基于ANSYS軟件的某隧道出口處邊坡穩(wěn)定性分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24601基于ANSYS軟件的某隧道出口處邊坡穩(wěn)定性分析案例 1199631.1研究原理 1131741.2計(jì)算模型建立 6315031.3自然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析 9276101.4開挖狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析 11296041.5地震狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析 13314811.6小結(jié) 17隨著時代科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力以及儲存空間得到了巨大提升，同時計(jì)算機(jī)計(jì)算時所使用的的方法也更加高效、科學(xué)，對于還未系統(tǒng)研究方法的各領(lǐng)域，運(yùn)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行探索是國內(nèi)外學(xué)者常用的有力手段。同時數(shù)值模擬計(jì)算分析也廣泛應(yīng)用到了巖體力學(xué)中，有限元是求解邊值問題的近似解的一種技術(shù)，隨著有限元的不斷發(fā)展與技術(shù)成熟，為工程各項(xiàng)研究的開展、預(yù)測、各種優(yōu)化與輔助設(shè)計(jì)提供了支撐，進(jìn)而促進(jìn)了發(fā)展。運(yùn)用有限元方法分析邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)勢在于可以十分直觀的模擬出邊坡各狀態(tài)下的失穩(wěn)過程，得到準(zhǔn)確的位移、應(yīng)力數(shù)據(jù)；對于較為復(fù)雜的邊坡同樣適用；為使得結(jié)果更符合實(shí)際，對于巖土體的的非線性彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、坡體出現(xiàn)變形時對于應(yīng)力的影響進(jìn)行了充分考慮。通過對現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查并且結(jié)合相應(yīng)的基礎(chǔ)資料，五里墩隧道進(jìn)口處邊坡的地層巖性為砂巖與灰?guī)r，地層連續(xù)性與整體性都處于較好狀態(tài)，本章運(yùn)用Flac3D這一有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件對五里墩隧道出口邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。1.1研究原理Flac3D在二維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件Flac2D的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級和擴(kuò)展，是國內(nèi)外學(xué)者在巖體工程研究中常用的一個專業(yè)數(shù)值模擬軟件ADDINNE.Ref.{1B8DB0AF-B81E-43D9-9F18-04DA50ACD7F9}[57]，可以用于三維狀態(tài)下對土質(zhì)邊坡、巖石等材料進(jìn)行受力時的特征模擬與流動分析。對三維狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)單元的多角度調(diào)整；進(jìn)行現(xiàn)實(shí)情況下結(jié)構(gòu)的擬合。單元材料采用應(yīng)力應(yīng)變模型（線性或者非線性），當(dāng)受到外界力的作用時，單元材料達(dá)到屈服條件產(chǎn)生破壞，三維網(wǎng)絡(luò)也會隨之產(chǎn)生大變形，得出位移數(shù)值。Flac3D軟件主要運(yùn)用顯示Lagrange計(jì)算法與混合離散區(qū)分手段，在材料不需要形成剛度矩陣的情況下，對于材料發(fā)生的各種破壞能非常快速且準(zhǔn)確的進(jìn)行模擬，所以，F(xiàn)lac3D軟件不需較大內(nèi)存就可以對大面積的問題進(jìn)行三維下的模擬ADDINNE.Ref.{2C879B20-67C3-420B-B75E-055092860279}[58]。摩爾庫倫本構(gòu)模型簡介（1）塑性流動理論的增量方程在一般情況下，可將破壞準(zhǔn)則表示為fσn=0在式（4-1）中，f是用來判斷塑性流動什么時候開始的已知屈服函數(shù)。處于主應(yīng)力空間的時候?yàn)橐磺?，而處于曲面?nèi)的應(yīng)力點(diǎn)均視為處于彈性狀態(tài)。塑性狀態(tài)下的應(yīng)變增量可用彈性應(yīng)變增量與塑性應(yīng)變增量相加來表示：?εi=?彈性應(yīng)變增量和彈性應(yīng)力增量的關(guān)系表示為：?σ式（4-3）中，Si?εip能夠得到的應(yīng)力矢量應(yīng)該滿足的屈服方程：fσn+?估計(jì)塑性應(yīng)變增量矢量的表達(dá)式,且考慮到Si?σi=再將流動法則代入得：?σi=假定破壞函數(shù)fσfσ其中，f?代表函數(shù)f減去其常量值，即f對于位于屈服面上的應(yīng)力點(diǎn)，fσf?此時，定義新的應(yīng)力分量為：σiN=σi+?σi (4-10)σi根據(jù)式（4-8），可得：fσiI綜合式（4-6），（4-9），可得λ：λ=fσnIf?Sn利用應(yīng)力增量的表達(dá)式可以對應(yīng)力進(jìn)行估算，新的應(yīng)力可表示為：σiN=莫爾庫倫模型的破壞包線由剪切破壞和拉伸破壞兩種包線組成的。相關(guān)聯(lián)的流動法則同發(fā)生剪切破壞，不相關(guān)聯(lián)的流動法則同發(fā)生拉伸破壞一一對應(yīng)。Flac3D軟件當(dāng)中，莫爾庫倫模型在σ1，σ2，σ3主應(yīng)力空間中表示，與之相對應(yīng)的應(yīng)變分量為主應(yīng)變ε1，（2）彈性增量方程在主應(yīng)力空間中，虎克定律的增量可用以下式子表示：??σ2=?式（4-15）中，α1和ααα2=式（4-15）可改寫為：SS2εS（3）復(fù)合破壞準(zhǔn)則摩爾庫侖準(zhǔn)則與最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則是模型所使用的復(fù)合破壞準(zhǔn)則。三個主應(yīng)力為σ1≤σ圖4-1Flac3D莫爾庫倫破壞準(zhǔn)則破壞包線fσ1,fs在B到C上由拉伸破壞準(zhǔn)則ftft式中，?為摩擦角，C為粘聚力，σN?根據(jù)圖4-1，可以得知fs=0和σ1σmaxt（4）流動法則方程gs和gt用于描述塑性勢面，gs用來定義剪切塑性流動，gt用來定義程分別用來定義拉伸塑性流動。函數(shù)gs為不相關(guān)聯(lián)的流動法則，gs=σ1?σ在式（4-22）中，ψ為膨脹角，Nψ函數(shù)gtgt函數(shù)hσ1,σ3=0h=σapap圖4-2莫爾庫倫模型－流動法則由圖4-2所示，σiI所對應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)處于范圍1當(dāng)中中，發(fā)生了剪切破壞，應(yīng)力點(diǎn)處于曲線fs=0上，通過塑性勢方程gs1.2計(jì)算模型建立根據(jù)中鐵二院提供的研究區(qū)三維等高線圖（圖4-3），通過現(xiàn)場實(shí)地勘查確定研究區(qū)的危險截面，在地形圖上選擇五里墩隧道所在截面，考慮到Flac3D的前處理不足問題，本章通過將AutoCAD、ANSYS軟件、Flac3D數(shù)值模擬軟件綜合運(yùn)用建立研究區(qū)的邊坡模型，通過模擬得出截面邊坡位移情況、應(yīng)力應(yīng)變分布情況進(jìn)而分析邊坡可能發(fā)生的破壞模式。簡化合并相似地層，結(jié)合由等高線截選出的地面線，根據(jù)中鐵二院提供的相關(guān)地勘資料來劃分巖層，在CAD中繪制邊坡的準(zhǔn)確剖面（圖4-4），在ANSYS軟件中進(jìn)行三維模型的建立賦予邊坡相應(yīng)參數(shù)（4-5），需要注意進(jìn)行網(wǎng)格劃分時隧道口和邊坡需要定義為不同的組，這樣才能在Flac3D中進(jìn)行開挖狀態(tài)下的模擬。圖4-3五里墩隧道出口三維等高線圖圖4-4五里墩出口剖面圖圖4-5軟件中劃分所得的網(wǎng)格進(jìn)行邊坡數(shù)值模擬所用模型詳細(xì)情況見圖4-6。邊坡凌空面方向設(shè)定為X方向，邊坡走向設(shè)定為Y方向，邊坡高度方向設(shè)為Z方向。模型高706m，長797m，寬70m。根據(jù)現(xiàn)場勘查及相關(guān)資料，邊坡巖性劃分為碎石土、砂巖、灰?guī)r。按6節(jié)點(diǎn)單元劃分網(wǎng)格，共9486個節(jié)點(diǎn)、7355個單元。按照最初始的應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力來模擬三種工況下邊坡的穩(wěn)定性，分別是自然工況、開挖工況以及地震荷載變形過程。主要流程為：①自然工況下僅考慮自身重力的情況來模擬邊坡的變形特征；②對自然工況下產(chǎn)生的位移進(jìn)行清除，模擬五里墩隧道出口開挖時的變形特征，根據(jù)現(xiàn)場勘查開挖分2步進(jìn)行，首先開挖碎石土，然后開挖隧道出口處強(qiáng)風(fēng)化砂巖。③將第一步產(chǎn)生的位移以及周邊約束進(jìn)行清除，施加動荷載模擬地震對自然邊坡的影響。圖4-6計(jì)算模型示意圖計(jì)算參數(shù)選取根據(jù)中鐵二院勘查資料和實(shí)地勘查結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)，五里墩隧道出口邊坡巖土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值見表4-1。表4-1研究區(qū)域巖體物理力學(xué)指標(biāo)巖石名稱時代成因狀態(tài)密度ρ(g/cm3)內(nèi)聚力C(MPa)內(nèi)摩擦角φ(°)彈性模量E(GPa)泊松比v碎石土Q4dl+col稍密-中密2.100.02250.250.25砂巖T1bW32.45254520.30.26W22.60305020.30.26灰?guī)rC+PW32.303040500.22W22.504045600.31（2）邊界條件和收斂標(biāo)準(zhǔn)本模型的邊界條件為：底部和側(cè)面均約束3個方向的位移。采用Flac3D軟件自身默認(rèn)的收斂標(biāo)準(zhǔn)。（3）屈服破壞準(zhǔn)則運(yùn)用當(dāng)前在巖土工程研究分析中使用最為高頻的非關(guān)聯(lián)流動剪切摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則。1.3自然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)值模擬結(jié)果與分析（1）位移由圖可知：邊坡的位移變形最大發(fā)生部位在碎石層，最大位移約為2.4cm。邊坡的穩(wěn)定性主要和水平位移有關(guān)，邊坡最大水平位移處于坡體碎石層，位移值約為1cm，具有朝X方向（臨空）運(yùn)動的趨勢；邊坡豎向位移云圖表明碎石層z向位移較大。從邊坡變形矢量圖可以明顯看出碎石層位移的方向，此處巖土體有破壞的可能，主要是因?yàn)樵撎幤麦w巖土體較為破碎，巖體具有向臨空面滑移趨勢。這與現(xiàn)場的勘察結(jié)果基本吻合，該處上部為陡立巖體風(fēng)化破壞較嚴(yán)重并且有落石滑落。故該處可能會出現(xiàn)滑坡、落石等地質(zhì)災(zāi)害。圖4-7天然-位移圖4-8天然-水平位移 圖4-9天然-豎向位移圖4-10邊坡變形矢量（2）應(yīng)力由圖4-11所示邊坡的豎向應(yīng)力圖可知，由于受到了自重的很大影響，壓應(yīng)力是豎直方向的主要應(yīng)力分布，從邊坡表面到坡體內(nèi)部，應(yīng)力值有上升的一個動向，整體趨勢是向坡腳方向延伸，在合理的范圍內(nèi)，也會出現(xiàn)一些局部的略為明顯的變化。由自然工況下水平應(yīng)力云圖（4-12）可知，坡體內(nèi)部、坡底為壓應(yīng)力區(qū)，碎石層及坡體表面為拉應(yīng)力。坡體內(nèi)部應(yīng)力具有一定的起伏波動，應(yīng)力沒有明顯的規(guī)律分布，可以得出在X方向的應(yīng)力沒有明顯規(guī)律并且呈不均勻分布。由邊坡的剪應(yīng)變云圖可知：碎石層和風(fēng)化層接觸面應(yīng)變量較大，該處可能具有剪出下滑的趨勢，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。坡體內(nèi)部風(fēng)化層之間的剪切應(yīng)變增量較小，相對比較穩(wěn)定。圖4-11天然-豎向應(yīng)力圖4-12天然-水平應(yīng)力圖4-13剪切應(yīng)變1.4開挖狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析通過自然邊坡計(jì)算分析可知，坡腳處碎石層可能對隧道出口產(chǎn)生威脅，因此本次計(jì)算分別模擬開挖塊石層情況下邊坡的應(yīng)力應(yīng)變情況。其結(jié)果如下：（1）位移分析由碎石層開挖后邊坡的位移云圖可以看出開挖口上部邊坡位移較大，最大為21.02cm；開挖口上部邊坡處水平位移最大為13.5cm，出現(xiàn)在隧道洞口周邊及上部的坡體中，因此開挖時應(yīng)注意防護(hù)坡體洞口上部巖體向臨空面的運(yùn)動而對施工和洞口產(chǎn)生影響；邊坡豎向位移云圖的變化趨勢和邊坡位移云圖變化趨勢基本一致，最大豎向位移為16cm。由位移矢量圖可看出，由于碎石層的開挖導(dǎo)致巖體應(yīng)力的釋放，開挖部位的下邊巖體具有運(yùn)動的趨勢，上邊巖體具有向下運(yùn)動的趨勢。圖4-14開挖-位移圖4-15開挖-水平位移圖4-16開挖-豎向位移圖4-17邊坡變形矢量（2）應(yīng)力分析由邊坡的豎向應(yīng)力圖4-18可知，在自身重力起主導(dǎo)作用的同時，開挖卸荷也改變了坡體的應(yīng)力分布。與自然狀態(tài)下坡體應(yīng)力分布基本相同，開挖狀態(tài)下應(yīng)力值會隨著坡體表面向下深度的加大呈現(xiàn)增大趨勢，整體趨勢是向坡面向延伸，坡體表面出現(xiàn)拉應(yīng)力集中。由開挖下邊坡水平方向應(yīng)力云圖4-19可知，水平應(yīng)力向坡面方向減小，開挖處由自然狀態(tài)下的以壓應(yīng)力為主轉(zhuǎn)變?yōu)殚_挖后的以拉應(yīng)力為主，在坡體碎石層處拉應(yīng)力集中分布，坡腳處拉應(yīng)力與自然狀態(tài)下無明顯變化，坡體內(nèi)部應(yīng)力具有一定的起伏波動，應(yīng)力沒有明顯的規(guī)律分布，可以得出在X方向的應(yīng)力沒有明顯規(guī)律并且呈不均勻分布。由邊坡剪切應(yīng)變云圖4-20可以看到，最大剪切應(yīng)變值出現(xiàn)在在五里墩隧道出口開挖角部位，最大值為3.45×10-2，該處可能具有剪出下滑的趨勢，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能會發(fā)生滑動。圖4-18開挖-豎直方向應(yīng)力圖4-19開挖-水平方向應(yīng)力圖4-20開挖-剪切應(yīng)變1.5地震狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析研究區(qū)隸屬四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（G50011-2010）和中國地震烈度區(qū)劃圖(1990)，研究區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)定地震加速度值為0.20g，區(qū)域地震分組情況與建筑場地類別情況分別為第一組和Ⅱ類，反應(yīng)譜特征周期0.35s，阻尼比5%。在地震和開挖工況下，施加靜力邊界條件，底部施加動荷載，邊坡經(jīng)歷10s震蕩模擬。圖4-21輸入8度地震烈度時地震波曲線（水平EW向0.2g，10s）（Y軸為加速度單位：g，X軸為時間單位：s）（1）位移分析邊坡隨時間變化的位移如下圖4-22、圖4-23所示，當(dāng)模型計(jì)算到5秒時，出現(xiàn)了位移的極值區(qū)，極值區(qū)在斜坡表面碎石層，極值區(qū)范圍相對較小并分為兩個區(qū)域，最大值約2.23cm，最小值約2.2cm，處于坡面下部；當(dāng)模型計(jì)算到10秒時，斜坡位移的極值區(qū)出現(xiàn)在坡面前中部，位移值進(jìn)一步變大，約5.88cm，最小值在坡體底部，值約5.8cm。通過這個過程，可以發(fā)現(xiàn)，相比于斜坡的其他部位，斜坡的坡體前緣和后緣的相對硬巖部位，塊石層部位容易產(chǎn)生極值。圖4-225秒時邊坡位移云圖圖4-2310秒時位移云圖（2）應(yīng)力分析邊坡隨時間變化的剪應(yīng)力如圖4-24、圖4-25所示，從中可以看出，模型剪應(yīng)力集中分布變化不大，最大壓應(yīng)力值主要在坡體內(nèi)部；剪應(yīng)力極值隨時間的增加有所變化，但變化不大。剪應(yīng)力極值小于巖體抗剪強(qiáng)度，斜坡還未發(fā)生破壞。圖4-245秒時邊坡剪應(yīng)力云圖圖4-2510秒時邊坡剪應(yīng)力云圖邊坡模型在整個動力計(jì)算過程中，最小主應(yīng)力除受到重力作用的影響，還受巖體變形的影響。最小主應(yīng)力分布隨時間的變化如圖4-26、圖4-24所示，從圖可以看出，最小主應(yīng)力分布隨著時間幾乎沒有變化，云圖的條帶與地表臨空面基本平行，分布均勻，最大壓應(yīng)力值在坡體底部，由深部至表層逐漸減小，并轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在坡體表面。圖4-265秒時邊坡最小主應(yīng)力云圖圖4-2710秒時邊坡最小主應(yīng)力云圖邊坡的最大主應(yīng)力的分布情況一般主要受重力的影響，在對邊坡進(jìn)行地震模擬時，5s到10s最大主應(yīng)力變化情況如圖4-28、圖4-29所示，邊坡最大主應(yīng)力無明顯變化，邊坡內(nèi)部最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力，分布比較規(guī)律和均勻，最大壓應(yīng)力值在坡體底部，由內(nèi)部到邊坡表面應(yīng)力逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)換，最