基于FLAC的路基邊坡穩(wěn)定性分析

楊帆

摘 要：科學準確的邊坡穩(wěn)定性分析是路基邊坡防治加固的重要決策依據(jù)，針對傳統(tǒng)路基邊坡穩(wěn)定性分析方法存在誤差大、效率低下等弊端，本文梳理總結了提高路基邊坡穩(wěn)定性分析結果精確性的技術要點，基于FLAC仿真軟件從主應力云圖、位移云圖和穩(wěn)定性系數(shù)三個方面對構建的高邊坡仿真模型進行了計算與分析，據(jù)此系統(tǒng)評估了邊坡穩(wěn)定性，為路基邊坡防治加固提供借鑒與參考。

關鍵詞：FLAC模型;路基邊坡;穩(wěn)定性;仿真分析

中圖分類號：U416.14 文獻標識碼：A

0 引言

路基邊坡穩(wěn)定性關系著整個公路的耐久、穩(wěn)定與安全，邊坡坡度、地質(zhì)巖性、地質(zhì)結構、地下水發(fā)育情況以及施工等因素均對邊坡穩(wěn)定性造成重要影響，而傳統(tǒng)路基邊坡穩(wěn)定性分析方法存在誤差大、效率低下等弊端[1-3]，故有必要運用科學合理的路基邊坡穩(wěn)定性分析方法，進一步確定合理的路基邊坡構型，為路基邊坡防治加固提供借鑒與參考。

1 路基邊坡穩(wěn)定性分析概述

傳統(tǒng)路基邊坡穩(wěn)定性分析方法存在誤差大、效率低下等弊端，為保證路基邊坡穩(wěn)定性分析結果精確性，科學掌握斜坡的自然環(huán)境、地形和地質(zhì)參數(shù)，以及合理運用匹配計算方法和參數(shù)指標尤為重要[4-6]。

1.1 參數(shù)值的合理化

路基邊坡穩(wěn)定性分析需要考慮選取參數(shù)的合理性，相關分析顯示，計算方法在對邊坡穩(wěn)定性的評估方面實際影響相對較小，但由于斜坡土本身存在不均勻的特性，其參數(shù)值選取的變化性必會對計算結果造成偏差，因此如何合理優(yōu)化計算參數(shù)是未來研究重點。

1.2 分析方法的組合

目前尚未存在一種可以完全解決和分析所有問題的方法，將兩種或更多種方法結合起來相互融合運用是未來的發(fā)展趨勢。如對專家系統(tǒng)進行分析與設計時，可以利用遺傳算法進行推導和設計，并對函數(shù)選擇以及相關參數(shù)進行確定;另外，可充分組合利用有限元、離散元，數(shù)值解、解析解的組合等各自優(yōu)勢解決較為復雜的梯度問題。

1.3 系統(tǒng)理論

路基邊坡是復雜的開放系統(tǒng)，故綜合考慮各個子系統(tǒng)之間的相互作用和聯(lián)系，并利用控制論和協(xié)同學等理論來穩(wěn)定邊坡，據(jù)此研究和分析機制特性也是研究趨勢之一。

1.4 反分析方法運用

目前多依據(jù)梯度應力來研究梯度系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，若反向思維考慮，則可以從梯度系統(tǒng)的變形分析中獲得對梯度穩(wěn)定性的分析，并進行穩(wěn)定性評估。例如，反位移分析的方法是基于測得的位移值的反演獲得初始應力和參數(shù)，然后將其應用于工程實踐。

2 FLAC程序簡介

上述概述可知，合理運用計算方法對保證路基邊坡穩(wěn)定性和安全性分析結果精確性尤為重要。FLAC軟件基于拉格朗日差分法構成，允許計算過程中材料的屈服和流變以模擬地面巖土所具有的力學屬性，故更適合解決模擬較大變形及扭曲，具有綜合性，速度性和經(jīng)濟性等優(yōu)點[7-8]，其相關計算流程如圖1所示：

3 公路路基邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 FLAC模型建立

某一級公路路基設計寬度為30 m，邊坡設計坡度為1：1。路基土體分為三層，基層為粘土，層厚10 m;中層為硬粘土，經(jīng)壓實，層厚10 m;上層為中細沙土，層厚10 m;路基底部寬100 m。

建立幾何模型如圖2所示：

FLAC的邊界條件限定為限制節(jié)點位移，假設路基中心線左右各材料性質(zhì)完全一致，中心線左右受力及位移正對稱，據(jù)此確定邊界約束條件為：地基土的下部邊界視為無位移的固定邊界，中心對稱面和側面各節(jié)點限制水平位移。

本文采用Mohr-Coulumb模型對邊坡穩(wěn)定性進行模擬計算，此模型計算效率較高，適用于松散狀和黏結狀的粒狀散體材料，如土體、巖石、混凝土等。主要參數(shù)指標有：巖土體彈性模量E、泊松比v、剪脹角ψ、體積模量B、剪切模量S等均對穩(wěn)定性分析結果造成影響。每個土壤層的物理和機械參數(shù)如下表1所示：

3.2 運行結果及分析

運行FLAC軟件自動完成仿真，獲取主應力云圖、位移云圖和穩(wěn)定性系數(shù)，可依次對邊坡進行應力分析，位移分析和變形分析，據(jù)此評估邊坡的穩(wěn)定性。

3.2.1 應力分析

輸出的主應力云圖如下圖3、4所示。

圖3和圖4是FLAC中的模擬應力云，分析上圖可知，顯示y方向上的垂直應力是壓應力，隨著土壤厚度的增加而增加，并且與場應力的變化一致。斜率周期性地從外到內(nèi)逐漸增大，其應力值達到最小值或零，從其頂部到底部逐漸增大，并且應力達到最小值或零。x方向的側向應力有規(guī)律地分布在傾斜體上，并且隨著傾斜軸承的增加，最大壓應力值為150 kPa。拉應力也出現(xiàn)在傾斜的頂面下方的某些深度（下部中心）。路基斜坡的特征是在橫向方向上受拉和受壓，主要是受壓，但在垂直方向受壓。

3.2.2 邊坡位移

輸出的位移云圖如下圖5、6所示。

圖5和圖6分別是斜率的垂直位移圖和橫向位移圖，分析上圖可知，較低坡度在y方向上的最大位移達60 mm，發(fā)生在較低坡度的中心表面附近。隨著土壤層厚度的增加，位移值逐漸減小，直到可以忽略不計或為零。與原始路基設計斜坡相比，斜坡上沒有形成最大位移區(qū)域，這使斜坡變慢，從而有助于分散應力。x方向上的最大位移發(fā)生在傾斜軸承內(nèi)部，最大位移值為7.5 mm。與原始路基設計坡度相比，最大位移區(qū)域從坡度附近的坡度移動到坡度內(nèi)部以創(chuàng)建拐角。傾斜不會導致傾斜體的整體減小。與原始線性斜率相比，y和x方向上的階躍斜率的位移值分別減小了65.7%和94%。

3.2.3 穩(wěn)定系數(shù)

FLAC軟件運行完成之后，由數(shù)值模擬的結果分析可知，穩(wěn)定系數(shù)數(shù)據(jù)結果為1.58～1.59，邊坡穩(wěn)定。

綜上，基于FLAC仿真軟件構建土壤土質(zhì)高邊坡模型進行計算與分析，斜坡形狀從直線線性改變?yōu)檎劬€線性，即設置臺階后y和x方向上的階躍斜率的位移值分別減小了65.7%和94%，且穩(wěn)定系數(shù)數(shù)據(jù)結果為1.58～1.59，邊坡穩(wěn)定。

4 結語

基于主應力云圖、位移云圖和穩(wěn)定性系數(shù)三個方面對構建的高邊坡仿真模型進行了計算與分析，斜坡形狀從直線線性改變?yōu)檎劬€線性，即設置臺階后y和x方向上的階躍斜率的位移值分別減小了65.7%和94%，且穩(wěn)定系數(shù)數(shù)據(jù)結果為1.58～1.59，邊坡穩(wěn)定。為路基邊坡防治加固提供借鑒與參考。

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