土體邊坡仿真分析

王永興 李 洋 付俊強

摘要:文章選用模擬單元對邊坡施工過程中的土體受力問題進行了有限元分析。通過對邊界條件的真是模擬,清晰的的獲得了應力、應變、位移等信息,得出了土體開挖過程中的受力狀態,為安全施工提供了保障。

關鍵詞:邊坡;模擬單元;仿真

中圖分類號:TV698.17 文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)24-0139-01

邊坡的防護對于邊坡的穩定、安全使用、美化道路、保護環境和經濟效益都起著重要的作用。根據地質條件,合理選擇邊坡的設計坡度,對于邊坡的穩定性非常關鍵。邊坡過陡,難以穩定,導致經濟指標高;過緩雖對穩定有利,但是會增大土石方量,甚至會占用更多的土地。邊坡的防護設計是道路設計、施工中的重要環節,尤其實在修建山區道路時更為突出。由于邊坡防護工程與地質條件有關,很難通過手工計算來驗證防護措施。因此,隨著計算機模擬數值技術的發展,有限元方法以其強大的通用性在路基處理方面占據了重要作用。

1邊坡施工中的研究

①建模與加載。擋土墻選用Beam3[1]單元,Beam3單軸元素,具有拉,壓,彎性能。在每個節點有3個自由度。X,y,方向以及繞z軸的旋轉。;圍巖地址模擬選用PLANE 42單元,Plane42元素即可用于平面單元(平面應力或平面應變)也可用于軸對稱單元。該元素由4個節點定義,每個節點2個自由度:x,y方向。具有塑性,徐變,膨脹,應力強化,大變形,大應變能力。。對擋土墻以上的部分的圍巖地址定義為“KILL ELEMENT”,更加真實的模擬邊坡來挖工程。對邊坡邊界施加約束荷載和重力加速度,具體如圖1所示(圖1中擋土墻部分以上為不被激活的單元)。

②位移變形圖。運行求解命令進行求解,進入后處理提取出位移變形與云圖如下圖所示。從圖中可以看出土體的位移變化,隨著深度的增加位移值越來越大,但是在擋土墻附近的位移最小,這是因為擋土墻以上的單元處于未被激活的狀態,與實際工程相吻合。

③應力云圖。節點應力云圖[2]如下圖所示,在平均應力圖中擋土墻周圍的應力降低,整個擋土墻成為分界點,在擋土墻左部應力幾乎為零;除了擋土墻其余部分的應力隨著深度的增加而增大,直至到達端部道道最大。表明邊坡施工過程中的設計、施工重點是擋土墻背后產生的應力突變問題,這也印證了單元生死法將擋土墻以上的圍巖“凍結”,不參與計算的假定。

2 結 語

有限元數值仿真模擬提取出的應力、應變、位移等數據有效的彌補了工程試驗的有限性,應力如圖3所示。隨著有限元技術的不斷完善,有限元理論與工程實踐的合理結合必將為結構設計和施工工作提供重要的依據和指導。