陡坡公路高邊坡路基開挖數(shù)值模擬

張 露

(貴州省臺(tái)江公路管理段，貴州 臺(tái)江 556300)

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陡坡公路高邊坡路基開挖數(shù)值模擬

張 露

(貴州省臺(tái)江公路管理段，貴州 臺(tái)江 556300)

針對(duì)陡坡公路對(duì)路基沉降的控制和穩(wěn)定性較差，易發(fā)生山體滑坡、邊坡塌方等問題，文章采用有限元軟件ABAQU對(duì)某山區(qū)陡坡公路深挖路基進(jìn)行數(shù)值模擬，建立了靜力穩(wěn)定狀態(tài)下陡坡公路高邊坡路基的應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)。通過理論研究表明：當(dāng)采用等間距等長(zhǎng)度布置錨桿，即右邊邊坡6排，左邊邊坡3排布置，錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為10 m時(shí)為臨界破壞值。在實(shí)際路基邊坡施工時(shí)，支護(hù)措施要強(qiáng)于此方案才能達(dá)到最佳。

陡坡公路；邊坡路基；ABAQU

0 引言

近年來我國(guó)的公路基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展飛速，公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高顯著，高等級(jí)公路逐步向山區(qū)延展。山區(qū)多變的地形地貌導(dǎo)致其公路路基通常需要進(jìn)行高填深挖作業(yè)，建成投入使用之后通行的車載較大，增加了發(fā)生邊坡滑移等問題的概率，陡坡公路高邊坡路基穩(wěn)定性研究成為山區(qū)公路建設(shè)中一個(gè)迫在眉睫要解

決的問題。本文利用通用有限元軟件ABAQU，結(jié)合陡坡公路對(duì)路基實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造建立模型，通過數(shù)值模擬研究陡坡公路高邊坡路基的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系[1]。

1 工程概況

貴州某山區(qū)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(gòu)造呈現(xiàn)剝蝕狀，施工段地面高程237.15～311.76 m，相對(duì)高差為74.61 m。設(shè)計(jì)平均高268 m，設(shè)計(jì)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(duì)挖方段斷面進(jìn)行地質(zhì)分析，其上覆薄層內(nèi)含有明顯的碎石粉質(zhì)黏土，路基邊坡構(gòu)成主要為泥巖、風(fēng)化帶砂巖，其局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)有裸露的砂巖、泥巖基巖，不存在明顯的滑坡、崩塌等現(xiàn)象。

2 數(shù)值模擬及力學(xué)原理

2.1 ABAQUS軟件介紹

作為一套功能強(qiáng)大的巖土工程的有限元模擬軟件，ABAQUS軟件內(nèi)嵌不同類型的材料模型庫(kù)，其可以模擬的復(fù)雜巖土本構(gòu)模型具體包括：線彈性模型、多孔彈性模型、摩爾庫(kù)倫塑性模型、D-P準(zhǔn)則蠕變模型、節(jié)理材料模型等。由于ABAQUS限元分析軟件具有計(jì)算準(zhǔn)確度高、后處理能力強(qiáng)大、使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，在巖土工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域受到工程技術(shù)人員的歡迎[2]。

2.2 Mohr-Clulomb的強(qiáng)度準(zhǔn)則

Mohr-Clulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則是一個(gè)常用的土體參數(shù)的非線性模型。Mohr-Clulomb的模型可應(yīng)用于地基的實(shí)際承載能力和失效荷載的計(jì)算。Mohr-Clulomb的強(qiáng)度準(zhǔn)則公式(1)所示。技術(shù)人員又通過實(shí)地地質(zhì)調(diào)查得到了工程區(qū)開挖斷面的巖土參數(shù)，具體如表1所示。

τf=c-σtanφ

(1)

式中：σ——正應(yīng)力；

c——材料的粘聚力；

τf——剪切強(qiáng)度；

φ——材料的內(nèi)磨擦角。

表1 開挖斷面巖土參數(shù)表

3 模型建立

現(xiàn)在以Mohr-Clulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則為參考，結(jié)合本工程開挖斷面的巖土參數(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)值模型。陡坡公路高邊坡路基以弧線為基礎(chǔ)大致劃分成兩大類：弧線以上受力為彈塑性屈服狀態(tài)；弧線以下受力為彈性狀態(tài)[3]。以摩爾庫(kù)倫模型基礎(chǔ)對(duì)高填方及深挖方路基邊坡進(jìn)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(jì)算分析模型。

圖1 斷面計(jì)算分析模型圖

4 開挖模擬

4.1 初始應(yīng)力平衡

幾何模型就是邊坡現(xiàn)在的實(shí)際尺寸，受力后將會(huì)變成一個(gè)更小的或與現(xiàn)狀不一致的邊坡，這不符合模擬現(xiàn)狀邊坡的目的。如果知道現(xiàn)狀邊坡的內(nèi)力，將其提取出來作為幾何模型的內(nèi)力，再和外力(重力)平衡，則建立的模型才能算和實(shí)際模型相一致。因此，為了使得建立的模型與實(shí)際路基邊坡構(gòu)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(nèi)部的內(nèi)力和外力平衡，把與實(shí)際工程邊坡不相同的路基邊坡內(nèi)力大致的視作為實(shí)際工程邊坡的內(nèi)力[4]，圖2為該工程的斷面地應(yīng)力平衡圖。

圖2 斷面地應(yīng)力平衡圖

4.2 開挖過程中邊坡水平位移規(guī)律

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

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

從圖3(b)中可知，當(dāng)路基邊坡開挖接近了其覆蓋的中風(fēng)化巖層之后兩種巖層分界線時(shí)，邊坡中部出現(xiàn)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(jí)開挖對(duì)照而言，此時(shí)路基兩邊坡坡腳深沉土體水平位移較大，同時(shí)呈現(xiàn)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(shí)的開挖巖體主要為土質(zhì)較好的風(fēng)化巖層，其穩(wěn)定性較好；但是一些強(qiáng)風(fēng)化巖層產(chǎn)生較大的位移量，表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性；而一些中風(fēng)化巖層的變形很小，表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性。從圖3(d)中可知，兩側(cè)邊坡水平位移不顯著，均表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

結(jié)論表明開挖深度在16～32m范圍內(nèi)時(shí)，邊坡的變形主要集中在強(qiáng)風(fēng)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(yīng)變規(guī)律

下面分析數(shù)值模擬邊坡塑性應(yīng)變規(guī)律，還是四級(jí)開挖過程，具體如圖4所示。

(a)第一級(jí)開挖后塑性應(yīng)變

(b)第二級(jí)開挖后塑性應(yīng)變

(c)第三級(jí)開挖后塑性應(yīng)變

(d)第四級(jí)開挖后塑性應(yīng)變

從圖4(a)中可知，當(dāng)?shù)谝患?jí)開挖強(qiáng)風(fēng)化巖層后，塑性變形區(qū)域集中于強(qiáng)風(fēng)化巖層與中分化巖層交界面處。鑒于左側(cè)邊坡沒有采用錨桿支護(hù)的方案，導(dǎo)致了其局部坡面有貫穿的滑動(dòng)面出現(xiàn)。

從圖4(b)中可知，第二級(jí)開挖的巖土主要為強(qiáng)風(fēng)化巖層，邊坡深度達(dá)到了20m。與此同時(shí)，可以觀察到塑性屈服面有貫通成滑動(dòng)面的臨界破壞趨勢(shì)，布置錨桿的方式為等間距等長(zhǎng)，左邊坡布置3排錨桿，右邊邊坡布置6排錨桿，錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為10m，且錨桿應(yīng)貫穿強(qiáng)風(fēng)化巖層。當(dāng)把錨桿長(zhǎng)度縮短之后邊坡也沒有明顯的收斂性，證明10m的錨桿長(zhǎng)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(nèi)，覆蓋層主要為中風(fēng)化巖層，路基邊坡的塑性區(qū)域發(fā)育不顯著，所以塑性應(yīng)變現(xiàn)象不是很明顯。

結(jié)論表明，第二級(jí)開挖是施工過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，此時(shí)設(shè)計(jì)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(zhǎng)度均為10m時(shí)，左右邊坡的塑性屈服面有貫通成滑動(dòng)面的臨界破壞趨勢(shì)，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)約為1。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)綜合分析可知，第二步級(jí)開挖的巖土主要為強(qiáng)風(fēng)化巖層，邊坡深度達(dá)到20m，是施工過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。當(dāng)采用等間距等長(zhǎng)方式布置錨桿時(shí)，右邊坡6排，左邊坡3排，錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為10m時(shí)為臨界破壞值。在實(shí)際的路基邊坡施工時(shí)，邊坡支護(hù)措施要強(qiáng)于此方案才為合理。當(dāng)開挖深度為16～32m時(shí)，巖土主要為風(fēng)化巖層，邊坡的水平位移以及塑性區(qū)發(fā)育不明顯。

[1]任志華.山區(qū)高等級(jí)公路高邊坡穩(wěn)定性分析及防護(hù)設(shè)計(jì)[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2005.

[2]王德焱.山區(qū)高等級(jí)公路高填深挖路基邊坡穩(wěn)定性研究[D].武漢：武漢輕工大學(xué)，2013.

[3]劉 振.ABAQUS6.6基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京：中國(guó)水利水電出版，2008.

[4]朱大勇.邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)及其數(shù)值模擬[J].巖土工程學(xué)，1997，19(1)：63-68.

[5]鄭穎人，趙尚毅，時(shí)衛(wèi)民，等.邊坡穩(wěn)定分析的一些進(jìn)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