1、基于有限元的边坡无支护分级开挖过程稳定性分析 梁远禄 原宝盛 闫强 广西交通投资集团有限公司 广西交通科学研究院 摘 要： 以柳南高速公路 K1 456+800K1 468+300 段改扩建工程为依托, 基于 ANSYS 有限元法建立某典型路堑边坡无支护分级开挖过程的数值分析模型, 对边坡开挖面的剪切应变增量、位移及边坡安全系数随开挖时步进行而变化的状态进行监测以分析边坡开挖的“过程稳定性”, 为高速公路改扩建边坡开挖及时支护的必要性和后期的开挖支护方案和控稳措施提供理论基础。关键词： 道路工程; 有限元; 边坡开挖; 过程稳定性; 收稿日期：2015-03-01Received： 2015-
2、03-01柳 (州) 南 (宁) 高速公路是国家高速公路网 G72 泉 (州) 南 (宁) 高速公路的重要组成部分, 自 1998 年 12 月开通至今已投入使用十余年。随着“北部湾经济区”战略的不断深入, 道路交通量与日俱增, 目前大部分路段已满负荷运营多年, 迫切需要实施改扩建工程。高速公路改扩建通常采用双侧对称扩宽或单侧扩宽的形式。对于路堑边坡, 因路幅拓宽需对原坡体进行开挖, 在开挖过程中极易导致边坡失稳。本文以柳南高速公路 K1 456+800K1 468+300 段改扩建工程为依托, 基于 ANSYS 有限元法建立某典型路堑边坡无支护分级开挖阶段的数值分析模型, 对边坡开挖面的剪切
3、应变增量、位移及边坡安全系数随开挖时步进行而变化的状态进行监测以分析边坡开挖的“过程稳定性”, 为高速公路改扩建边坡开挖及时支护的必要性和后期的开挖支护方案和控稳措施提供理论基础。1 有限元分析模型的建立1.1 模型采用理论基于 ANSYS 有限元软件, 采用强度折减法求解边坡稳定性的安全系数。强度折减法的要点是应用式 (1) 和式 (2) 来调整岩土体的抗剪强度指标 c、, 然后对边坡开挖过程进行数值模拟计算, 并不断地增大折减系数。经试算, 直至其达到临界破坏, 此时对应的折减系数即为安全系数 FS。其表达式如下:式中:c为折减后的黏结力;为折减后的内摩擦角;F 为折减系数。极限平衡理论中
4、存在不少缺陷, 但采用有限元-强度折减法, 不仅能够反映岩土体的非线性特性, 而且能反映即时的应力-应变状态等问题。1.2 模型建立K1 456+800 路堑边坡左侧进行二次开挖时, 根据设计文件要求, 拟采取从上至下大面积削坡的方式, 二次开挖共分为 6 级, 第 1 和 2 级坡度为 10.75, 第35 级坡度为 11, 第 6 级坡度为 11.25。边坡开挖方案见图 1。图 1 边坡开挖方案示意 下载原图依据实际地形和地层土体岩性, 建立 ANSYS 有限元平面模型。模型计算尺寸分别取:宽 137m、左右侧高 73m 和 15m;刚性约束底部, 水平方向约束两侧。边坡岩土体选取 Moh
5、r-Coulomb 本构模型的弹塑性材料, 数值计算收敛准则为最大不平衡力趋近于 10。该有限元模型和工程计算参数分别见图 2 和表 1。图 2 无支护情况边坡开挖前后有限元计算模型 下载原图表 1 有限元计算参数 下载原表 2 无支护情况边坡开挖计算结果分析2.1 开挖各阶段对边坡剪切应变增量的影响开挖前后无支护情况下, 边坡分级开挖时各阶段剪切应变计算结果见图 3。图 3 边坡开挖剪切应变增量等值线 下载原图从图 3 可以看出, 最大剪应变增量出现在脚趾位置附近, 位置更易发生岩质边坡失稳;随着边坡分级开挖, 比较该最不利位置的影响范围, 呈现先减小后增大的趋势。当边坡开挖至第 3 级时,
6、 剪切应变增量影响范围最小, 此时表明边坡是较为稳定的;随后逐级开挖, 计算模型左边界处受到剪应变的影响, 且坡脚处受到剪切应变增量逐渐增大, 边坡整体表现为极不稳定, 极易产生边坡滑动面, 随时可能发生失稳破坏的风险。总的来说, 边坡开挖在 13 级主要表现为局部不稳定, 边坡开挖在 46 级表现出整体深层次失稳破坏。2.2 开挖各阶段对边坡水平位移的影响开挖前后无支护情况下, 边坡分级开挖时各阶段的水平位移计算结果见图 4。图 4 边坡开挖水平位移结果云图 下载原图从图 4 可以看出, 从边坡开挖第 13 级, 在原坡坡脚开挖附近发生最大水平位移 (该值约为 5.36.0cm) , 向道路
7、方向位移;边坡开挖至第 4 级, 此时边坡的现坡脚处发生最大水平位移;随着边坡分级开挖后, 最大水平位移值达 6.8cm, 向道路方向位移。计算结果云图表明, 边坡在开挖的前 3 级中, 主要是沿原坡面发生滑移失稳情况, 而开挖至第 4 级以后, 可能演变为沿该级坡面发生滑移发生失稳。2.3 开挖各阶段对边坡竖向位移的影响开挖前后无支护情况下, 边坡分级开挖时各阶段的竖向位移计算结果云图见图5。图 5 边坡竖向位移计算结果云图 下载原图从图 5 可以看出, 第 1 级边坡开挖后, 边坡的稳定性遭受破坏, 坡面整体呈下沉趋势, 造成该级边坡顶处产生约 18.4cm 的最大竖向位移。第 2 级边坡
8、开挖后, 由于坡体顶部卸载, 坡床整体呈现出向上回弹的趋势, 最大值竖向位移约10.2cm, 方向向下。第 3 级边坡开挖后, 造成该级边坡顶处产生约为 18.2cm 的最大竖向位移, 坡床和坡脚处竖向位移出现大面积反弹趋势。第 4 级边坡开挖后, 造成原有的坡脚及第 3 级附近的竖向位移最大值约 4cm 的回弹。边坡开挖结束后, 造成该级边坡顶处产生约 18.8cm 的最大竖向位移。2.4 开挖各阶段对边坡安全系数的影响经计算得出开挖各阶段的边坡安全系数计算值 (见表 2) , 将其绘制成安全系数随边坡逐级开挖过程变化的曲线图, 见图 6。表 2 开挖各阶段边坡的安全系数计算值 下载原表 图
9、 6 安全系数随边坡开挖各阶段变化的曲线 下载原图从图 6 可以看出, 边坡的安全系数随着边坡开挖而逐渐减小, 并出现了一些波折。开挖前的边坡处于稳定状态, 安全系数是 1.37。在第 1 级开挖, 该安全系数减小为 1.19, 这表明, 开挖对边坡的扰动有很大的影响, 重新分布边坡的应力。但第 2 级开挖后, 该安全系数提高为 1.33, 一方面是边坡自重减小从而提高稳定性的原因;另一方面是未开挖部分坡体起到与挡墙类似的作用, 边坡获得稳定。开挖至第 2 级后, 边坡安全系数为最大值, 但随着逐级开挖后, 安全系数逐渐减小。由于大面积开挖坡脚土体, 弱化了其支护力, 造成上部坡体整体滑动的可
10、能性, 边坡的安全系数最终降低至 1.06, 已经处于失稳边缘。由此可知, 这种施工方式潜在较大的安全隐患。3 边坡支护方案鉴于边坡安全系数在边坡开挖前 2 级后比较稳定, 而在第 3 级后趋于减小, 此时边坡处于不稳定的发展趋势。经分析研究, 采用在完成第 3 级开挖后, 即对前 3 级边坡采取锚杆加固措施, 随后从开挖第 4 级时采取逐级开挖、加固的施工方案。具体施工方案为:开挖前 3 级锚杆加固开挖第 4 级锚索加固开挖第 5 级锚杆加固开挖第 6 级锚杆加固, 具体加固措施见图 7。图 7 K1 456+800 左侧边坡加固措施示意 下载原图4 结语(1) 采取开挖前后无支护的方式进行
11、边坡开挖, 边坡土体受到的剪切应变增量的最大值, 均发生在坡脚处范围, 影响区域随着逐级开挖后其趋势发展为先减小后增大, 当完成至第 3 级开挖时, 剪应变增量影响范围最小, 说明该边坡处于较稳定状态, 随后各级开挖, 剪应变增量影响范围逐渐增大, 边坡稳定性减小。(2) 采取开挖前后无支护的方式进行边坡开挖, 边坡开挖第 13 级, 在原坡脚附近发生最大水平位移;第 4 级开挖后, 在该处的边坡坡脚处发生最大水平位移。说明采取此施工方法开挖边坡, 开挖前 3 级边坡主要是沿原坡面产生滑动造成边坡失稳情况, 而开挖第 4 级后, 可能演变为沿该级坡面发生滑移发生失稳。(3) 采取开挖前后无支护
12、的方式进行边坡开挖, 边坡竖向位移最大值发生在该级边坡开挖的坡顶处, 每级开挖时前一级边坡存在回弹现象。(4) 采取开挖前后无支护的方式进行边坡开挖, 随着边坡的逐级开挖, 该安全系数总体发展趋势为逐渐减小, 这种施工方式潜在较大的安全隐患, 需适时 (如本项目开挖第 3 级后) 对边坡采取支护加固措施, 以减小边坡发生滑移失稳的可能性。参考文献1莫进丰.开挖边坡变形稳定性分析与稳定性控制研究D.长沙:中南大学, 2010. 2许湘华, 王强.高速公路路堑边坡施工过程动态稳定性分析J.中南大学学报, 2006, 37 (5) :1008-1012. 3曹军义, 展辰辉, 王改山.土质高边坡稳定因素的敏感性分析J.岩石力学与工程学报, 2005, 24 (2) :5350-5354. 4邵江.开挖边坡的渐进性破坏分析及桩锚预加固措施研究D.成都:西南交通大学, 2007. 5宋从军.路堑高边坡开挖变形理论及控制措施研究D.成都:西南交通大学, 2004. 6赵朋辉, 刁文治.开挖与支护方法对边坡稳定性影响的数值模拟J.路基工程, 2006, (4) :16-18.
