基于FLAC3D有限差分法的路堑高边坡支护模型比较分析

第39卷，第1期公路工程Vo1．39，No．120I4年2月HighwayEngineeringFeb．，2014基于FLAC3D有限差分法的路堑高边坡支护模型比较分析陈小波，刘兴武，曹前，邓涵文，周婷，张景怡(1．湖南省炎汝高速公路建设开发有限公司，湖南炎陵412500；2．长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410004)[摘要]路堑高边坡已经成为了修建山区高等级公路中不可避免的一道技术难关，以炎汝高速公路建设工程为依托，对炎汝高速公路LK141+550一LKI42+205路段实地调查，选定了LK141+980处路堑高边坡作为数值模拟分析的研究对象，确定了5种不同的边坡支护方案。通过对LKI41+980处路堑高边坡在采用5种支护方案进行FLAC3D数值模拟，重点研究边坡的稳定性、位移和应力变化及分布规律并确定最佳防护方案，以指导实践。【关键词]道路工程；路堑高边坡；安全系数；稳定性；数值模拟；Flac3D[中图分类号]U416．14【文献标识码]A【文章编号]1674—0610(2014)Ol—O187一O6ComparativeAnalysisofHighCuttingSlopeSupportingModelBasedonFLAC3DFiIliteDiferentialMethodCHENXiaobo，LIUXingwu，CAOQian，DENGHanwen，·ZHOUTing，ZHANGJingyi(1．HunanprovinceYanruFreewayConstructionandDevelopmentCo．，Ltd．，YanlingHunan412500，China；2．SchoolofTraficandTransportationEngineering，ChangshaUniversityofScience&Technol-ogy，Changsha，Hunan410004，China)[Abstract]Highcuttingslopehasbecomeaninevitabletechnicalchallengesinconstructinghigh-gradehighway．ThethesisbasedonYanRuhighwayconstructionprojectandonthefieldinvestigationofYanRuHighwayLK141+550一LK142+205sections。IselectedLK141+980cuthighslopeastheresearchobjectofthispapernumericalsimulationanalysis，identifiedfivedifferentslopesupportingplan．ByLK141+980highcuttingslopeintheFLAC3Dnumericalsimulationafterfivesupportscheme，keyresearchofslopestability，thedisplacementandthestressvariationanddistribution，anddeterminingtheoptimalprotectionschemeSOastoguidingpractice．[Keywords]roadengineering；cuttingslope；safetycoeficient；stability；numericalsimulation；Flac3DItascaConsultingGoupInc．软件公司开发的通用程1概述序，它是FLAC2D在三维空间上的拓展，可以用于模FLAC(FastLagrangianAnalysisofContinua)数拟岩石、土质以及其它材料的三维结构受力特性，尤值分析软件是为满足岩土工程、隧道工程、采矿工其用于分析达到屈服极限强度时的塑性流动，广泛程、道路与铁道工程等学科领域研究的有限差分计应用于支护设计和评价，边坡稳定性分析、施工设计算软件，目前，该软件已得到全世界70多个国家广(模拟开挖和填筑)、拱坝稳定性分析、河谷演化进泛应用，它有两个计算程序版本即二维和三维两个程再现等。计算程序。FLAC3D(ThreeDimensionalFastLa—本文通过建立数值模型作为分析平台，从未支grangianAnalysisofContinua)是由美国明尼苏达护状态下的稳定性分析结果人手，提出防护方案，并[收稿日期]20l3—10—16【作者简介]陈小波(1974一)，男，湖南江永人，高级工程师，主要从事高速公路建设与管理工作。 188公路工程39卷对各方案进行稳定性分析、位移变形分析、应力变化分析，通过对各方案防护效果的对比分析，来确定最终支护方案。2建立模型本文以数值计算软件Flac3D作为研究工具，对图2边坡模型示惹图Figure2Schematicdiagramofslopemodel路堑高边坡进行数值模拟计算。选取LK141+980所选定的边坡模型的尺寸和地质情况是根据实处边坡为研究对象，LKI41+980处横断面设计图如地的调查、设计资料和数字模拟试验确定，第一、二图1所示。级边坡高12In，第三、四、五、六、七、八级边坡高10m，第九级边坡高13m，第一、二级坡率为1：0．50，第三、四、五级坡率为1：0．75，第六、七、八级坡率为1：1．00，第九级坡率为1：1．25，第一、二、四、五、七、八级的平台宽度均为2m，第三、六级的平台宽度均为5m。考虑到边坡模型的整体性，作者将坡顶和坡脚宽度分别向后延伸l7．25In和l0In，基底向下取12In，其中，第九级边坡靠上约0卜0一3．25In深度为全风化混合岩，其下深度至第五级边图1LK141+980处横断面设计图Figure1LK141+980crosssectiondesigndiagram坡靠上约2．5In深度为强风化混合岩，第五级边坡通过LK141+980处边坡的横断面确定了本文基本处于中风化混合岩，再下面就全是微风化混合中的实体边坡模型，采用了六面体网格(brick)组合岩，边坡的长度为130In，边坡横断面尺寸见图3。而成，其采用了摩尔一库仑塑性本构模型，整个模型172，5广]包括6个材料参数，即：内摩擦角friction()、弹性切变模量shear(G)、弹性体积模量bulk(K)、剪胀角dilation()、抗拉强度tension(ort)、内聚力cohesion(c)。在Flac3D中，只用到切变模量G和体积模量K，不用泊松比和弹性模量E，他们之间的转换关系如下：南)F‘2)图3边坡模型横断面图Flac3D软件采用有限差分法的基本原理，经过Figure3Crosssectionofslopemodel综合考虑，对计算模型做出如下的假设：①边界岩土体均采用摩尔一库仑塑性本构模Flac3D软件采用有限差分法的基本原理，运用型，只考虑重力作用；摩尔一库仑塑性本构模型，必须定义材料参数，方便②建立三维模型，按照三维问题来进行数值模计算模型的力学响应，经过室内试验、依据相关的文拟分析；献以及工程路段设计资料，找出了许多材料参数，再③边界条件：边坡基地约束竖向(z)位移和速通过综合比较和选择，确定了Flac3D计算模型中的度，边坡走向的两个端部断面约束l，方向位移和速材料参数，其材料参数值如表3所示。度，方向的两个端部断面约束方向位移和速度。3．2各方案边坡稳定性分析如图2所示。根据其滑坡特征、滑坡产生的原因、该边坡的工程地质条件，以及常见边坡滑坡处治方法，假定5种3边坡稳定性分析处治方案。通过对LK141+980处路堑高边坡在采3．1计算参数的确定用5种支护方案进行Flae3D数值模拟，重点研究边 192公路工程39卷为165．09元／m，M7．5级浆砌片石急流槽为工艺方面来进行方案比较分析。表6列出了4种方210．37元／m。，C25混凝土框梁为583．16元／m。案在坡面防护及支护上工程量和所需费用估算。因此，作者将在坡面防护上简单的从经济性和施工表6坡面防护及支护主要工程量和费用估算表Table6theslopeprotectionandsupportingthemainprojectquantityandcostestimationtable从表6中可以看出：方案二、方案三、方案四、混植生进行坡面防护；第八、九级全坡面采用人字型方案五的工程所需费用依次为1722．2、349．3、骨架三维网植草防护。427．9、392．2万元，方案三最省，方案四和方案五次4结语之，方案二最费钱。3．4支护方案的优化选择通过对炎汝高速LK141+980处路堑高边坡稳经过上述研究分析可知：所有的力学相应中，定性的变形机理分析，设计出五种支护方案，对五种方案三明显优于其他四种方案，故试验路段拟采用支护方案后进行Flac3D数值模拟，运用Flac3D数方案三的支护方式，其方案的详细设计如图l6所值软件分析了该边坡在采用支护方案后的边坡安全示。系数、轴和z轴的应力云图、位移云图和最大不平衡力曲线图，主要得出以下几个结论。①分析了边坡在5种支护方案情况下各自的安全系数，说明预应力锚索支护和锚杆支护结合，防护效果更好。②在研究的所有力学响应中，方案三(第三、四、六级锚杆支护，第五、七级锚索支护)表现最优，方案五和方案四次之，从理论上确定了边坡采用方案三的锚索和锚杆的结合支护形式。③对炎汝高速公路LK141+550～LK142+205段左侧路堑高边坡在4种支护方案进行了工程量和所需费用的估算，方案三最省钱，施工可操作性远比图16LK141+980处支护后的横断面设计图其他方案强，综合确定边坡处治采用方案三(第三、Figure16LKI41+980aftersupportingcrosssectiondesign四、六级锚杆支护，第五、七级锚索支护)。diagram其中坡面防护是：第一、二级坡面采用喷混植[参考文献]生防护；第三、四级坡面采用4排锚杆格梁加固，锚[1]周维恒．岩石高边坡的稳定与治理[M]．北京：人民交通出版杆长8m，间距3×3m，格梁间采用喷混植生进行坡社，2001．面防护；第五级坡面采用3排普通预应力锚索框梁[2]潘勤学．岩质路堑边坡柔性支护系统稳定性分析[D]．长沙：加固，锚索长22m，间距3×3．75m，其中锚固段长长沙理工大学，2012．[3]邹新特，刘朝晖．南岭山脉地区边坡特点及防护措施[J]．交通10m，框梁间采用喷混植生进行坡面防护；第六级信息与安全，2012，30(增1)：101—104．坡面采用4排锚杆格梁加固，锚杆长8m，间距3×3[4]袁瑞峰．基于FLAC3D的某高速公路高陡边坡稳定性分析m，格梁间采用喷混植生进行坡面防护；第七级坡面[J]．山西建筑，2013，39(19)：117—118．采用3排普通预应力锚索框梁加固，锚索长24m，[5]吴恒立，徐积江．公路高边坡稳定性及合理支护的研究[J]．间距3×3．75m，其中锚固段长10m，框梁间采用喷(下转第20l页) 第1期王翔，等：基于机器视觉的桥梁形变在线监测技术研究201650mm定焦；C／CS接口)固定在塔柱底部，以此为功能和计算机优越的数据处理能力形成了一整套基参考点，靶标固定在塔柱顶部。相机镜头的轴线和于机器视觉的桥梁形变在线监测系统。基于机器视塔柱轴线保持平行。大桥处于通车鉴定过程中，机觉的测试技术具有动态直接测得位移、远距离非接器视觉监测的同时亦采用了全站仪采集了数据进行触、、无损、实时在线、简单方便等优点，在拱桥拱肋、对比，如图9、图10所示。从全站仪采集的两次数悬索桥和斜拉桥塔柱等特殊结构的变形在线监测方据来看，两者误差大概在1mm左右，结合加载过程面适应性好，有效地补充了全站仪、水准仪等常规测整个曲线变化情况可以验证机器视觉监测塔柱偏位试手段的不足，有较强的实用推广价值。是可行的。[参考文献][1]田志勇，刘康，蒲黔辉．新民岷江特大桥静动载试验研究[J]．公路工程，2012，37(4)：135—137．[2]陈平，黄腾．南京三桥主桥钢塔空间位置监测研究[J]．公路工程，2012，37(6)：208—213．[3]冯星．横门大桥静动载试验研究[J]，公路工程，201l，36(3)：77—82．[4]曾威，于德介，胡柏学，等．基于连通管原理的桥梁挠度自动监测系统[J]．湖南大学学报(自然科学版)，2007，34(7)：44—图9机器视觉监测悬索桥塔柱偏位47．Figure9Schematicofsuspensionbridge’spylonswaymoni-[5]汪正兴，王波，钟继卫，等．基于液一气耦合压差原理的桥梁挠toringbymachinevision度测量系统研究[J]．桥梁建设，2009(增刊2)：78—83．[6]张欣禹．桥梁挠度测试仪检测结果分析[J]．世界桥梁，2012，40(3)：42—45．[7]张奔牛，李星星，宋军，等．激光投射式位移传感技术在桥梁挠度监测中的应用研究[J]．传感技术学报，2009，22(5)：756—759．[8]刘德煜．GPS与微波干涉测量在桥梁动挠度测量中的对比分析[J]．桥梁建设，2009，3：81—84．[9]韩亚荣，黄朝兵，钟继卫，等．一种光斑图像的阈值分割和光斑中心坐标的计算方法[J]．现代计算机，2011，375：13—16．22：05：l522：3l：0423：08：0723：56：08[1O]王翔，王波，钟继卫．基于图像识别处理的桥梁测量系统设计时间与实现[J]．现代计算机，2012，402：60—63．图10悬索桥塔柱偏位机器视觉测量结果Figure10Measurementresultofsuspensionbridge’spylonswaybymachinevision6结论研究数字图像的识别程序，结合相机图像采集(上接第192页)，郭长庆，梁勇旗，魏进，等．公路边坡处治技术[M]．北京：中重庆交通学院学报，2000(1)：61—66．国建筑工业出版社，2007．[12]赵尚毅．岩土工程极限分析有限元法及其应用[J]．土木工[6]邹新特．湖南南岭山区公路典型路堑边坡处治研究[D]．长沙：长沙理工大学，2012．程学报，2005，38(1)：91—99．[7]彭文斌．FLAC3D实用教程[M]．北京：机械工业出版社，[13]周维垣，寇晓东．无单元法及其在岩土工程中的应用[J]．岩2oo8．土工程学报，1998，20(1)：5—9．[8]孙书伟，林杭，任连伟．FLAC3D在岩土工程中的应用[M]．北[14]彭文斌．FLAC3D实用教程[M]．北京：机械工业出版杜，京：中国水利水电出版社，2011．2oo7．[9]杜宇飞．泰赣高速公路K203一K236段边坡防护稳定性评价[15]孙书伟，林杭，任连伟．FLAC3D在岩土工程中的应用[M]．[D]．南昌：华东交通大学，2006．北京：中国水利水电出版社，2011．[10]王雪峰．斜坡稳定性随机模拟技术研究[D]．武汉：中国地质[16]陈育民，徐鼎平．FLAC／FLAC3D基础与工程实例[M]．北京：大学，】997．中国水利水电出版社，2008．