土体边坡仿真分析

王永兴 李 洋 付俊强

摘要:文章选用模拟单元对边坡施工过程中的土体受力问题进行了有限元分析。通过对边界条件的真是模拟,清晰的的获得了应力、应变、位移等信息,得出了土体开挖过程中的受力状态,为安全施工提供了保障。

关键词:边坡;模拟单元;仿真

中图分类号:TV698.17 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)24-0139-01

边坡的防护对于边坡的稳定、安全使用、美化道路、保护环境和经济效益都起着重要的作用。根据地质条件,合理选择边坡的设计坡度,对于边坡的稳定性非常关键。边坡过陡,难以稳定,导致经济指标高;过缓虽对稳定有利,但是会增大土石方量,甚至会占用更多的土地。边坡的防护设计是道路设计、施工中的重要环节,尤其实在修建山区道路时更为突出。由于边坡防护工程与地质条件有关,很难通过手工计算来验证防护措施。因此,随着计算机模拟数值技术的发展,有限元方法以其强大的通用性在路基处理方面占据了重要作用。

1边坡施工中的研究

①建模与加载。挡土墙选用Beam3[1]单元,Beam3单轴元素,具有拉,压,弯性能。在每个节点有3个自由度。X,y,方向以及绕z轴的旋转。;围岩地址模拟选用PLANE 42单元,Plane42元素即可用于平面单元(平面应力或平面应变)也可用于轴对称单元。该元素由4个节点定义,每个节点2个自由度:x,y方向。具有塑性,徐变,膨胀,应力强化,大变形,大应变能力。。对挡土墙以上的部分的围岩地址定义为“KILL ELEMENT”,更加真实的模拟边坡来挖工程。对边坡边界施加约束荷载和重力加速度,具体如图1所示(图1中挡土墙部分以上为不被激活的单元)。

②位移变形图。运行求解命令进行求解,进入后处理提取出位移变形与云图如下图所示。从图中可以看出土体的位移变化,随着深度的增加位移值越来越大,但是在挡土墙附近的位移最小,这是因为挡土墙以上的单元处于未被激活的状态,与实际工程相吻合。

③应力云图。节点应力云图[2]如下图所示,在平均应力图中挡土墙周围的应力降低,整个挡土墙成为分界点,在挡土墙左部应力几乎为零;除了挡土墙其余部分的应力随着深度的增加而增大,直至到达端部道道最大。表明边坡施工过程中的设计、施工重点是挡土墙背后产生的应力突变问题,这也印证了单元生死法将挡土墙以上的围岩“冻结”,不参与计算的假定。

2 结 语

有限元数值仿真模拟提取出的应力、应变、位移等数据有效的弥补了工程试验的有限性,应力如图3所示。随着有限元技术的不断完善,有限元理论与工程实践的合理结合必将为结构设计和施工工作提供重要的依据和指导。