基于Abaqus 的土工格柵加筋路堤邊坡穩(wěn)定性分析

韓娜娜

（貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 551499）

在多山的地區(qū)修建高速公路時，因其地貌水文，地形特點等原因，難免會遇到需要填筑的高臺路堤或者需要挖除一定深度的路塹情況，這樣就會面對一定的難題[1]，如高速公路邊坡大變形沉降及坡體的滑落，進而引發(fā)高速公路路面的破壞等問題[2]。就目前而言影響土體加筋效果的原因有很多，研究這些原因?qū)τ诼返谭€(wěn)定性的影響很有必要[3～5]。本研究主要使用的技術(shù)手段為Abaqus 有限元軟件建立模型，分別對加筋與未加筋，加筋間距大小建立出相應(yīng)的模型進行計算分析，最后分別對模擬計算結(jié)果作出對應(yīng)的位移穩(wěn)性分析。在這里應(yīng)用強度折減原理計算模型的穩(wěn)定系數(shù)[6]。

1 本構(gòu)模型的選取

在采用有限元建模進行模擬時，需要對各個單元的構(gòu)建進行區(qū)分材料模擬，對于主要的土體結(jié)構(gòu)而言，由于土體自身結(jié)構(gòu)的特殊性，比如其的多孔非聯(lián)系性，從力學(xué)角度出發(fā)又是彈塑性體，同時也是各向異性體，這就導(dǎo)致其內(nèi)部受力的應(yīng)力與應(yīng)變之間很復(fù)雜，因此在數(shù)值模擬中找到合適的本構(gòu)模型進行土體的模擬就尤為重要，要在數(shù)值模擬中找到一種合適的模型對土體進行模擬就要對比本構(gòu)模型的理論和本質(zhì)區(qū)別，選擇最佳的模型。對于本工程路堤邊坡的模擬最佳的選擇是Mohr-Coulomb，因為在其對工程中的巖土體進行分析研究時，能夠顯而易見的反映出土體的內(nèi)部的塑性區(qū)域的變形及土體身的破壞狀況，但其也有局限性即缺點，比如在土體破壞前期不能直觀的反應(yīng)其非線性變形特點。

盡管M-C 模型還不能真實的模擬土體反映其變形特征，但是它已經(jīng)有模擬土體的最佳優(yōu)點。因此，在綜合考慮各方面的影響因素后，本研究選取M-C 模型，來對路堤邊坡的穩(wěn)定性問題進行研究[7～9]。

1.1 屈服面

Mohr-Coulomb 模型采用Mohr-Coulomb 屈服條件，其屈服面函數(shù)為

1.2 塑性勢面

對于Mohr-Coulomb 模型來說，由于其屈服面上存在尖角的問題，因此在使用流動法則使其塑性勢面與屈服面保持一致，就容易出現(xiàn)計算結(jié)果不收斂的問題。為了解決這些問題，Abaqus 采取以下方式的塑性勢面：

式中：e 為π 平面上的偏心率，它決定了塑性勢面的形狀，其取值范圍為(0.5,1)。

以Mohr-Coulomb 為屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型不能反映加卸載模量的差異和土體的壓硬性，因此在做開挖工程時不宜選用，但是在運行計算路堤邊坡的強度和穩(wěn)定性時能使計算結(jié)果更加的合理話，因此本研究選用以Mohr-Coulomb 為屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 基本假定

此模型為理想的彈塑性模型，對于地下水、地表水滲漏、地震荷載、交通荷載、土壤固結(jié)、土壤溫度敏感性等因素進行忽略，為使模型計算分析更加便捷，現(xiàn)對其作出以下假設(shè)。

假設(shè)1：填筑的材料表面分布是均勻的，忽略溫度影響；

假設(shè)2：斷面各土層表面是相對水平的；

假設(shè)3：用模型計算結(jié)果是否收斂來認(rèn)定模擬的工程是否穩(wěn)定，如果計算中模型不收斂，無法進行計算，那么說明路堤邊坡已經(jīng)失去平衡而破壞。

2.2 模型的建立

在本模型中，土體使用Mohr- Coulomb 模型，土工格柵所采用的為Abaqus 中的Truss 單元，土工格柵根據(jù)其自身只能承受拉力的特性，因此在Abaqus 中的命令中的設(shè)置為*No com-pression。土工格柵與土之間的接觸使用的命令是Constraints，對于兩者之間在力的作用下而相互作用時采用嵌入式來處理，使用Embedded region 嵌入路堤之中，用強度折減原理計算模型的穩(wěn)定系數(shù)，見表1～表2。

表2 土工格柵參數(shù)表

依據(jù)某實際高速公路工程路堤邊坡工程進行建模，建立與現(xiàn)場相同的斷面模型。根據(jù)路堤的對稱性，選取其中一邊的路堤邊建模。此工程的邊坡形式是兩級邊坡的形式，邊坡中設(shè)有2.5 m 的平臺，坡比為1:1，根據(jù)工程的實際狀況，建模時邊坡高21 m，破壁為1:1，坡頂?shù)钠矫鏋?4 m，地基的深度為11 m。主要對路堤截面進行分析，因此使用二維建模即可，建模時模型地基底部完全約束住，左右兩邊也是水平約束固定，上部是自由活動的，見圖1。

圖1 路堤邊坡模型及網(wǎng)格劃分

3 計算結(jié)果分析

3.1 加筋與未加筋路堤變形分析

增大逐漸是增大的，那么路堤在土體的自重下，應(yīng)力向下傳遞逐漸增大，在路堤中心處應(yīng)力達到最大，且向兩邊逐次遞減，在中間邊坡處土體的邊緣處沉降更大，是因為土體內(nèi)部相當(dāng)于有約束限制，土體不同，彈性模量的大小也不一樣，自然沉降也有差異。

表3 中的工況四中，加入土工格柵后土體的沉降明顯有所減小，整體的分布變化趨勢和不加土工格柵時幾乎一致，塑性區(qū)都是最開始在坡腳處，然后沿著一定角度方向向內(nèi)延申，最后僅在邊坡坡腳處出項部分塑性區(qū)，由此可見土工格柵對于分散路堤邊坡內(nèi)部的應(yīng)力有一定的作用。

表3 中的工況一結(jié)果顯示，自重應(yīng)力隨著深度的

表3 模型計算方案

3.2 不同加筋間距下路堤變形分析

對表格3 中的工況二至工況五進行路堤邊坡位移分析。圖2～圖5 為在相同的折減系數(shù)下的4 種不同加筋間距鋪設(shè)下路堤的塑向及側(cè)向位移。

圖2 相同折減系數(shù)下加入土工格柵后路堤豎向位移

圖3 相同折減系數(shù)下加入土工格柵后路堤側(cè)向位移

圖4 極限狀態(tài)下加入土工格柵后路堤豎向位移

圖5 極限狀態(tài)下加入土工格柵后路堤側(cè)向位移

由圖2 可知，路堤的塑向位移，沿著路堤中心處距離總的變化趨勢是沉降先變大后變小，在最小的加筋間距為0.4 m 時，路堤的豎向位移總體為最小，為11.7 cm，而當(dāng)加筋間距最大為1 m 時，最大的沉降變形為12.6 cm，最大和最小加筋間距的沉降減小的幅度為7.7%。

由圖3 可知，隨著間距的增大，土工格柵路堤邊坡的側(cè)向位移沿著路堤中心處逐漸增大，加筋間距為0.4 m，0.5 m，0.8 m，1 m 時所對應(yīng)的最大位移分別為4.8 m，5.5 m，6.8 m，7.5 m，相應(yīng)增幅分別為12.4%，16.3%，9.4%，同樣減幅亦是如此，由此可知，當(dāng)加筋間距為0.8 m 時，其效果最好。

在相同極限狀態(tài)下的加筋路堤沿著路堤中心處的豎向位移，總的曲線變化幅度不大，且0.4 m 與0.5 m 曲線的沉降變化不大，0.8 m 和1 m 的曲線變化也不大，而最大間距和最小間距的沉降變化相差較大，說明在極限平衡狀態(tài)下，土工格柵間距越小，其所能夠負(fù)擔(dān)的變形也就越大。

由圖5 可知，不同的加筋間距所對應(yīng)的邊坡的側(cè)向最大位移出現(xiàn)的位置也有所不同，原因是土體加筋間距越小，所使用的格柵越多，使得加筋土體整體剛度越大，變形越小，變形最大位移向外擴散。

4 結(jié)論

本研究通過Abaqus 建立路堤邊坡模型，對邊坡的位移進行分析，得到以下結(jié)論。

（1）加入土工格柵后土體的沉降明顯有所減小，整體的分布變化趨勢和不加土工格柵時幾乎一致，塑性區(qū)都是最開始在坡腳處，然后沿著一定角度方向向內(nèi)延申，最后僅在邊坡坡腳處出項部分塑性區(qū)，由此可見土工格柵對于分散路堤邊坡內(nèi)部的應(yīng)力有一定的作用。

（2）加筋間距對于路堤邊坡穩(wěn)定性影響較大，加筋間距越小，加筋土體的剛度越大，邊坡的變形越小，說明增強效果越顯著，但是如果加筋間距布置過小，則土工格柵之間也會出現(xiàn)干擾，因此增強效果就會減弱。那么就本研究的工程而言，加筋間距布置為0.8 m時較為合理。

（3）有限元軟件能夠有效模擬出路基在受荷作用下的工作性狀，是一種非常有效的分析路基工作狀態(tài)的軟件。