某高速公路路塹邊坡開挖的數(shù)值模擬分析

張 凱

(貴州省公路工程集團有限公司)

1 數(shù)值模擬方法簡介

有限元法是邊坡數(shù)值模擬中應(yīng)用得最早和使用最廣泛的的一種方法。這種方法已成為邊坡變形分析的常用方法，可用于求解彈性的、彈塑性的、粘彈塑性的、粘塑性的等問題。有限元法并沒有把巖土體視為剛體，把不連續(xù)性和非均勻性作為分析時的條件，從分析應(yīng)力應(yīng)變的角度判斷邊坡的變形破壞，有限元法對邊坡形狀的規(guī)則與否、材料的均勻與否沒有要求，是一種較為理想的分析邊坡的手段。

將數(shù)值模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果比較分析，能夠合理正確評價邊坡的穩(wěn)定性狀況。本文采用有限元法對某高速的一處路塹邊坡進行數(shù)值開挖模擬分析也是出于這個方面的考慮。

本文采用的plaxis軟件是一個專門用于各種巖土工程問題中變形和穩(wěn)定性分析的二維有限元計算程序。通過簡單的輸入過程可以生成復(fù)雜的有限元模型，而強大的輸出功能可以提供詳盡的計算結(jié)果，計算過程以穩(wěn)定的數(shù)值方法為基礎(chǔ)。

2 幾何模型建立及參數(shù)的選取

根據(jù)已知該段邊坡地形地貌及其工程地質(zhì)條件，建立有限元幾何模型。

巖土體的材料從上到下依次模擬粉質(zhì)粘土，泥質(zhì)頁巖，碳質(zhì)頁巖，灰?guī)r。

在邊坡的有限元PLAXIS數(shù)值模擬計算中，本文采用MC模型。以結(jié)合土工試驗及工程實踐經(jīng)驗得到的土的容重、飽和容重、泊松比、彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等為主要模擬參數(shù)。其參數(shù)取值見表1。

表1 巖土體的巖土力學(xué)參數(shù)

邊坡巖土在主應(yīng)力空間上的屈服面方程為

在計算中，用壓縮試驗(側(cè)限狀態(tài)下)中獲得的壓縮模量來代替彈性模量。它們之間的關(guān)系:

在有限元plaxis模型網(wǎng)格劃分時，采用15點的三角型單元。

生成網(wǎng)格的目的是把幾何模型轉(zhuǎn)化為有限元模型，把幾何模型的特征、邊界條件、材料的特性等輸入的參數(shù)轉(zhuǎn)移到網(wǎng)格的單元、節(jié)點和應(yīng)力點上。

本文模擬時采用標準固定邊界條件，即模型底部完全固定約束，在左右兩側(cè)豎直的邊界滑動約束(水平方向位移為0，豎直方向位移自由)。

3 開挖模擬分析

3.1 無支護開挖模擬

對該邊坡的模擬開挖共分9級，坡比均為:1∶1.25，通過分步計算，能夠獲得各個步驟時，邊坡的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等信息，顯示了邊坡無支護逐級開挖過程中合方向位移的變化。

可以看出無支護開挖過程中，在開挖坡體的坡角處產(chǎn)生的位移較大，隨著邊坡的開挖，位移越來越大，當開挖到二級時，邊坡坡體不在穩(wěn)定發(fā)生破壞，形成圓弧形滑動面。在圖上也可看出產(chǎn)生的位移有以沿巖土體不連續(xù)面分布的趨勢。

顯示了無支護下邊坡逐級開挖過程中總應(yīng)變的變化。

可以看出無支護開挖過程中，邊坡開挖至八級和六級時，坡體產(chǎn)生的最大應(yīng)變出現(xiàn)在坡角處，其在坡體內(nèi)部巖土體分界面上產(chǎn)生的應(yīng)變量也較大。隨著邊坡的開挖，當開挖到四級時，邊坡坡體內(nèi)應(yīng)變主要分布在基巖層頂面，表明在邊坡開挖過程中應(yīng)變的分布有依附不連續(xù)分界面的特點，在坡頂處出現(xiàn)應(yīng)變區(qū)，向下與基巖頂面的應(yīng)變集中區(qū)連通。當開挖到二級時，在圖上可看出邊坡應(yīng)變加劇，出現(xiàn)了邊坡失穩(wěn)特征，在三級坡坡體剪出。同時，在更深處同樣形成了一個沿著基巖頂面的應(yīng)變集中的似圓弧面。

顯示了無支護下邊坡逐級開挖過程中總應(yīng)力的變化。

可以看出無支護開挖過程中，應(yīng)力由淺部到深部呈層狀分布，其值越來越大。開挖后，應(yīng)力有向坡角集中的現(xiàn)象。當坡角與巖層分界面越近時，應(yīng)力就越集中。

3.2 支護開挖模擬

顯示了支護工況下邊坡逐級開挖過程中合方向位移的變化。

可以看出在支護工況下的開挖過程中，同樣坡體的坡角處產(chǎn)生的合位移較大，但相比無支護開挖，合位移有適當?shù)臏p小，當開挖到二級時，邊坡坡體并沒有發(fā)生破壞，對比上節(jié)無支護開挖情況，可判斷是支護結(jié)構(gòu)起了作用。

顯示了支護工況下邊坡逐級開挖過程中總應(yīng)變的變化。

可以看出在支護工況下的開挖過程中，坡體產(chǎn)生的最大應(yīng)變?nèi)匀怀霈F(xiàn)在坡角處，且有依附不連續(xù)分界面分布的特點。但有了支護結(jié)構(gòu)后，應(yīng)變明顯減小，圖10中的淺部滑動面消失了，而且深部的應(yīng)變集中滑動面也得到了抑制。邊坡沒有發(fā)生明顯的破壞現(xiàn)象。

顯示了支護工況下邊坡逐級開挖過程中總應(yīng)力的變化。

可以看出在支護工況下的開挖過程中，應(yīng)力同樣由淺部到深部呈層狀過渡。開挖后，應(yīng)力向坡角集中的現(xiàn)象仍然存在。由于支護結(jié)構(gòu)承受了一部分應(yīng)力，坡體的剪應(yīng)力變小，壓應(yīng)力有小幅度增強。

4 小結(jié)

在開挖模擬過程中，發(fā)現(xiàn)在坡角處位移、應(yīng)力和應(yīng)變逐步集中，在坡頂處會形成一定范圍的應(yīng)力應(yīng)變區(qū)，同時，坡體內(nèi)的不連續(xù)界面是坡體發(fā)生位移應(yīng)變的理想?yún)^(qū)域，這一區(qū)域會和坡角、坡頂?shù)膮^(qū)域相互擴展，最后很可能會貫通整個坡體，形成貫通的滑動面，這對邊坡而言是及其危險的。滑動面的形狀往往取決于坡體內(nèi)不連續(xù)面(巖層分界面，軟弱面)的形狀。由兩種工況下開挖的對比分析可知:逐級開挖逐級支護的開挖方式，對邊坡開挖變形的控制有良好的效果，對防治邊坡繼續(xù)變形破壞，提高高坡體的穩(wěn)定性具有十分重要的意義;抗滑樁及錨桿錨索的支護能夠改善邊坡坡體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，抑制邊坡坡體的變形，提高邊坡坡體的穩(wěn)定性。