公路邊坡工程的開挖全過程的有限元仿真

摘 要:近幾年隨著國家基本建設力度的加大和西部大開發(fā)的進行，高等級公路修建在我國方興未艾，尤其是高速公路建設工程中所遇到的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問題也相應地增多。由于公路路線一般較長，經(jīng)過的地形、地質(zhì)條件比較復雜，邊坡的穩(wěn)定性是保證道路正常運行的關鍵，因此一直以來是公路建設中的一個值得關注的問題。因此，研究邊坡的穩(wěn)定性，對于如何預防邊坡失穩(wěn)，以及對失穩(wěn)邊坡進行治理，具有非常重要的現(xiàn)實意義。本文主要運用數(shù)值模擬技術(shù)對公路邊坡建立有限元模型，模擬了公路邊坡的應力和位移分布情況，并進一步分析邊坡坡度及邊坡形式對邊坡本身穩(wěn)定性的影響。

關鍵詞:力學 邊坡 穩(wěn)定性分析 數(shù)值模擬 有限元分析

中圖分類號:TU43文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)01(b)-0080-02

1 公路邊坡穩(wěn)定性分析

在傳統(tǒng)的力學分析中我們知道邊坡穩(wěn)定性分析([1] [2])是和土壓力研究和地基承載力研究一起發(fā)展起來的。18世紀，庫侖提出了計算土壓力的方法，宣告了土力學科的誕生。而朗肯在以墻后土體各點處于極限平衡狀態(tài)的基礎上為依據(jù)，找到了計算主動土與被動土壓力的途徑，而后推廣到地基承載力和邊坡穩(wěn)定性分析中，進而形成了一套體系，就是我們常見的極限平衡法。極限平衡法是以摩爾～庫侖強度準則基礎建立起來的，其關系式如下:

為了揭示開挖過程的邊坡穩(wěn)定性，采用有限單元法進行不同狀況下的數(shù)值模擬。因主要考慮靜態(tài)自重作用下的邊坡受力及變形情況，因此采用位移法對不同形態(tài)的邊坡作數(shù)值分析。通過數(shù)值計算，分別對開挖過程邊坡的穩(wěn)定情況從水平位移、豎向位移、及各個方向的應力大小等方向進行評價，本文主要分析研究了傳統(tǒng)的擋土墻對邊坡的穩(wěn)定的影響。為了便于對計算結(jié)果的統(tǒng)一分析，必須對土質(zhì)、受力條件、基本參數(shù)等做必要的簡化([3] [4])。

2 公路邊坡建模分析

該公路高邊坡的斷面圖如圖1所示，圖中Ⅰ、Ⅱ表示地層的圍巖類別(其參數(shù)彈性模量GPa，泊松比，容重kN/m3分別為1.2和2.2，0.47和0.37，17和20)。工程的防護體系由A、B、C、D、E五部分構(gòu)成。A，E是自然坡度，其形式利用菱形網(wǎng)格;而B是開挖出來的坡度，防護采用窗孔肋;C是鋼筋混凝土擋土墻，采用C30混凝土(其參數(shù)彈性模量30GPa，泊松比0.2，容重25kN/m3)。;D是路基，菱形網(wǎng)格和窗孔肋的材料采用混凝土。邊坡A和E的坡度是1比2，邊坡B的坡度是1比1。整個模型的高是35m，寬是90m。施工時，首先開挖B部分，然后施加窗孔肋防護體，再開挖D部分并修擋土墻C，然后對A和E進行菱形網(wǎng)格防護，最后對部分植草綠化。

2.1 初始地應力場模擬

在模型上加邊界條件、重力荷載并進行初始地應力場的模擬計算，初始地應力場其實就是原始的應力場。邊坡在開挖的情況下，即為原始的應力場情況下，位移變形為3.353mm，最大應力為Y方向的11289pa，主應力最大值出現(xiàn)在S1方向值為3954pa。

2.2 上臺邊坡開挖模擬分析

簡單邊坡開挖工藝([10]):根據(jù)邊坡開挖的設計要求和邊坡開挖爆破的復雜條件，設計采用預裂爆破和深孔控制爆破相結(jié)合的微差爆破技術(shù)，部分地段采用淺孔控制爆破技術(shù)，爆破施工達到了預期效果。

每次開挖后，進行的模擬計算所得的變形和位移結(jié)果，都不是真實的值，而要減去初始地應力場下的變形和位移后，才是實際的值。但是，對于應力則剛好相反，每一次所分析得到的結(jié)果就是實際的值。如果要計算每一步開挖所產(chǎn)生的附加應力和位移，則只有將此次計算的結(jié)果減去上一步的結(jié)果就行。

第一次開挖以后，位移變形值0.03mm，數(shù)值比較小，最大應力為51593pa，出現(xiàn)在X方向上，主應力最大值為s1方向上的為82253pa。隨著開挖過程的進行在坡腳逐漸形成明顯的應力集中帶。

2.3 下臺邊坡開挖模擬分析(未加上混凝土擋土墻和加上混凝土擋土墻對比)

在開挖模擬過程中，通過將第一次開挖后節(jié)點力數(shù)值加到各個來挖出的節(jié)點上，這樣可以保證模型的真實性，顯然在在開挖角處出現(xiàn)應力集中，坡腳的應力集中依然存在。第二次開挖以后，在沒有加混凝土擋土墻的情況下，位移變形值0.065mm，值比較小，最大應力為X方向的1162pa，最大主應力為s1方向的1167pa。在加如混凝土擋土墻支護以后，位移變形值0.065mm，值比較小，最大應力為X方向的1545pa，最大主應力為s1方向的1571pa，這些都是出現(xiàn)在我們所加的混凝土擋土墻上，說明混凝土擋土墻起到了作用。

2.4 計算結(jié)果分析

本文利用大型有限元軟件ANSYS對公路邊坡的逐步開挖及支護過程進行模擬，求出了開挖狀態(tài)下每一步應力場、位移場和應力、位移矢量圖，反映出邊坡隨開挖的進行破壞的規(guī)律情況。對開挖后邊坡進行混凝土擋土墻支護的模擬數(shù)據(jù)顯示，支護后的邊坡在應力場與位移場比未支護時發(fā)生了巨大的變化，從而得出了在支護下邊坡可保持長期穩(wěn)定的結(jié)論。

從邊坡開挖過程仿真分析地層變形和位移結(jié)果可以看出最大變形為3.3mm，從趨勢上看，在最終開挖的平面上，位移最大，因而是最危險的部分。但從數(shù)值上看，其中最大位移(x方向)是1.45mm(二次開挖)，初始地應力場下的位移是0.784mm，所以最后的x方向位移為0.666mm，是一個非常小的數(shù)值，因而不會產(chǎn)生破壞。從邊坡開挖過程仿真分析地層的應力結(jié)果可以看出，在擋土墻后很小范圍的地層拉應力為1160MPa，而往后較大范圍6462Pa。

通過結(jié)果可以看出:支護后，邊坡的應力狀態(tài)得到了改善，將能夠保持長期穩(wěn)定，和未加支護相比較，可以得出，在無支護狀態(tài)下坡頂、坡面和坡體深部的拉應力區(qū)經(jīng)加固后均己發(fā)生應力的偏轉(zhuǎn)，變成壓應力區(qū)，然而巖土的抗壓強度一般是其抗拉強度的十倍，這一點對保持邊坡的長期穩(wěn)定很重要。支護后邊坡的水平位移最大值降低到了2mm左右的程度，邊坡整體基本處于彈性狀態(tài)。由上述結(jié)果可以得出，邊坡在開挖的過程中進行支護，能有效抑制巖土位移和塑性區(qū)的發(fā)展。由數(shù)據(jù)可以看到，擋土墻的最大彎矩為1.486kN.m。剪力為2.199kN，軸力為1.235kN，其軸力雖然為正值表示受拉，但是其值很小，經(jīng)過驗算擋土墻是能夠滿足設計要求的。與原始應力場相比有如下特點:(1)主應力跡線發(fā)生了明顯偏轉(zhuǎn)，坡面附近最大主應力方向與坡面基本平行，最小主應力方向與坡面近似于垂直，并逐步出現(xiàn)水平方向剪應力，其總趨勢是由內(nèi)向外增多，越近坡腳越高，向坡內(nèi)逐漸恢復到原始應力狀態(tài)。(2)隨著開挖的繼續(xù)，在坡腳處逐漸出現(xiàn)應力集中帶。(3)坡面巖體側(cè)向應力近于零，實際上變?yōu)閮上蚴芰Α?/p>

參考文獻

[1]姜德義，朱合華，杜云貴.邊坡穩(wěn)定性分析及滑坡防治[M].重慶:重慶大學出版社，2005，3.

[2]沈良峰，廖繼原，張月龍.邊坡穩(wěn)定性分析評價方法研究及趨向[M].建筑科學， 2000:43～47.

[3]楊學堂.邊坡穩(wěn)定性評價方法及發(fā)展.巖土工程技術(shù)2004.18(24):103～106.

[4]段進，等編.ANSYS10.0結(jié)構(gòu)分析從入門到精通[M].兵器工業(yè)出版社.