基于ANSYS的高速公路邊坡失穩(wěn)及處治實(shí)例研究

潘　恒，張　樂(lè)

(1. 西華大學(xué)建設(shè)與管理工程學(xué)院，四川 成都　610039；2. 四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都　610031)

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·建筑與土木工程·

基于ANSYS的高速公路邊坡失穩(wěn)及處治實(shí)例研究

潘恒1，張樂(lè)2

(1. 西華大學(xué)建設(shè)與管理工程學(xué)院，四川 成都610039；2. 四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都610031)

以四川省內(nèi)某已建成高速公路路塹邊坡失穩(wěn)為研究原型，基于ANSYS建立有限元模型，利用ANSYS數(shù)值模擬分析邊坡在一般狀態(tài)和飽和狀態(tài)(暴雨?duì)顟B(tài))2種工況下的區(qū)別，定性找出失穩(wěn)的原因：飽和狀態(tài)下黏性土內(nèi)摩擦角趨于“0”，土體抗剪強(qiáng)度降低、形成動(dòng)態(tài)水壓力、巖土之間摩擦力降低、自重應(yīng)力增加是失穩(wěn)最大的因素。針對(duì)邊坡失穩(wěn)的原因提出了具體的工程處置措施，并對(duì)措施進(jìn)行了合理性分析。

邊坡失穩(wěn)； ANSYS；數(shù)值模擬；處置措施

邊坡穩(wěn)定性分抗滑移穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性，在邊坡穩(wěn)定性分析中, Bishop 法、Fellenius 法、Janbu 法與Spencer 法等均是以安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的定值方法[1-3]。安全系數(shù)法是主要利用物理參數(shù)平均值進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算和分析的方法[4-6]。安全穩(wěn)定系數(shù)K根據(jù)所采用的判定方法而有所不同，但總體分穩(wěn)定、臨界及不穩(wěn)定3種狀態(tài)。

邊坡中的滲透水壓力是影響邊坡穩(wěn)定和變形的重要因素之一,而暴雨是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞的重要誘導(dǎo)因素[7-8]。傳統(tǒng)的土力學(xué)原理并不完全符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況。在水滲透過(guò)程中, 滲流和應(yīng)力是相互影響, 相互作用的過(guò)程, 在實(shí)際施工中，常常由于對(duì)相互耦合等一些特殊因素沒考慮到位，不能很完整地描述邊坡破壞機(jī)制，得到不合理的分析[9-10]；因此, 要深入地研究公路邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題, 首先得對(duì)降雨過(guò)程進(jìn)行正確的分析和模擬。在工程實(shí)際操作中，對(duì)很穩(wěn)定和很不穩(wěn)定的邊坡往往可以通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)和一定的檢測(cè)手段直接判定，但對(duì)處于臨界狀態(tài)附近的邊坡目前仍然沒有很好的方法進(jìn)行直接判定。在1975年，Zienkiewicz等[11]通過(guò)有限元計(jì)算巖土工程的安全系數(shù)，此后，隨著巖土工程材料非線性彈塑性有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，這一方法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到了逐步的應(yīng)用；呂慶等[12-13]研究了有限元強(qiáng)度折減法求解均質(zhì)土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)以及層狀巖質(zhì)邊坡數(shù)值計(jì)算的有關(guān)問(wèn)題；江學(xué)良等[14-15]對(duì)有限元極限分析法在巖土工程中的應(yīng)用進(jìn)行了長(zhǎng)期、系統(tǒng)的研究，并且在計(jì)算中得到了節(jié)理巖質(zhì)邊坡模型的危險(xiǎn)滑動(dòng)面和相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)，其計(jì)算結(jié)果不僅滿足廣義米賽斯屈服準(zhǔn)則的通用表達(dá)式，而且與傳統(tǒng)的莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果十分接近。

ANSYS最早由John Swanson在1963年用于某個(gè)核子反應(yīng)火箭的應(yīng)力分析。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展和改進(jìn)，目前以ANSYS數(shù)值分析作為手段，可以很好地考慮邊坡穩(wěn)定性等涉及暴雨滲流耦合因素。本文以四川廣南高速公路某建成的邊坡產(chǎn)生不穩(wěn)定滑動(dòng)并成功處治為原型，利用ANSYS數(shù)值模擬分析邊坡失穩(wěn)前后的狀態(tài)變化，得出規(guī)律性結(jié)論，為類似邊坡的穩(wěn)定性分析和治理提供借鑒和指導(dǎo)。

1　工程概況

四川廣南高速公路是國(guó)家高速公路骨干網(wǎng)蘭州至?？谒拇ň硟?nèi)的一段，該邊坡位于廣南高速公路仙女臺(tái)隧道左側(cè)入口K198+000-K198+150，長(zhǎng)度50 m。2012年7月2日—4日，南充市普降暴雨，最大降雨達(dá)到162 mm，7月4日上午邊坡下緣出現(xiàn)滑動(dòng)剪出口并迅速發(fā)展，最終失穩(wěn)形成滑坡導(dǎo)致高速公路半幅封閉。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，該滑動(dòng)體基本特點(diǎn)如下：該上邊坡產(chǎn)生平面滑動(dòng)，上為黏性土，下為巖石，結(jié)構(gòu)面傾角約15°，路塹邊坡為1∶0.75(傾角約53°)，黏性土厚度4～6 m，平均厚度為5 m，水平投影厚度約40 m，垂直高度取平均高5 m，暴雨時(shí)，雨水充滿后緣裂縫，直接形成水壓力，如圖1所示。

圖1　滑體典型斷面示意圖

2　ANSYS工程仿真

ANSYS是一款由美國(guó)開發(fā)的大型CAE分析軟件，主要由前處理模塊、分析計(jì)算模塊及后處理模塊組成，ANSYS是工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的有限元數(shù)值模擬手段，利用ANSYS能解決較為復(fù)雜的荷載、應(yīng)力場(chǎng)、變形等，通過(guò)假設(shè)邊界和引入?yún)?shù)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)的變化。

2.1ANSYS參數(shù)的選取和模型建立

建立ANSYS有限元模型第一步是要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)第一手資料結(jié)合經(jīng)驗(yàn)選取參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料結(jié)合經(jīng)驗(yàn)取巖石和土體的相關(guān)物理參數(shù)(見表1)。

表1　邊坡物理力學(xué)參數(shù)

在ANSYS啟動(dòng)后,根據(jù)上述地形資料、巖石參數(shù)、滑體在暴雨前(初始狀態(tài))和暴雨后(土體飽和狀態(tài))相關(guān)物理參數(shù)(見表1)建立ANSYS模型。建立ANSYS有限元模型中對(duì)面的劃分和網(wǎng)格劃分是關(guān)系到計(jì)算精度、準(zhǔn)確度和計(jì)算速度的重要一環(huán)，對(duì)重點(diǎn)位置要細(xì)分，才能達(dá)到既能準(zhǔn)確反映實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)同時(shí)又能達(dá)到計(jì)算耗時(shí)更短的目的。在此次模擬中黏性土劃分為14個(gè)面，巖石劃分為2個(gè)面，以平面三角形劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2　面劃分

2.2ANSYS仿真結(jié)果及分析

ANSYS在建立模型后進(jìn)入計(jì)算階段，將設(shè)定的物理參數(shù)賦予到對(duì)應(yīng)的位置，通過(guò)計(jì)算進(jìn)入后處理模塊查看運(yùn)算結(jié)果并分析結(jié)果。設(shè)定工況1為一般狀態(tài)條件：無(wú)外界干擾自然穩(wěn)定的邊坡。設(shè)定工況2為暴雨?duì)顟B(tài)邊坡：黏性土達(dá)到飽和狀態(tài)，巖土分界面充滿水，形成水壓力。對(duì)2種工況下土體位移變化、剪應(yīng)力變化、剪應(yīng)變進(jìn)行綜合分析。

位移變化對(duì)比分析，通過(guò)圖3及圖4位移場(chǎng)變化可以看到：在工況1條件下整個(gè)山體位移場(chǎng)主要源于自重應(yīng)力，受自重土體沉降影響，其分布按照自重規(guī)律均勻分布(大致平行分布)，由于巖石和土體重度有差異，造成局部位移場(chǎng)的變化。在工況2條件下土體達(dá)到飽和狀態(tài)，其位移主要集中到巖土分界面以上黏性土滑坡體上，表層滑動(dòng)位移最大，位移趨勢(shì)指向坡腳。

圖3　工況1：初始位移場(chǎng)(暴雨前)

剪應(yīng)力和剪應(yīng)變變化對(duì)比分析：如圖5所示，在工況1條件下的初始狀態(tài)，剪應(yīng)力最大值等值線基本在與水平夾角成45°的方向上，巖石和黏性土之間并無(wú)明顯的變化，無(wú)剪應(yīng)力集中現(xiàn)象。這也正符合莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，即極限平衡狀態(tài)下最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3方向大致應(yīng)分別在垂直和水平方向，從而造成在水平夾角45°附近時(shí)存在最大剪應(yīng)力。在工況2條件下，由于土體物理力學(xué)性質(zhì)、受力狀態(tài)發(fā)生變化(見圖6)：飽和狀態(tài)下黏性土黏聚力C值基本不變，而內(nèi)摩擦角φ趨于“0”，土體抗剪強(qiáng)度降低，飽和狀態(tài)自重應(yīng)力增加且在巖土分界面處形成動(dòng)態(tài)水壓力；同時(shí)由于水的原因進(jìn)一步降低巖石和土體之間的摩擦因數(shù)，導(dǎo)致在兩處形成剪應(yīng)力集中，滑體后緣和巖土分界面巖石前端剪應(yīng)力陡增，使得滑體后緣因不能承受增大的剪應(yīng)力而被拉裂，前緣因承受較大增加的自重應(yīng)力和水壓力形成剪出口，滑體后緣和前緣開裂區(qū)別在于前端產(chǎn)生負(fù)剪應(yīng)變量，而在滑體后緣產(chǎn)生正剪應(yīng)變量。通過(guò)剪應(yīng)力變化能清楚揭露開裂的點(diǎn)和解釋導(dǎo)致開裂的原因。

圖5　工況1：初始剪應(yīng)力(暴雨前)

圖6　工況2：飽和剪應(yīng)力(暴雨后)

通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析得出邊坡失穩(wěn)原因有：1)失穩(wěn)邊坡為隧道進(jìn)口，上覆4～6 m厚黏土，下為巖石，土石分界為約15°緩傾角，隧道開挖后，黏性土突然卸載減少指向公路方向的約束，形成向路面方向的臨空面，導(dǎo)致形成下滑力；但在未下暴雨前工況前，抗滑力較滑動(dòng)力更大，所以其暫時(shí)為穩(wěn)定邊坡。2)在暴雨浸泡作用下，黏性土液性指數(shù)逐漸變大，抗剪強(qiáng)度降低，土體逐漸由堅(jiān)硬向流塑狀態(tài)變化，且自重應(yīng)力持續(xù)增加，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小，進(jìn)入臨界狀態(tài)。3)在持續(xù)暴雨作用下，巖土分界開裂，大量雨水經(jīng)過(guò)巖土分界流出，土體后緣形成動(dòng)態(tài)水壓力，巖土分界面摩擦系數(shù)減小，滑動(dòng)力陡然增加，穩(wěn)定性系數(shù)小于1，土體沿著土石分界滑移，從而侵入高速公路路面。

3　工程處治措施及合理性分析

通過(guò)ANSYS的模擬仿真，已經(jīng)明確邊坡失穩(wěn)的主要原因，在進(jìn)行完必要的安全排險(xiǎn)、滑體清運(yùn)后，如何選擇經(jīng)濟(jì)、合理、快速的工程處治措施是不良地質(zhì)工程治理的重點(diǎn)。

3.1選擇合理的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)

常見的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)有重力式擋墻、懸臂式擋墻、扶壁式擋墻、樁板墻、肋板式或格構(gòu)式錨桿擋墻、排樁式錨桿擋墻、巖石錨噴、削坡坡率法等[16]，其應(yīng)用范圍見表2。

表2　邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)常用形式[16]

由于滑體高度為3～6 m，平均高度為5 m(H<10 m)，滑體上無(wú)房屋等構(gòu)筑物，下覆為巖石，地基承載力能達(dá)到要求。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及施工快速和便捷等因素后我們采用重力式擋土墻(C15混凝土)。到施工時(shí)交通已經(jīng)開放，不能大規(guī)模爆破開挖基礎(chǔ)，為保證擋土墻抗滑移能力，在基礎(chǔ)上布置梅花狀布置錨桿， 桿體長(zhǎng)1.5 m，一半嵌入巖石一半留在擋土墻內(nèi)，增強(qiáng)抗滑移能力，如圖7所示。

3.2增設(shè)重力式擋墻穩(wěn)定性分析

擋土墻并沒有改變土的性質(zhì)，只是增加了抗滑力，使其達(dá)到平衡狀態(tài)。根據(jù)滑體高度及剩余下滑力，初步采用重力式擋墻結(jié)構(gòu)尺寸為上寬1.5 m，下寬3 m，平均高度3 m，在擋墻下設(shè)錨桿增加摩擦阻力，采用的計(jì)算參數(shù)見表3(未指出參數(shù)見表1)，擋土墻典型斷面詳細(xì)尺寸見圖8。

圖7　重力式擋土墻作用示意圖

表3　穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)表

文獻(xiàn)[16]中詳細(xì)規(guī)定了重力式擋土墻的計(jì)算方法，重力式擋土墻滿足抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性兩方面要求：即抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)大于1.3，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)大于1.6，具體計(jì)算公式及結(jié)果見表4。

圖8　典型斷面擋土墻結(jié)構(gòu)尺寸表4　穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

名稱計(jì)算公式規(guī)范要求計(jì)算結(jié)果備注剩余下滑力F=1.2×(rsatVsinθ+E水)-(RsatVcosθtanφ+Ac)252.5kN抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)Kc=(Gn+Ean)uEat-Gi≥1.31.47滿足要求抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)KG=Gx0+Eza×xfEaxzf≥1.62.3滿足要求

通過(guò)計(jì)算抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)為1.47，傾覆穩(wěn)定系數(shù)為2.3，均滿足要求，擋土墻尺寸滿足穩(wěn)定性要求，結(jié)構(gòu)合理。

3.3其他措施

除了擋土墻設(shè)計(jì)外，應(yīng)根據(jù)邊坡實(shí)際狀況設(shè)置截水溝和排水溝，充分考慮匯水面積、排水路徑、溝渠排水能力等相關(guān)因素，在滑體后邊緣設(shè)置截水溝，陡邊坡設(shè)置急流槽，必要時(shí)可進(jìn)行防滲處理，同時(shí)在泄水孔擋墻后設(shè)置反濾層，保證排水通暢及黏性土不被帶走。在擋土墻施工完畢后，必須盡快綠化邊坡，堅(jiān)持工程防護(hù)和生態(tài)防護(hù)相結(jié)合的基本原則是減少地質(zhì)災(zāi)害的重要手段。生態(tài)綠化可以固結(jié)土壤，同時(shí)，生態(tài)防護(hù)有利于高速公路景觀打造，減少視覺污染。在此次邊坡處治的同時(shí)，對(duì)高速公路的管理及其他工作也提出了許多改進(jìn)措施，如巡查制度等，以期防范于未然。

4　結(jié)論

本文以廣南高速公路在通車營(yíng)運(yùn)一年內(nèi)一處邊坡失穩(wěn)為研究原型，基于ANSYS定性分析失穩(wěn)原因并采用定量分析的方法分析加固處治措施是否合理得當(dāng)，有如下結(jié)論：

1)在自然條件下 ,邊坡通過(guò)控制坡率能達(dá)到穩(wěn)定。

2)在不利的暴雨條件下，邊坡土體達(dá)到飽和狀態(tài)，土體自重應(yīng)力增加，內(nèi)摩擦角趨于“0”，天然土體抗剪強(qiáng)度驟然降低是其滑動(dòng)的內(nèi)在因素(即物理性質(zhì)發(fā)生改變)，同時(shí)水進(jìn)入巖土分界面形成動(dòng)態(tài)水壓力并降低巖土之間摩擦因數(shù)是導(dǎo)致滑動(dòng)的外在因素(即外力增加)，運(yùn)用ANSYS能定性分析并解釋滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的位置和原因。

3)穩(wěn)定性分析包括抗滑移穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性，只有2種穩(wěn)定性均滿足的條件下，處治措施才是合理的。

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[16]建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范:GB 50330—2013[M].2013.

(編校：葉超)

Research on Highway Slope Instability and Emergency Settlements Based on ANSYS Model

PAN Heng1,ZHANG Le2

(1.TheSchoolofTransportationandAutomotiveEngineeringXihuaUniversity,Chengdu610039China;2.SichuanTibetanAreaExpresswayCo,Ltd,Chengdu610031China)

The instability of a highway slope in Sichuan was researched and was modeled on the platform ANSYS based on finite element method. Two different conditions of the slope, i.e., general state and saturated state (heavy rains state), were analyzed on the ANSYS. the cause of the slope instability was found out: the internal friction of saturated clayey soil tends to "0" and then the soil shear strength is reduced. This results in the dynamic water pressure and increase of the gravity stress. These factors lead to slope collapse. Finally, specific engineering treatment measures are put forward to improve slope stability and avoid slope collapse.

slope instability; ANSYS; numerical simulation；treatment measures

2016-02-04

四川省教育廳資助項(xiàng)目(16ZA0162)；四川省科技廳資助項(xiàng)目(2016GZ0340)。

潘恒(1983—)，女，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸、管理科學(xué)與工程。

U416

A

1673-159X(2016)04-0057-5

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.04.012