某高速公路g标电塔边坡flac数值模拟分析

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1、某高速公路G标电塔边坡FLAC数值模拟分析陈宇亮1高飞2芮勇勤3（1华东交通大学土建学院南昌330013）（2南昌公路科研设计所南昌330077）（3长沙理工大学公路工程学院长沙410076）摘要：针对输变电塔处开挖岩质高陡路堑边坡工程中出现的变形破坏，根据FLAC（拉格朗日元法）数值模拟分析所得出的结果，进行了无加固措施相似模拟试验、3级边坡采用加固措施的相似模拟试验和2、3级边坡同时采用加固措施的相似模拟试验，分析了岩质路堑边坡破坏机理，并提出了加固电塔边坡的工程方法。关键词：道路工程；高陡路堑边坡；输变电塔；破坏机理；FLAC240前言深挖边坡的

2、破坏导致在公路建设期间花费大量的人力和财力进行处置，在公路运行养护期间，还将严重阻碍交通，造成巨大的经济损失，同时破坏环境景观和生态平衡。深挖边坡的稳定性问题是高等级公路建设中需要慎重处理的一个重要问题，受到人们的普遍关注。某高速公路G标地层岩性复杂，属山岭重丘区，发育有典型鸡爪沟地形，低洼沟谷地带一般覆盖4m—12m厚度不均的软基，地基承载力低，高填路堤沉降量和不均匀沉降量大。在此条件下，如何对开挖高陡边坡的破坏与失稳进行有效的控制就显得尤为重要了。利用FLAC方法，考虑岩土物理力学性质、地下水与地层构造特性的岩石力学数值计算方法，对边坡变形及失稳进

3、行了数值模拟分析。根据某高速公路G标电塔边坡的实际问题，进行该高陡路堑边坡的破坏、失稳过程数值模拟，通过数值模拟所得出的结果，分析并揭示了该路堑边坡破坏、失稳的原因，并分析研究了相应整治工程的效果。1FLAC（拉格朗日元法）基本原理FLAC(FastLagrangianAnalysisofContinua)是美国ITASCA咨询集团公司开发的有限差分程序，它不但能处理一般的大变形问题，而且可以在模型中加入节理、弱面等地质构造。在国外FLAC软件得到了较大的应用，而在90年代初，国内才引进该软件，主要应用于岩土力学分析。FLAC采用显式算法来获得模型全部

4、运动方程（包括内变量）的时间步长解，从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落，对研究模型的时间效应和空间效应是非常重要的。此外，程序允许输入多种材料收稿日期：2004-10-08类型，亦可在计算过程中改变某个局部的材料参数，增强了程序使用的灵活性。FLAC具有强大的后处理功能，用户可以直接在屏幕上给出或以文件形式创建和输出打印多种形式的图形。使用者还可根据需要，将若干个变量合并在同一幅图形中进行研究分析。拉格朗日元法是一种用于力学计算的数值方法，它与通常用的有限元法不同的地方是：前者是显式的方法，后者是隐式的方法。在用显式方法求解时，未知数集中在方程式的一边，

5、所以可以用迭代方法求解，而不象后者那样先形成一个刚度矩阵或影响系数矩阵，然后解一个方程组。拉格朗日元法因为是按时步求解，所以有利于解非线形大变形问题，很适合于岩土工程的力学分析。拉格朗日元法用差分方法求解，因此首先要将模型划分成网格，物理网格影射在数学网格上，这样数学网格上的某个编号为i、j的结点与物理网格上相应结点的坐标x、y相对应。也可以想象为数学网格是一张橡皮作的网，拉扯以后可以变成物理网格的形状（如图1的点变成图2上的点）。复杂形状的网格也可以由简单的网格拗折围成，最后令首线和尾线相连结。拉格朗日元法的计算假定某一时刻各个结点的速度已知，根据高

6、斯定律可以求出单元的应变率，进而根据材料的本构定律可以求出各个单元新的应力和结点力。FLAC是一个用户界面友好的程序，数据输入简单，有图形功能，可以交互对话，同时它比一般有限元计算要快。图1物理网格图2数学网格242计算参数的选择与数值模拟分析2.1分析剖面的选取为了分析G标电塔高陡路堑边坡的变形、破坏和失稳实际问题，进行岩体应力、变形特征及其锚固工程效果研究，应用二维大变形有限差分法FLAC技术，对K51+297剖面边坡进行数值模拟分析（具体平面布置图和剖面图见图3、图4）。2.2物理力学指标选取边坡变形与失稳分析岩土力学数值模拟，根据滑坡区域的岩层

7、柱状图和岩土物理力学实验结果，确定计算模型的基本参数。本文对表土、砂岩采用莫尔—库仑屈服准则，其物理力学指标如表1所示。电塔边坡图3G段深切高陡边坡平面图图4G段深切高陡边坡断面图表1边坡表土、砂岩物理力学指标岩土体容重kN/m3摩擦角º凝聚力KPa体积模量MPa剪切模量MPa表土19.514.060.07.63.9砂岩24.041.0700.095.065.02.3地下水位考虑由于G标电塔高陡路堑边坡需要长久稳定，地下水位考虑根据监测、勘测和今后可能的变化，考虑地下水位如图5，其中水压系数为0.8。图5地下水位分布图3开挖引起边坡变形模拟分析FLAC

8、方法分析无支护开挖引起边坡岩体应力、变形特征及其发展演化趋势——开挖后边坡应力场分布、位移矢量