陡坡公路高边坡路基开挖数值模拟

张 露

(贵州省台江公路管理段，贵州 台江 556300)



陡坡公路高边坡路基开挖数值模拟

张 露

(贵州省台江公路管理段，贵州 台江 556300)

针对陡坡公路对路基沉降的控制和稳定性较差，易发生山体滑坡、边坡塌方等问题，文章采用有限元软件ABAQU对某山区陡坡公路深挖路基进行数值模拟，建立了静力稳定状态下陡坡公路高边坡路基的应力与应变数据。通过理论研究表明：当采用等间距等长度布置锚杆，即右边边坡6排，左边边坡3排布置，锚杆长度设计为10 m时为临界破坏值。在实际路基边坡施工时，支护措施要强于此方案才能达到最佳。

陡坡公路；边坡路基；ABAQU

0 引言

近年来我国的公路基础建设发展飞速，公路设计标准提高显著，高等级公路逐步向山区延展。山区多变的地形地貌导致其公路路基通常需要进行高填深挖作业，建成投入使用之后通行的车载较大，增加了发生边坡滑移等问题的概率，陡坡公路高边坡路基稳定性研究成为山区公路建设中一个迫在眉睫要解

决的问题。本文利用通用有限元软件ABAQU，结合陡坡公路对路基实际地质构造建立模型，通过数值模拟研究陡坡公路高边坡路基的应力与应变关系[1]。

1 工程概况

贵州某山区陡坡公路高边坡路基施工段整体多为坎坡状，属丘陵地貌构造呈现剥蚀状，施工段地面高程237.15～311.76 m，相对高差为74.61 m。设计平均高268 m，设计纵坡平均2.400%，挖方段最大挖方高31.42 m。填方段最大填方厚度为25.11 m。对挖方段断面进行地质分析，其上覆薄层内含有明显的碎石粉质黏土，路基边坡构成主要为泥岩、风化带砂岩，其局部区域发现有裸露的砂岩、泥岩基岩，不存在明显的滑坡、崩塌等现象。

2 数值模拟及力学原理

2.1 ABAQUS软件介绍

作为一套功能强大的岩土工程的有限元模拟软件，ABAQUS软件内嵌不同类型的材料模型库，其可以模拟的复杂岩土本构模型具体包括：线弹性模型、多孔弹性模型、摩尔库伦塑性模型、D-P准则蠕变模型、节理材料模型等。由于ABAQUS限元分析软件具有计算准确度高、后处理能力强大、使用简便等特点，在岩土工程设计领域受到工程技术人员的欢迎[2]。

2.2 Mohr-Clulomb的强度准则

Mohr-Clulomb强度准则是一个常用的土体参数的非线性模型。Mohr-Clulomb的模型可应用于地基的实际承载能力和失效荷载的计算。Mohr-Clulomb的强度准则公式(1)所示。技术人员又通过实地地质调查得到了工程区开挖断面的岩土参数，具体如表1所示。

τf=c-σtanφ

(1)

式中：σ——正应力；

c——材料的粘聚力；

τf——剪切强度；

φ——材料的内磨擦角。

表1 开挖断面岩土参数表

3 模型建立

现在以Mohr-Clulomb强度准则为参考，结合本工程开挖断面的岩土参数，建立相应的数值模型。陡坡公路高边坡路基以弧线为基础大致划分成两大类：弧线以上受力为弹塑性屈服状态；弧线以下受力为弹性状态[3]。以摩尔库伦模型基础对高填方及深挖方路基边坡进行模拟分析，所建立模型的开挖断面左、右边界x方向被固定，范围是各向两边延伸100m。开挖的模型大体为四步开挖，其中每步开挖断面高度约为8m。图1为建好的断面开挖及计算分析模型。

图1 断面计算分析模型图

4 开挖模拟

4.1 初始应力平衡

几何模型就是边坡现在的实际尺寸，受力后将会变成一个更小的或与现状不一致的边坡，这不符合模拟现状边坡的目的。如果知道现状边坡的内力，将其提取出来作为几何模型的内力，再和外力(重力)平衡，则建立的模型才能算和实际模型相一致。因此，为了使得建立的模型与实际路基边坡构造一致，必须施加和路基工程相同的边界条件和重力。为了使得模型内部的内力和外力平衡，把与实际工程边坡不相同的路基边坡内力大致的视作为实际工程边坡的内力[4]，图2为该工程的断面地应力平衡图。

图2 断面地应力平衡图

4.2 开挖过程中边坡水平位移规律

初始平衡力及模型设置好之后，就要开始模拟开挖过程。本过程分四级开挖，如图3所示。

从图3(a)中可知，第一级开挖左边坡打入锚杆后，两侧边坡的坡脚处水平位移最大达到了3.5m。与此同时可以观测到两侧边坡的坡脚处水平位移区域明显，表明路基边坡在开挖应力释放之后，坡脚单元水平应力减小，垂直应力变化不明显，模型内部整体水平位移增大较为显著[5]。

从图3(b)中可知，当路基边坡开挖接近了其覆盖的中风化岩层之后两种岩层分界线时，边坡中部出现了最大的水平位移，其余部位水平位移增加不明显。与第一级开挖对照而言，此时路基两边坡坡脚深沉土体水平位移较大，同时呈现出右边坡脚的水平位移大于左边。

从图3(c)、(d)中可知，鉴于此时的开挖岩体主要为土质较好的风化岩层，其稳定性较好；但是一些强风化岩层产生较大的位移量，表现出一定的不稳定性；而一些中风化岩层的变形很小，表现出一定的稳定性。从图3(d)中可知，两侧边坡水平位移不显著，均表现出较好的稳定性。

结论表明开挖深度在16～32m范围内时，边坡的变形主要集中在强风化岩层中。

(a)左边打入锚杆后开挖水平位移

(b)左右两边打入锚杆后开挖水平位移

(c)开挖后水平位移

(d)开挖后水平位移

4.3 开挖过程中边坡塑性应变规律

下面分析数值模拟边坡塑性应变规律，还是四级开挖过程，具体如图4所示。

(a)第一级开挖后塑性应变

(b)第二级开挖后塑性应变

(c)第三级开挖后塑性应变

(d)第四级开挖后塑性应变

从图4(a)中可知，当第一级开挖强风化岩层后，塑性变形区域集中于强风化岩层与中分化岩层交界面处。鉴于左侧边坡没有采用锚杆支护的方案，导致了其局部坡面有贯穿的滑动面出现。

从图4(b)中可知，第二级开挖的岩土主要为强风化岩层，边坡深度达到了20m。与此同时，可以观察到塑性屈服面有贯通成滑动面的临界破坏趋势，布置锚杆的方式为等间距等长，左边坡布置3排锚杆，右边边坡布置6排锚杆，锚杆长度设计为10m，且锚杆应贯穿强风化岩层。当把锚杆长度缩短之后边坡也没有明显的收敛性，证明10m的锚杆长度为最小临界值。

从图4(c)、(d)中可知，鉴于开挖深度在16～32m内，覆盖层主要为中风化岩层，路基边坡的塑性区域发育不显著，所以塑性应变现象不是很明显。

结论表明，第二级开挖是施工过程中最关键的环节，此时设计锚杆的布置方案为右边坡6排，左边坡3排，间距相等，且锚杆长度均为10m时，左右边坡的塑性屈服面有贯通成滑动面的临界破坏趋势，边坡安全稳定系数约为1。

5 结语

经综合分析可知，第二步级开挖的岩土主要为强风化岩层，边坡深度达到20m，是施工过程中最关键的环节。当采用等间距等长方式布置锚杆时，右边坡6排，左边坡3排，锚杆长度设计为10m时为临界破坏值。在实际的路基边坡施工时，边坡支护措施要强于此方案才为合理。当开挖深度为16～32m时，岩土主要为风化岩层，边坡的水平位移以及塑性区发育不明显。

[1]任志华.山区高等级公路高边坡稳定性分析及防护设计[D].昆明：昆明理工大学，2005.

[2]王德焱.山区高等级公路高填深挖路基边坡稳定性研究[D].武汉：武汉轻工大学，2013.

[3]刘 振.ABAQUS6.6基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版，2008.

[4]朱大勇.边坡临界滑动场及其数值模拟[J].岩土工程学，1997，19(1)：63-68.

[5]郑颖人，赵尚毅，时卫民，等.边坡稳定分析的一些进展[J].地下空间，2001，21(4)：262-271.

Excavation Value Simulation of High-slope Embankment in Steep Highway

ZHANG Lu

(Guizhou Taijiang Highway Management Section，Taijiang，Guizhou，556300)

Aiming at the poor control and stability of steep highway on roadbed settlement，prone to landslides，slope collapse and other problems，this article conducted the numerical simulation on the steep highway deep-digging roadbed of a mountain by using the finite element software ABAQU，es-tablished the stress and strain data of high-slope roadbed of steep highway under static stability state.Theoretical studies showed that：when the anchor rod is arranged at equal intervals and equal length，namely the arrangement of 6 rows at right slope and 3 rows at left slope，the anchor length design at 10 m is the critical damage value.In actual embankment slope construction，the support measures can achieve the best results only when better than this program.

Steep highway；Slope roadbed；ABAQU

张 露(1979—)，工程师，研究方向：沥青路面施工。

U416.1+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.008

1673-4874(2015)11-0036-04

2015-10-08