深圳莲塘尾边坡开挖及支护的有限元分析

２ 模 型 的建立 及参 数的 选取
本 次计 算采 用 迈 达斯 （ Ｄ Ｓ公 司 开发 的岩 土 ＭＩＡ ） 工 程 分 析 软 件 Ｇ Ｓ 相 比较 于 其 他 有 限 元 软 件 Ｔ。
ＭＩ Ａ ／ Ｔ Ｄ ＳＧ Ｓ有着 明显 的易用 性 和 实用 性 ， 友善 的 中
边坡 的稳 定性进 行合 理评 价 。 作 者 以深圳某 边 坡工 程为依 托，在查 清楚 边坡 地 质环境 的基 础上 ， 取 了代表性 地质 剖面 、 选 建立数
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第 ｌ ２期
蔡
明 ， ： 圳 莲 塘 尾边 坡开 挖 及 支 护 的有 限元 分 析 等 深
第４ ７卷
化 、 风化 岩体 材 料特性 。详细参 数 见表 １锚 杆设 中 ，
计参数见表 ２ 模型分级开挖计算共划分 ３步： 开 。 ① 挖前初始应力场计算 ； －ｍ￣ｍ 、 ； ￣ 支护 ③二级开
值模 型 。通过有 限单 元法 数值模 拟来求 得边坡 开挖 过程 中岩体 的应 力状 态 、 变形 范 围等， 的分 析 由 辩证 施 工 现场 反馈 的监 测 数据 。 对 边 坡稳 定 和支 护体 并
系的状态 做 出客观 评价 。 １ 工程简 介 深圳 市 福 田区莲塘尾 片 区边坡 治理工程 位 于福 田区西北 的 山地 中 。该 山 区西 起塘 朗山 ， 至布 吉 东
计算书。 计算质量上 Ｍ Ｄ ＳＧ Ｓ已经通过了 Ｑ ／Ｃ Ｉ Ａ ／Ｔ ＡＱ 质量 管理体 系认 证 ，能 够确保计 算结 果 的精 度和 质
量。
ＭＩ Ａ ， Ｔ Ｄ ＳＧ ｓ软 件 中的 弹 塑 性 模 型 是 理 想 弹 塑
性 的本 构关 系 ，其典 型 的应力 一 应变 曲线参 见 图 ｌ 。
拟 的有 限单 元法 在工程 岩 土界开始 运用及 发展 。 因
理正 软件 计算 ， 计算 采 用 圆弧滑 动法 自动 搜索 滑面 ， 最 不利滑 动 面稳定 系数 为 １ ９ ， 坡 面布有 ６根 ． ３ 整个 ５
全 粘 结型锚 杆 ， 最不利 滑 面上 面 ， 锚杆 只有 上 在 ６根
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设计与研究 ・
深圳莲塘尾边坡开挖及支护的有限元分析
蔡 明， 付 荣
（ 成都理工大学， 四川 成都 ６ ０５ ） １０ ９
摘要 ： 普通岩 土工程 中采用的计算方法 以简便、 明确 、 易懂为原则 ， 因此普遍 采 用极 限平衡原理 为基础理 论 ， 涉及 但 开挖 和控 制边坡 变形时由于该理论 自 身理论缺 陷， 往往是依 靠工程师 自己的经验 ， 者结合深圳莲塘尾片边坡 支护 作 工程 实例 ， 原设 计方案采 用理正岩土软件为计算方 法， 通过 采用有限元软件 对边坡 开挖 与 支锚 的数值模 拟 ， 并对现
—
原 始 状 态的边 坡在 自重应 力 的作用 下 ，已经处 于应 力平 衡状 态 ， 不会 因为 重力载 荷而变 形 ， 因而在 施 加重 力 场之 后将 位移 归零 。水平 压力采 用 有 限元
（ Ｂ） ６－ ，是指 破坏 面 上 的最 大 剪应力 。 函数 Ｆ 反 映 了静水 压力 对屈 服 的影 响。 Ｉ
下的土体开始卸荷会弹 ，变形最大的部分主要集 中 在 坡脚 转 折 处 。坡 内最 大主应 力 斜交 于开 挖 面 ， 并 在 马道处 产生 轻 微 的拉 应 力 。总体 而 言 。由于开挖 较浅 ， 坡应 力情 况 改变较 少 ， 边 位移 量和锚 杆 应力水
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部 两根锚 杆受 力 ，在沿 滑动 圆弧 切 向产 生 的抗 力 为
７ ． ８ Ｎ。 ０２ ５ｋ
为 考虑 到岩 土体 和 介质 的本 构 模 型 ， 以更贴 近 实 可 际的反 映岩土体 的变形 与 受力 。同时该 方法还 可 以
模 拟边 坡 开挖 ， 支护 等 施工 顺 序 而应 起 的应 力 和位 移 的变 化 ， 并根 据边 坡 塑形 区域 的位 移或 发 展 而对
第４ ７卷 第 １ ２期
２１年 １ ０１ ２月
甘 肃 水 利 水 电 技 术
Ｇａ ｕ ａｅ ｎ ｅ ｖ ｎｃ ｎ ｙ ｒ ｐｏ ｒＴｅ ｈｎ ｌｇ ｎｓ Ｗ ｔｒＣｏ ｓ ｒ ａ ｙ ａ ｄ Ｈ ｄ ｏ ｗｅ ｃ ｏ ｏ ｙ
Ｖｏ．７． ．２ １ ４ Ｎｏ １ Ｄｅ ．２ １ ｃ， ０ ｌ
文操 作 界 面对 于 前 处 理 建 立 网 格模 型 方便 而且 快 捷 ：其独创 的 Ｍｕｔ Ｆｏｔｌ ｌ— ｒｎａ 求解 器能 为我们 提供 最 ｉ
快 的运 算速 度 。 这也是 最强 大 的功能 之一 ； 后处 理 在
中 。 以表格 、 能 图形 、 图表形 式 自动输 出简 洁实 用 的
应力 在达 到屈 服点 前与 应变成 正 比例关 系 ，超过 屈
鸡公 山 ， 于丘 陵地貌 。工程 场地三 面环 山 ， 属 整体 地
服 点时应 力一 变关 系为水 平线 。 应
屈 服 准则 采 用 Ｍｏｒ Ｃ ｕｏ ｂ屈 服 准 则 ， ｈ — ｈ— ｏ ｌｍ Ｍｏ ｒ Ｃ ｕｏ ｂ屈 服 准则 考虑 了在 静水 压 力下 岩 土体 屈服 ｏ ｌｍ
（
厶
锚杆直径 弹性模量 抗拉强度 粘结强度
／ ｍｍ ｆ ８ ＧＰ
２ ０
锚杆长度
ｌ ｍ
９
ｆＮ ｋ
１ｏ ０
ｆ ａ ｌ
４ ５０
） ｃｓ ＝ ｏ 一
二
ｓ ｉ ｎ
３ 计算 结 果分 析
推广 的形 式 为 ：
３１ 未开 挖应 力场 特征 ．
Ｆ ８ ， ） （ｌ ） Ｆ （ ） （１ ， ＝ 一 — ＋ １ ＋ ６ 函数 在 空 间 形 状 为 不 规 则 的 六 棱 锥形 ， 中 ： 其
分析 的方 法 确定 。 内力分 布值见 图 ３ 由图可 见水 平 。 方 向应力 分 布较 为均 匀 。在 坡面 附近 ，最大 主应力
逐 渐 减小 并平 行 于坡 面 ，向坡 内逐 渐变 化为水 平 方 向 。 个 边坡 处于 自然稳 定状 态 。 整
本 次 建模 网格划 分 采 用 四边 形 网格划 分 。 计算 迭 代 方法 采 用牛 顿一 普 森 法 ，各 荷 载步 最 大 迭代 拉
图 ２ 二 维 有 限元 模 型
大 主应 力 分 布 图见 图 ５ 在 边坡 开挖 之后 ， 挖 面 以 。 开
根 据 现 场边 坡 各 部 位 岩 体 结构 与构 造 特 性 ， 结
合 设计 研 究 院提 供 的 岩体 力 学试 验 结 果取 值 ， 将两 类 岩 性 的材 料模 型 合并 为 一类 建立 了坡残 积 、 强风
次数 ３ Ｏ次 。考虑 分 析 的边 坡 的形 状特 征 及 采取 的
材 料 屈服 准 则 ． 采用 二 维 数值 分 析 。计 算 时 所 施加 的边界 约束条 件 ：模 型 的左右 两侧 分别 受 轴 方 向
的位移 约束 ，模 型 的 下边 界 同 时受 轴 和 ｙ轴 方 向
的位 移 约 束 ， 坡 分 两 级 开 挖 ， 级 为边 开 挖 边 支 边 各
挖 、 护。 支
表 １ 材料 参数
应 变
图 １ 理想弹塑性塑性本构关 系
应 力会 有相 应 的增 长 ， 和在 拉伸 和压 缩 时材 料 所 表 现 的强 度 差别 ， 符 合 岩 土体 材 料 的变 形 特征 而 在 这 岩 土工程 中受 到广 泛运 用 。它 的形式 为 ：
护 ， 级 支护 采 取 ３道 全 粘 结 型锚 杆 ， 算 模 型 见 各 计
图 ２ 。
图 ３ 未开挖最大主应力 图
３２ 第一 级开 挖应 力场 特征 ．
根 据施 工 现场 ，采用 边 开挖边支 护 的方案 。建 模 时开 挖 与锚 固 同步 ， 算位 移结果 见 图 ４所 示 ， 计 最
０ 引 言
Fra Baidu bibliotek
当前 边坡 工程 中滑 坡推 力 和 土压 力 的计算 ， 都 是采 用极 限平衡理 论作 为规 范。该 理论通 常简化 问 题并需 要假设 滑 面 。 析时将 滑体 视为均质 的刚体 ， 分 计算 时 只研 究滑 动 面上 的受 力 大小 ， 他 部分 只传 其 递力 而不变 形等 。这种 基 于钢塑性 或理想 塑性理 论
形为北高南低 ，红线范 围内标高最低处约 ６ 最 ０ ｍ， 高处 约 １０ｍ； ３ 地形坡 度 １。３。平均 ２ 。 ３～ ３ ， ７。红线 外
收稿 日期 ：０ １ １ — ９ ２ １— １ １
作者简介 ： 蔡
ａ（９６ ）男 ， ￣ １８一 ， 江苏扬州人 ， ］ 硕士研究生 ， 研究方 向： 岩土体稳定性及工程 环境效应。
约 ３万 ｍ 范 围为高危 险边 坡 区域 ， 该项 目边坡 主要 为 切方形 成 的人工 边坡 。本 次计算 边坡 为北侧 治理
边坡 ， 面采用 格 勾 梁锚 杆 支护 ， 分 二 级开 挖 ， 坡 共 根 据地 形 ， 每级 高 度 各约 ８ｍ， 坡率 为 ０８ 中间 留一 宽 ．，
度 为 ２ｍ 的马道 ， 综合 坡 角为 ３ 。 ５。 在设 计单 位 提供 的计算 书 中 ，本边 坡采用 北京
的计 算方 法 ． 没有 考 虑土 体 破坏 前 的变 形过 程 及 并 变形 量 ， 其计 算 结果 并不 能 真 实地 反 映坡 体 内部 的
应 力场 和位 移 特征 ， 难 以通 过 位移 预测 支 护体 系 也 的受力 情 况 。随着 计算 机技 术 的发展 ， 于 数值 模 基
场反馈 的监测数据进行分析 ， 验证 原设计 方案 下边坡的稳定状态和支护的合理性。
关键 词 ： 边坡 ； 开挖 ； 支护 ： 稳定性 ； 限元 有
中图分类号 ：Ｕ ５ Ｔ ４７ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号 ：０ ５ ０ ４ （ ０ １ １ — ０ ２ ０ ２ ９ — １４ ２ １ ）２ ０ １— ３