陡坡公路高邊坡路基開挖數值模擬

張 露

(貴州省臺江公路管理段，貴州 臺江 556300)

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陡坡公路高邊坡路基開挖數值模擬

張 露

(貴州省臺江公路管理段，貴州 臺江 556300)

針對陡坡公路對路基沉降的控制和穩定性較差，易發生山體滑坡、邊坡塌方等問題，文章采用有限元軟件ABAQU對某山區陡坡公路深挖路基進行數值模擬，建立了靜力穩定狀態下陡坡公路高邊坡路基的應力與應變數據。通過理論研究表明：當采用等間距等長度布置錨桿，即右邊邊坡6排，左邊邊坡3排布置，錨桿長度設計為10 m時為臨界破壞值。在實際路基邊坡施工時，支護措施要強于此方案才能達到最佳。

陡坡公路；邊坡路基；ABAQU

0 引言

近年來我國的公路基礎建設發展飛速，公路設計標準提高顯著，高等級公路逐步向山區延展。山區多變的地形地貌導致其公路路基通常需要進行高填深挖作業，建成投入使用之后通行的車載較大，增加了發生邊坡滑移等問題的概率，陡坡公路高邊坡路基穩定性研究成為山區公路建設中一個迫在眉睫要解

決的問題。本文利用通用有限元軟件ABAQU，結合陡坡公路對路基實際地質構造建立模型，通過數值模擬研究陡坡公路高邊坡路基的應力與應變關系[1]。

1 工程概況

貴州某山區陡坡公路高邊坡路基施工段整體多為坎坡狀，屬丘陵地貌構造呈現剝蝕狀，施工段地面高程237.15～311.76 m，相對高差為74.61 m。設計平均高268 m，設計縱坡平均2.400%，挖方段最大挖方高31.42 m。填方段最大填方厚度為25.11 m。對挖方段斷面進行地質分析，其上覆薄層內含有明顯的碎石粉質黏土，路基邊坡構成主要為泥巖、風化帶砂巖，其局部區域發現有裸露的砂巖、泥巖基巖，不存在明顯的滑坡、崩塌等現象。

2 數值模擬及力學原理

2.1 ABAQUS軟件介紹

作為一套功能強大的巖土工程的有限元模擬軟件，ABAQUS軟件內嵌不同類型的材料模型庫，其可以模擬的復雜巖土本構模型具體包括：線彈性模型、多孔彈性模型、摩爾庫倫塑性模型、D-P準則蠕變模型、節理材料模型等。由于ABAQUS限元分析軟件具有計算準確度高、后處理能力強大、使用簡便等特點，在巖土工程設計領域受到工程技術人員的歡迎[2]。

2.2 Mohr-Clulomb的強度準則

Mohr-Clulomb強度準則是一個常用的土體參數的非線性模型。Mohr-Clulomb的模型可應用于地基的實際承載能力和失效荷載的計算。Mohr-Clulomb的強度準則公式(1)所示。技術人員又通過實地地質調查得到了工程區開挖斷面的巖土參數，具體如表1所示。

τf=c-σtanφ

(1)

式中：σ——正應力；

c——材料的粘聚力；

τf——剪切強度；

φ——材料的內磨擦角。

表1 開挖斷面巖土參數表

3 模型建立

現在以Mohr-Clulomb強度準則為參考，結合本工程開挖斷面的巖土參數，建立相應的數值模型。陡坡公路高邊坡路基以弧線為基礎大致劃分成兩大類：弧線以上受力為彈塑性屈服狀態；弧線以下受力為彈性狀態[3]。以摩爾庫倫模型基礎對高填方及深挖方路基邊坡進行模擬分析，所建立模型的開挖斷面左、右邊界x方向被固定，范圍是各向兩邊延伸100m。開挖的模型大體為四步開挖，其中每步開挖斷面高度約為8m。圖1為建好的斷面開挖及計算分析模型。

圖1 斷面計算分析模型圖

4 開挖模擬

4.1 初始應力平衡

幾何模型就是邊坡現在的實際尺寸，受力后將會變成一個更小的或與現狀不一致的邊坡，這不符合模擬現狀邊坡的目的。如果知道現狀邊坡的內力，將其提取出來作為幾何模型的內力，再和外力(重力)平衡，則建立的模型才能算和實際模型相一致。因此，為了使得建立的模型與實際路基邊坡構造一致，必須施加和路基工程相同的邊界條件和重力。為了使得模型內部的內力和外力平衡，把與實際工程邊坡不相同的路基邊坡內力大致的視作為實際工程邊坡的內力[4]，圖2為該工程的斷面地應力平衡圖。

圖2 斷面地應力平衡圖

4.2 開挖過程中邊坡水平位移規律

初始平衡力及模型設置好之后，就要開始模擬開挖過程。本過程分四級開挖，如圖3所示。

從圖3(a)中可知，第一級開挖左邊坡打入錨桿后，兩側邊坡的坡腳處水平位移最大達到了3.5m。與此同時可以觀測到兩側邊坡的坡腳處水平位移區域明顯，表明路基邊坡在開挖應力釋放之后，坡腳單元水平應力減小，垂直應力變化不明顯，模型內部整體水平位移增大較為顯著[5]。

從圖3(b)中可知，當路基邊坡開挖接近了其覆蓋的中風化巖層之后兩種巖層分界線時，邊坡中部出現了最大的水平位移，其余部位水平位移增加不明顯。與第一級開挖對照而言，此時路基兩邊坡坡腳深沉土體水平位移較大，同時呈現出右邊坡腳的水平位移大于左邊。

從圖3(c)、(d)中可知，鑒于此時的開挖巖體主要為土質較好的風化巖層，其穩定性較好；但是一些強風化巖層產生較大的位移量，表現出一定的不穩定性；而一些中風化巖層的變形很小，表現出一定的穩定性。從圖3(d)中可知，兩側邊坡水平位移不顯著，均表現出較好的穩定性。

結論表明開挖深度在16～32m范圍內時，邊坡的變形主要集中在強風化巖層中。

(a)左邊打入錨桿后開挖水平位移

(b)左右兩邊打入錨桿后開挖水平位移

(c)開挖后水平位移

(d)開挖后水平位移

4.3 開挖過程中邊坡塑性應變規律

下面分析數值模擬邊坡塑性應變規律，還是四級開挖過程，具體如圖4所示。

(a)第一級開挖后塑性應變

(b)第二級開挖后塑性應變

(c)第三級開挖后塑性應變

(d)第四級開挖后塑性應變

從圖4(a)中可知，當第一級開挖強風化巖層后，塑性變形區域集中于強風化巖層與中分化巖層交界面處。鑒于左側邊坡沒有采用錨桿支護的方案，導致了其局部坡面有貫穿的滑動面出現。

從圖4(b)中可知，第二級開挖的巖土主要為強風化巖層，邊坡深度達到了20m。與此同時，可以觀察到塑性屈服面有貫通成滑動面的臨界破壞趨勢，布置錨桿的方式為等間距等長，左邊坡布置3排錨桿，右邊邊坡布置6排錨桿，錨桿長度設計為10m，且錨桿應貫穿強風化巖層。當把錨桿長度縮短之后邊坡也沒有明顯的收斂性，證明10m的錨桿長度為最小臨界值。

從圖4(c)、(d)中可知，鑒于開挖深度在16～32m內，覆蓋層主要為中風化巖層，路基邊坡的塑性區域發育不顯著，所以塑性應變現象不是很明顯。

結論表明，第二級開挖是施工過程中最關鍵的環節，此時設計錨桿的布置方案為右邊坡6排，左邊坡3排，間距相等，且錨桿長度均為10m時，左右邊坡的塑性屈服面有貫通成滑動面的臨界破壞趨勢，邊坡安全穩定系數約為1。

5 結語

經綜合分析可知，第二步級開挖的巖土主要為強風化巖層，邊坡深度達到20m，是施工過程中最關鍵的環節。當采用等間距等長方式布置錨桿時，右邊坡6排，左邊坡3排，錨桿長度設計為10m時為臨界破壞值。在實際的路基邊坡施工時，邊坡支護措施要強于此方案才為合理。當開挖深度為16～32m時，巖土主要為風化巖層，邊坡的水平位移以及塑性區發育不明顯。

[1]任志華.山區高等級公路高邊坡穩定性分析及防護設計[D].昆明：昆明理工大學，2005.

[2]王德焱.山區高等級公路高填深挖路基邊坡穩定性研究[D].武漢：武漢輕工大學，2013.

[3]劉 振.ABAQUS6.6基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版，2008.

[4]朱大勇.邊坡臨界滑動場及其數值模擬[J].巖土工程學，1997，19(1)：63-68.

[5]鄭穎人，趙尚毅，時衛民，等.邊坡穩定分析的一些進展[J].地下空間，2001，21(4)：262-271.

Excavation Value Simulation of High-slope Embankment in Steep Highway

ZHANG Lu

(Guizhou Taijiang Highway Management Section，Taijiang，Guizhou，556300)

Aiming at the poor control and stability of steep highway on roadbed settlement，prone to landslides，slope collapse and other problems，this article conducted the numerical simulation on the steep highway deep-digging roadbed of a mountain by using the finite element software ABAQU，es-tablished the stress and strain data of high-slope roadbed of steep highway under static stability state.Theoretical studies showed that：when the anchor rod is arranged at equal intervals and equal length，namely the arrangement of 6 rows at right slope and 3 rows at left slope，the anchor length design at 10 m is the critical damage value.In actual embankment slope construction，the support measures can achieve the best results only when better than this program.

Steep highway；Slope roadbed；ABAQU

張 露(1979—)，工程師，研究方向：瀝青路面施工。

U416.1+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.008

1673-4874(2015)11-0036-04

2015-10-08