公路边坡工程的开挖全过程的有限元仿真
张华伟1，于红梅2
（广东松山职业技术学院，韶关512126；郑州航空工业管理学院， 郑州 450000）
摘要：近几年随着国家基本建设力度的加大和西部大开发的进行，高等级公路修建在我国方兴未艾，尤其是高速公路建设工程中所遇到的岩质边坡稳定性问题也相应地增多。由于公路路线一般较长，经过的地形、地质条件比较复杂，边坡的稳定性是保证道路正常运行的关键，因此一直以来是公路建设中的一个值得关注的问题。因此，研究边坡的稳定性，对于如何预防边坡失稳，以及对失稳边坡进行治理，具有非常重要的现实意义。本文主要运用数值模拟技术对公路边坡建立有限元模型，模拟了公路边坡的应力和位移分布情况，并进一步分析边坡坡度及边坡形式对边坡本身稳定性的影响。 关键词:力学，边坡,稳定性分析,数值模拟,有限元分析
1 公路边坡稳定性分析
1.1边坡稳定性的概念及其研究方法的确定
在传统的力学分析中我们知道边坡稳定性分析[1] [2]是和土压力研究和地基承载力研究一起发展起来的。18世纪，库仑提出了计算土压力的方法，宣告了土力学科的诞生。而朗肯在以墙后土体各点处于极限平衡状态的基础上为依据，找到了计算主动土与被动土压力的途径，而后推广到地基承载力和边坡稳定性分析中，进而形成了一套体系，就是我们常见的极限平衡法。
极限平衡法是以摩尔~库仑强度准则基础建立起来的，其关系式如下：
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fc，，tan，c，（）tan，为了揭示开挖过程的边坡稳定性，采用有限单元法进行不同状况下的数值模拟。因主要考虑静态自重
作用下的边坡受力及变形情况，因此采用位移法对不同形态的边坡作数值分析。通过数值计算，分别对开挖过程边坡的稳定情况从水平位移、竖向位移、及各个方向的应力大小等方向进行评价，本文主要分析研究了传统的挡土墙对边坡的稳定的影响。为了便于对计算结果的统一分析，必须对土质、受力条件、基本参数等做必要的简化[3] [4]。
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2 公路边坡建模分析
该公路高边坡的断面图如图2-1所示，图中Ⅰ、Ⅱ表示地层的围岩类别（其参数弹性模量GPa，泊松
比，容重KN/m3分别为1.2和2.2，0.47和0.37，17和20）。工程的防护体系由A、B、C、D、E五部分构成。A，E是自然坡度，其形式利用菱形网格；而B是开挖出来的坡度，防护采用窗孔肋；C是钢筋混凝土挡土墙，采用C30混凝土（其参数弹性模量30GPa，泊松比0.2，容重25KN/m3）。；D是路基，菱形网
格和窗孔肋的材料采用混凝土。边坡A和E的坡度是1比2，
边坡B的坡度是1比1。整个模型的高是35m，宽是90m。施工时，首先开挖B部分，然后施加窗孔肋防护体，再开挖D部分并修挡土墙C，然后对A和E进行菱形网格防护，最后对部分植草绿化。
图2-1
2.1 初始地应力场模拟
在模型上加边界条件、重力荷载并进行初始地应力场的模拟计算，初始地应力场其实就是原始的应力场。边坡在开挖的情况下，即为原始的应力场情况下，位移变形为3.353mm，最大应力为Y方向的112pa，主应力最大值出现在S1方向值为3954pa。
图2-1地层变形图
2.2上台边坡开挖模拟分析
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简单边坡开挖工艺10：根据边坡开挖的设计要求和边坡开挖爆破的复杂条件，设计采用预裂爆破和深孔控制爆破相结合的微差爆破技术，部分地段采用浅孔控制爆破技术，爆破施工达到了预期效果。
每次开挖后，进行的模拟计算所得的变形和位移结果，都不是真实的值，而要减去初始地应力场下的变形和位移后，才是实际的值。但是，对于应力则刚好相反，每一次所分析得到的结果就是实际的值。如果要计算每一步开挖所产生的附加应力和位移，则只有将此次计算的结果减去上一步的结果就行。
第一次开挖以后，位移变形值0.03mm，数值比较小，最大应力为51593pa,出现在X方向上，主应力最大值为s1方向上的为82253pa。随着开挖过程的进行在坡脚逐渐形成明显的应力集中带。
图2-2一次开挖主应力（S1）等直线
2.3下台边坡开挖模拟分析（未加上混凝土挡土墙和加上混凝土挡土墙对比）
图2-3二次开挖第一主应力等直线（无挡土墙） 图2-4二次开挖第一主应力等直线（有挡土墙）
在开挖模拟过程中，通过将第一次开挖后节点力数值加到各个来挖出的节点上，这样可以保证模型的真实性，显然在在开挖角处出现应力集中，坡脚的应力集中依然存在。第二次开挖以后，在没有加混凝土挡土墙的情况下，位移变形值0.065 mm，值比较小，最大应力为X方向的1162pa，最大主应力为s1方向的1167pa。在加如混凝土挡土墙支护以后，位移变形值0.065mm，值比较小，最大应力为X方向的1545pa，最大主应力为s1方向的1571pa，这些都是出现在我们所加的混凝土挡土墙上，说明混凝土挡土墙起到了作用。
2.4计算结果分析
本文利用大型有限元软件ANSYS对公路边坡的逐步开挖及支护过程进行模拟，求出了开挖状态下每一步应力场、位移场和应力、位移矢量图，反映出边坡随开挖的进行破坏的规律情况。对开挖后边坡进行混
凝土挡土墙支护的模拟数据显示，支护后的边坡在应力场与位移场比未支护时发生了巨大的变化，从而得出了在支护下边坡可保持长期稳定的结论。
从边坡开挖过程仿真分析地层变形和位移结果可以看出最大变形为3.3mm，从趋势上看，在最终开挖的平面上，位移最大，因而是最危险的部分。但从数值上看，其中最大位移（x方向）是1.45mm（二次开挖），初始地应力场下的位移是0.784mm，所以最后的x方向位移为0.666mm，是一个非常小的数值，因而不会产生破坏。从边坡开挖过程仿真分析地层的应力结果可以看出，在挡土墙后很小范围的地层拉应力为1160MPa，而往后较大范围62Pa。
通过结果可以看出：支护后，边坡的应力状态得到了改善，将能够保持长期稳定，和未加支护相比较，可以得出，在无支护状态下坡顶、坡面和坡体深部的拉应力区经加固后均己发生应力的偏转，变成压应力区，然而岩土的抗压强度一般是其抗拉强度的十倍，这一点对保持边坡的长期稳定很重要。支护后边坡的水平位移最大值降低到了2mm左右的程度，边坡整体基本处于弹性状态。由上述结果可以得出，边坡在开挖的过程中进行支护，能有效抑制岩土位移和塑性区的发展。由数据可以看到，挡土墙的最大弯矩为1.486 KN.m。剪力为2.199KN,轴力为 1.235 KN,其轴力虽然为正值表示受拉，但是其值很小，经过验算挡土墙是能够满足设计要求的。与原始应力场相比有如下特点：(1)主应力迹线发生了明显偏转，坡面附近最大主应力方向与坡面基本平行，最小主应力方向与坡面近似于垂直，并逐步出现水平方向剪应力，其总趋势是由内向外增多，越近坡脚越高，向坡内逐渐恢复到原始应力状态。(2) 随着开挖的继续，在坡脚处逐渐出现应力集中带。(3)坡面岩体侧向应力近于零，实际上变为两向受力。 参考文献
[1] 姜德义，朱合华，杜云贵.边坡稳定性分析及滑坡防治[M].重庆:重庆大学出版社，2005，3 [2] 沈良峰，廖继原，张月龙.边坡稳定性分析评价方法研究及趋向[M].建筑科学， 2000: 43 -47. [3] 杨学堂边坡稳定性评价方法及发展。岩土工程技术2004.18(24):103-106 [4]《ANSYS10.0结构分析从入门到精通》[M]，段进等编，兵器工业出版社。
