熱孜完·吾斯曼

摘要：以深挖路塹黃土高邊坡的支擋工程為例，利用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析其在邊坡開挖條件以及在開挖完成后，施加橋梁荷載的條件下的邊坡穩(wěn)定性。研究結(jié)果顯示：邊坡在坡表位置的水平位移隨著施工步的增加而逐漸增大，豎向位移隨著施工步的增加先增大再減小，水平位移和豎向位移最大的位置均在坡體中部，最小的位置均在坡頂位置。

關(guān)鍵詞：路塹邊坡；ANSYS；穩(wěn)定性分析；強(qiáng)度折減法；機(jī)械配置方法

0? ?引言

目前已有一些學(xué)者，針對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性以及黃土邊坡施工問題進(jìn)行了研究，取得了大量的研究成果。藺曉燕等[1]以某高速公路地區(qū)的黃土高邊坡實(shí)際工程為例，利用SLOPE/W軟件分析了不同分層方法對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響。馬蓓青等[2]為研究降雨條件下的黃土高邊坡穩(wěn)定性，利用人工降雨裝置進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。葉帥華等[3]針對(duì)西部地區(qū)常見的二元結(jié)構(gòu)深挖路塹邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。黃文強(qiáng)[4]通過大量直剪試驗(yàn)研究了凍融條件下不同含水率的黃土的抗剪強(qiáng)度，分析了含水量和凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)于黃土力學(xué)性質(zhì)的影響。王磊等[5]對(duì)黃土高邊坡坡體的變形破壞過程進(jìn)行了研究。本文在參考上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以某深挖路塹黃土高邊坡的支擋工程為例，利用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析其在邊坡開挖條件以及在開挖完成后施加橋梁荷載的條件下的邊坡穩(wěn)定性，以期為相關(guān)技術(shù)人員提供參考和借鑒。

1? ?ANSYS概述

ANSYS作為應(yīng)用相當(dāng)廣泛的通用有限元軟件，在處理巖土工程問題時(shí)同樣具有很明顯的優(yōu)勢，比如軟件可以提供大量巖土材料常用本構(gòu)模型，還可以進(jìn)行包括溫度場、滲流場等的多場耦合計(jì)算，軟件的交互性與很多軟件相比更好，操作較為簡便等。其工作流程如圖1所示。

2? ?工程概況

本文依托西北地區(qū)某鐵路經(jīng)黃土地區(qū)的深挖路塹黃土高邊坡的支擋工程。該鐵路路基幾乎均為深路塹，路塹邊坡處為典型的黃土梁峁溝壑地貌，對(duì)邊坡進(jìn)行分級(jí)開挖，最高處有8級(jí)臺(tái)階，每級(jí)開挖高度為8m。

本文選取的邊坡為一跨路塹公路橋橋基邊坡，邊坡共有5級(jí)臺(tái)階，由上向下逐級(jí)開挖，巖土體自上而下分為3層，分別為稍密與稍濕新黃土、中密與稍濕的新黃土、砂巖，邊坡的斷面如圖2所示。在完成路塹邊坡的開挖工作后，緊接著進(jìn)行橋梁施工。在對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析后，還需對(duì)其施加橋梁荷載，對(duì)其在橋梁荷載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3? ?數(shù)值模型建立

利用ANSYS軟件建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算。建立計(jì)算模型時(shí)，要在保證其符合工程實(shí)際情況基礎(chǔ)上盡可能簡化其計(jì)算模型，考慮到路塹的左右兩側(cè)近似對(duì)稱，因此僅需建立一側(cè)的邊坡模型，建立計(jì)算模型如圖3所示。

如圖3所示，X軸方向上的計(jì)算長度為108m，Y軸方向上的計(jì)算長度為10m，模型的底面與路基面的距離為20m。邊坡巖土體的本構(gòu)關(guān)系選取為理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則選取為摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。通過對(duì)現(xiàn)場取得的試樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，得到該邊坡模型的巖土體力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

設(shè)置模型的邊界條件為：模型底部約束其x、y、z 三個(gè)方向的位移，模型四周約束其法向位移，模型其余的臨空面設(shè)為自由邊界。邊坡施工共分為6步：前5步為邊坡的逐級(jí)開挖，第6步為對(duì)開挖后的邊坡在橋梁樁基的位置施加橋梁荷載，橋梁荷載為0.6MPa。

4? ?數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)ANSYS的計(jì)算結(jié)果，得到邊坡的應(yīng)力與位移分布。其中邊坡的最大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且坡體內(nèi)部無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。本節(jié)重點(diǎn)分析邊坡在不同施工階段的位移變化以及施加橋梁荷載前、后邊坡的安全系數(shù)。位移監(jiān)測點(diǎn)布置在邊坡各級(jí)臺(tái)階位置，如圖4所示。

4.1? ?邊坡水平位移分析

在數(shù)值計(jì)算過程中，監(jiān)測模型的水平位移變化，提取每個(gè)施工步完成后的監(jiān)測點(diǎn)位置的水平位移，繪制處不同位置處在不同施工階段的水平位移變化曲線，如圖5所示。

從圖5所示可以看出，坡表位置的水平位移隨著施工步的增加大致呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。邊坡坡頂位置（D1）的水平位移，在開挖前兩級(jí)臺(tái)階時(shí)逐漸變?yōu)樨?fù)值，即在前兩級(jí)臺(tái)階開挖過程中，D1位置的水平位移的方向指向坡體內(nèi)側(cè)。在開挖第3～5級(jí)臺(tái)階時(shí)，D1位置的水平位移無明顯變化。當(dāng)施加橋梁荷載后，D1位置的水平位移出現(xiàn)明顯增大，且水平位移的數(shù)值變?yōu)檎?，表示此時(shí)D1位置的水平位移方向指向坡體外側(cè)。

D2位置的水平位移，在整個(gè)邊坡開挖階段沒有明顯的變化趨勢，數(shù)值在0上下浮動(dòng)。當(dāng)施加橋梁荷載后，D2位置的水平位移出現(xiàn)明顯增大，且增大的幅度遠(yuǎn)大于其余4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。D3、D4和D5位置的水平位移，在整個(gè)施工過程中表現(xiàn)著相似的規(guī)律，3個(gè)點(diǎn)位的水平位移均隨著邊坡開挖逐漸增大。在施加橋梁荷載后，水平位移以較大的增幅增大。

邊坡開挖完成后，5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水平位移，按照大小的排序?yàn)镈4＞D3＞D5＞D2＞D1。施加橋梁荷載后，5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水平位移按照大小的排序?yàn)镈3＞D4＞D2＞D5＞D1。由此可知，在整個(gè)施工過程中，邊坡水平位移最大的位置在坡體中部，水平位移最小的位置在坡頂位置。

4.2? ?邊坡豎向位移分析

在數(shù)值計(jì)算過程中，監(jiān)測模型的豎向位移變化，提取每個(gè)施工步完成后的監(jiān)測點(diǎn)位置的豎向位移，繪制處不同位置處在不同施工階段的豎向位移變化曲線，如圖6所示。

從圖6所示可以看出，坡表位置的豎向位移隨著施工步的增加大致呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢。豎向位移的數(shù)值為主要為正值，表明監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移方向向上，即土體在開挖過程中因卸荷作用發(fā)生回彈。

在整個(gè)邊坡的開挖過程中，邊坡坡頂位置（D1）的豎向位移均保持在較小的范圍里。當(dāng)施加橋梁荷載后，D1位置的豎向位移出現(xiàn)明顯減小，且數(shù)值變?yōu)樨?fù)值，說明在橋梁荷載作用下，該位置發(fā)生了較大的沉降。

D2、D3、D4和D5位置的豎向位移變化，在整個(gè)施工過程中表現(xiàn)著相似的規(guī)律。隨著邊坡開挖，4個(gè)點(diǎn)位的豎向位移均明顯增大，然后逐漸保持不變。在施加橋梁荷載后，4個(gè)點(diǎn)位的豎向位移有較小幅度的減小。邊坡開挖完成后，5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移按照大小的排序?yàn)镈4＞D3＞D5＞D2＞D1。施加橋梁荷載后，5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水平位移按照大小的排序?yàn)镈4＞D3＞D5＞D2＞D1。與水平位移的變化規(guī)律類似，在整個(gè)施工過程中，邊坡豎向位移最大的位置在坡體中部，豎向位移最小的位置在坡頂位置。

綜上所述，該邊坡在開挖過程中，土體的變形以豎向的向上回彈為主，水平位移遠(yuǎn)小于豎向位移，邊坡因水平位移發(fā)生破壞的可能性較小。在施加橋梁荷載后，土體發(fā)生一定的沉降變形，坡頂位置的沉降值較大。由于橋梁荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大，因此需要考慮在橋梁施工前對(duì)邊坡采取一定的防護(hù)措施。

4.3? ?邊坡安全系數(shù)確定

通過計(jì)算不同強(qiáng)度折減系數(shù)下邊坡的位移，繪出不同強(qiáng)度折減系數(shù)下邊坡最大水平位移曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，邊坡最大水平位移曲線隨著折減系數(shù)的逐漸增大也在增大，且可以分為增大速率較小和增大速率較大的兩段?？筛鶕?jù)最大水平位移增大速率的突變點(diǎn)，確定邊坡的安全系數(shù)。

在未施加橋梁荷載情況下，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)小于1.34時(shí)，邊坡最大水平位移，隨折減系數(shù)的增大而增大的速率較小。而當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)大于1.34時(shí)，邊坡最大水平位移，隨折減系數(shù)的增大而增大的速率明顯變大。據(jù)此確定在未施加橋梁荷載情況下，邊坡的安全系數(shù)為1.34。同理，確定在施加橋梁荷載情況下邊坡的安全系數(shù)為1.17。

5? ?結(jié)束語

本文以某黃土地區(qū)的深挖路塹黃土高邊坡的支擋工程為例，利用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析其在邊坡開挖條件以及在開挖完成后施加橋梁荷載的條件下的邊坡穩(wěn)定性。得到的主要結(jié)論如下：

邊坡在坡表位置的水平位移，隨著施工步的增加大致呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。邊坡水平位移最大的位置在坡體中部，水平位移最小的位置在坡頂位置，施加橋梁荷載后邊坡的水平位移明顯增大。

邊坡在坡表位置的豎向位移，隨著施工步的增加大致呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢。豎向位移的方向向上，表明土體在開挖過程中因卸荷作用發(fā)生回彈。邊坡豎向位移最大的位置在坡體中部，豎向位移最小的位置在坡頂位置。在施加橋梁荷載后，土體發(fā)生一定的沉降變形，坡頂位置的沉降值較大。

參考文獻(xiàn)

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