FLAC2D数值模拟技术在路堤堆载工程中的应用
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摘要:对路堤堆载工程中路堤与地基结合部(即坡角)容易发生塌陷、滑坡等不稳定现象的原因进行了认真的剖析,并利用flac2d数值分析技术对路堤堆载工程中路堤发生的应力、应变及位移进行了详细分析,同时绘制出了路堤堆载前后路堤的竖向应力云图、水平位移云图、最大不平衡力变化曲线图、表层沉降曲线图。通过数值模拟我们发现了引起路堤滑坡的症结所在,提出了安全防范措施,确保了安全生产。
关键词:路堤堆载;FLAC2D;安全防范措施
中图分类号:TU
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)13-0344-02
1 FLAC数值模拟技术具有以下优点
1.1 命令驱动模式
FLAC/FLAC3D有两种输入模式:
(1)人机交互模式,即从键盘输入各种命令控制软件的运行;
(2)命令驱动模式,即写成命令流文件,由文件来控制软件的运行。其中,命令驱动模式为FLAC/FLAC3D的主要输入模式,尽管这种驱动方式对于简单问题的分析过于繁杂,但对于那些从事大型复杂工程问题的分析而言,因涉及多次参数修改、命令调试,这种方式无疑是最有效、最经济的。
1.2 专一性
FLAC/FLAC3D专为岩土工程力学而分析开发,内置丰富的弹、塑性材料本构模型(其中FLAC内置11个,FLAC3D内置12个),有静力、动力、蠕变、渗流、温度5种计算模式,各种模式间可以相互耦合,以模拟各种复杂的工程力学行为。
FLAC/FLAC3D可以模拟多种结构形式,如岩体、土体或其他材料实体――梁、锚元、桩、壳以及人工结构,如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等。通过设置界面单元,可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界等。
借助其强大的绘图功能,用户能绘制各种图形和表格。用户可以通过绘制计算时步函数关系曲线来分析、判断体系何时达到平衡与破坏状态,并在瞬时计算或动态计算中进行量化监控,从而通过图形直观地进行各种分析。
1.3 开放性
FLAC/FLAC3D几乎是一个全开放的系统,为用户提供了广阔的研究平台。通过其独特的命令驱动模式,用户几乎参与了从网格模型的建立、边界条件的设置、参数的调试到计算结果的输出等全部求解过程,自然能深刻地理解分析的实现过程。
利用其内置的程序语言FISH,用户可以定义新的变量或函数,以适应特殊分析的需要。利用FISH,用户可以设计自己的材料本构模型;用户可以在数值试验中进行伺服控制;可以指定特殊的边界条件;自动进行参数分析;可以获得计算过程中节点、单元的参数,如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变和不平衡力等。
2 问题的提出
路堤堆载工程是一种常见的岩土工程项目,例如在高速公路建设、铁路建设等工程中都少不了路堤堆载工程。在路堤堆载工程中,路堤与地基的结合部由于受到岩土自重、以及路堤上部物体的压力等因素的影响往往是最薄弱的环节,容易出现塌陷、滑坡等不稳定现象,严重地制约了安全生产。那么怎样确保路堤与地基的结合部在外力作用下不出现塌陷、滑坡等不稳定现象呢?为此我们需要对路堤与地基的结合部在外力作用下其应力应变关系进行科学分析,并根据分析结果采取必要的安全措施,确保安全生产。
路堤与地基的结合部实际上是一个边坡,因此在边坡稳定性分析中常用的极限平衡法也适用于路堤边坡的稳定性分析。人们通常比较倾向于使用极限平衡法中的Bshop法和Sarma法来进行边坡的稳定性分析。随着计算机技术的飞速发展新的岩土工程分析软件不断问世,为实时分析岩土边坡的应力、应变关系提供了科学的、高效的手段。FLAC/FLAC3D软件就是在这种背景下应运而生的。这里我们着重运用FLAC2D数值模拟技术来对路堤边坡的稳定性进行科学分析,以便于指导安全生产。
3 FLAC2D数值模拟技术的具体应用
包头市某正在建设的高速公路路堤堆载工程如图(1)所示,地基土分为两层,厚度为20m,上部为粘土层,厚度为8m,下部为砂土层,厚度为12m,具体的土层参数如表(1)所示。路堤填筑高度为4m,分两次进行填筑。据此我们运用FLAC2D数值模拟技术来分析路堤填筑后边坡的应力、应变关系以及位移状态。
岩土名称土体密度ρ(Kg/m3)弹性模量E(Mpa)泊松比μ内聚力 c(Kpa)内摩擦角Ф(°)
填土层185070.351010
粘土层170050.35510
砂土层1900160.35025
3.1 建立边界模型
由图(1)可以看出,由于路堤断面具有竖直方向的对称性,因此可以考虑选择对称的一半断面进行建模计算,如图(2)所示,以便减少网格数量,提高计算效率。考虑到模型边界的影响,将底部尺寸设置为路堤底部宽度的4倍,即取64m.。观察图(2)中的模型,可以发现模型具有明显的分块性,可以采用Block建模思路,将模型按照水平方向分为两块,竖直方向分为3块,这样可以建立其基本模型。在此基础上,删除块(2)的网格,并对块(1)的网格进行修改,形成一定的坡度就能得到需要的模型了。
FLAC在建立模型之前首先要确定网格的数量。由于本工程主要考虑路堤堆载产生的影响,因此在确定网格数量时要考虑路堤附近区域网格具有较大的密度,而较远的区域如块(6)偏右的区域,可以利用渐变网格的办法设置较少的网格,本工程中各边的网格数量共划分20*11=220个网格。
3.2 边界条件
在该工程中的边界较为简单,模型底部采用两个方向的固定边界,模型两侧采用水平方向的固定边界进行固定即可。
3.3 初始应力计算
在进行路堤堆载计算前,必须进行地基初始应力计算。
3.3.1 地基初始应力计算
首先“挖”掉路堤部分的网格,然后设置重力,一般情况下采用默认的重力大小和方向,其次进行求解,最后查看初始应力计算结果。我们分别建立了标签为syy的竖向应力云图和标签为ydisp的竖向节点位移云图如图(3)和图(4)所示,用来观察初始应力的计算结果。从syy竖向应力云图上可以看出,模型的竖向应力沿高度均匀分布,模型表层的竖向应力基本为0,而随着深度的增加,竖向应力的数值(绝对值)逐渐增大,且为负(压为负)。这个计算结果与实际应力状态的基本规律相符,所以本工程中初始应力计算比较合理。
与此同时我们可以通过快速绘图命令绘出计算中不平衡力的变化曲线图如图(5)所示。
在本工程中采用的计算方法是弹性模型方法,这种获得初始应力的方法计算过程分两步:
(1)按照弹性参数进行计算(将塑性模型的强度参数c值和tension值取得无穷大),达到平衡状态;
(2)再将材料的属性设置为真实的弹塑性参数,进行第二次计算达到平衡。
所以我们由图(5)可以看到生成的不平衡力曲线在计算过程的中间时步又出现了一次不平衡力的突变。这种采用弹性模型求解初始应力的方法比较方便,但是有一个前提条件,就是所有的参与计算的网格均为Mohr材料。
3.3.2 路堤堆载应力计算
初始应力计算完成后,将计算结果保存好,然后开始路堤堆载的模拟和应力计算,这里我们只需严格按FLAC2D软件中的命令进行操作即可计算出路堤堆载后的应力结果及节点的位移和速度的变化。
3.4 后处理
后处理的内容包括显示加载后土体的水平位移、沉降、应力等的变化。
首先我们分别建立路堤堆载后标签为syy的竖向应力云图和标签为ydisp的竖向节点位移云图如图(6)和图(7)所示,从图上我们可以清楚地看到土体的竖向应力和沉降分布情况;然后我们再建立路堤堆载后标签为xdisp的水平位移云图如图(8)所示,从图上可以看出,水平位移主要发生在坡角以下一定深度处,最大水平位移为7m,这就为我们防范路堤滑坡提供了科学依据;最后我们建立表层沉降曲线图如图(9)所示,由图上可以看出,堆载作用使堆载区域的地基产生了沉降,而路堤坡脚以外的地表出现了一定的沉陷变形,并随着离开坡脚的距离的增加而逐渐减少。
参考文献
[1]陈育民等.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[J].中国水利水电出版社,2007,(1).
[2]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.