threeexcavation.Therefore,theprotectivemeasuressh

5、ouldbetakenintheexcavationprocess.Keyword：slopeexcavation;finiteelement;shearstrengthreduction;slopestabilityanalysis;Received：2017-10-120引言边坡失稳会造成较大的灾害和损失，在土木工程、水利水电工程、公路及铁路工程等建设中的边坡开挖和稳定分析是一个重要的工程问题。在实际工程中，边坡常釆用分级开挖。过去对边坡开挖过程的研究常采用极限平衡法，该方法对地质条件和边坡内部作用力做了简

6、化，因此该方法不能准确地反应边坡开挖的实际情况m。近年来，有限元方法已经被广泛运用于边坡开挖和边坡稳定分析屮[2-3]，有限元方法能较好地反映边坡开挖时的变形、应力、位移的分布情况。因此本文采用有限元方法模拟边坡的开挖过程，以及计算边坡开挖过程中稳定安全系数。1计算方法1.1边坡幵挖模拟在边坡开挖问题中，其实质主要是应力的释放。在有限元分析中，只要在建立初始应力之后，移除开挖单元即可。计算中采用自重应力场作为边坡初始地应力场，同时在分析过程屮采用“生死单元法”来模拟边坡开挖过程。1.2强度折减法的基本原理强度折

7、减法的基本原理是通过改变土体抗剪强度的方法使系统达到破坏前的临界状态，把此时的折减系数作为安全系数。在边坡发生破坏时常常是由于土体强度降低，因此釆用强度折减法比较符合实际工程情况。折减后的土体强度指标为：式中:C和小分别为土体的粘聚力和内摩擦角；〜和t分别为维持土体平衡所需的粘聚力和内摩擦角;FT为强度折减系数。在计算中假设不同的强度折减系数Ft,根据折减后的强度参数进行有限元分析,观察计算是否收敛，以特征部位的位移拐点作为评价标准［4,5］。2工程概况2.1计算模型本次研宄以某工程实例为研宄对象，以边坡主轴剖

8、面为对象，建立二维平面应变模型。儿何模型如图1(a)，本次工程对边坡进行3级开挖，坡比为1:1、1:0.5和1:0.5。有限元网格如图1(b)，共有3219个单元和3321个节点，计算屮模型底面采用两向约束，两侧采用法相约束。2.2材料参数本次研宄只考虑自重荷载。根据工程地质勘杳成果的得到了模型计算参数，幵挖土体为含砂黏土，土体物理力学性质较差，其中土体天然重度为19.IkN/m,粘聚