教你正确做公路桥梁实际工程“高边坡数值仿真全流程”

导读：曾几何时，笔者在“2021一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛工程仿真创新设计赛项”企业组的初赛作品，以某工程特大桥岸坡为研究对象，总结了一套桥梁岸坡全寿命周期的稳定性分析方法，并已成功应用于3个工程项目，希望可以给公路行业的设计同仁提供一些参考。因此获得了金砖大赛工程仿真创新赛项专家评审团的认可，并在决赛中一蹴而就，获得首届金砖大赛工程仿真创新设计大赛企业组二等奖。在此致谢中交第一公路勘察设计研究院给予的大力支持，还有我们团队成员辛勤付出。

值首届金砖大赛工程仿真创新设计成果展来临之际，1月16日20时（周日），笔者将在仿真秀官网和App公开直播《边坡稳定性数值模拟创新设计》，详细见后文。如有不当，欢迎各位专家和同行批评指正。以下是我的初赛作品视频（请扫码观看）。

一、写在前面

当我们拿到一个深挖路堑路基横断面时，我们如何将横断面转化为数值模型从而进行计算分析后处理？看似简单的一个问题其实深挖下去并不简单，这就是我想和大家分享和探讨的，就是在实际工程中如何正确的做一次高边坡数值模拟，边坡数值模拟可以分为六个部分，即边坡模型尺寸、本构模型及物理力学参数的选取、网格尺寸、初始地应力求解方法、强度折减法/极限平衡法以及工作产出。而尺寸效应、网格大小还有初始地应力求解方法往往大家都没有一个共识，今天我先抛砖一下，小谈一下这三方面内容，具体我们1月14日直播间见哦。

二、尺寸效应

极限平衡法需要考虑边界尺寸效应吗？实质上是不需要的，因为它不存在应力应变问题，只要滑动面能在边坡范围内即可，但尺寸大小几乎不影响计算时长，搜索时长跟设定多少滑动面有关。那么数值模拟的影响就非常大了，经过大量的算例进行验证比选，对张鲁渝、郑颖人院士的边界尺寸模型建议进行了局部优化，将数值模拟的应力应变作为判据进行综合分析，建议模型尺寸做如下考虑：坡脚至下边界尺寸U不小于0.75H，右边界至坡顶边界尺寸R不小于2H，左边界至坡顶边界尺寸L应小于1H。

图2不同边界尺寸对边坡稳定系数的影响

以Dawson边坡案例为研究对象建立新的边坡模型尺寸，得到的结果为1.09，与极限平衡法区别很小，又选取5个边坡案例建立模型进行分析，计算结果均与极限平衡法区别很小，有的比原论文的计算结果更为精确，这就验证了边坡应力应变分布受限可能会出现计算结果失真判据后优化尺寸模型的正确性。

图3 新尺寸边坡模型计算结果

图4边界尺寸的黏性土边坡计算结果对比

三、网格划分问题

为确定边坡模型尺寸与网格及节点数量的关系，建立不同高度的边坡模型，相关物理力学参数仍选取表1，一级坡坡率采用1:1，二级及以上坡率采用1:1.25，8m和12m边坡一级坡到顶，其他坡高分级高度为8m，分级台阶为2m，制定5种网格划分形式，考虑稀疏尺寸过渡，一般边界区域的网格个数取边坡坡体区域网格个数的0.5倍。以网格及节点数量为模型内部变量，稳定系数作为主要判别标准进行关系分析。

图5 网格尺寸划分对边坡稳定系数的影响

结果显示，坡体区域的网格建议应在1平米范围内至少有4个网格，二维模型的每边长1m应有2个网格，这样的结果比较精确，当网格个数又1平米变为2个后与极限平衡法误差较大，网格分布更疏后明显不具备参考依据。

四、初始地应力求解方法

常用的初始地应力求解方法为弹性求解和弹塑性求解，一种是不考虑初始地应力有屈服区域，一种是考虑屈服，明显弹塑性求解更符合现实，但计算速度较慢，尤其网格较多时计算容易不收敛。对边坡模型进行求解，稳定系数分布云图与塑性剪应变增量云图如下：

图6 弹性求解初始地应力场的边坡模型计算结果

图7 弹塑性求解初始地应力场的边坡模型计算结果

从计算结果可以得到以下建议：

五、三维滑坡、桥梁岸坡的建立

其实三维滑坡、桥梁岸坡的建立没有那么难，并且不需要尝试多种软件，任何一种cae软件都是有共同点的，我们工程中也常用极限平衡法，有的同仁说极限平衡法出来的图不好看，没法发 论文，我不这么认为，一样可以做出美丽的图，这是我前一阵刚做完一个新疆项目高边坡的天然工况支挡防护后的稳定系数分布图，我觉得还是相当凑合的！

图8 边坡加固模型天然工况下稳定系数分布图

至于三维滑坡模型的建立，我认为还是要在地层划分上找到确实可以用三维表现的精度来展示，否则在实际工程中只是一个“花瓶”，远没有二维模型来的实际，并且滑动面是确定的，极限平衡法是最好的方法，没有必要再舍近求远！

图三维滑坡稳定性计算结果

六、边坡稳定性数值仿真公开课

1月16日20时，“2021一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛工程仿真创新设计赛项”企业组的一等奖获奖——中交第一公路勘察设计研究院，将受邀在首届金砖大赛工程仿真创新设计成果展，公开分享《公路桥梁边坡稳定性分析数值模拟创新设计》讲座，诚邀莅临各位专家和同行交流、欢迎批评指正，共同进步。

以下是我们讲座安排：

（完）

作者：武博强，国家注册岩土工程师、国家注册道路工程师，中国公路学会会员，西安313岩土学社发起人，创办博强路基路面设计公 众 号，喜欢分享自己的路基路面设计心得，也喜欢从设计中总结自己的想法。

王勇与武博强作为同学同事，一起钻研路基路面设计，本次作为领队兼教练，采用工程中广泛应用的极限平衡法对团队数值模拟结果进行了验证，并在院副总工刘青主任的带领下一起创立了分院的特殊路基创新室，解决分院所做项目遇到的边滑坡、泥石流、崩塌落石等地质灾害，总结实际工程经验，对每一种地质灾害均建立了相应的分析计算流程，旨在将数值模型可以更好更准确的应用于实际公路工程中，指导实际设计，减少工程造价。作为生产单位，21年团队从工作中总结经验心得，全年共发表10篇论文，申请4项实用新型专利，其中EI论文1篇，CSCD论文2篇，集团核心期刊目录6篇。今天除了工程仿真大赛的成果展示外更多的是从实际工程计算中探索出一些可以借鉴的经验和大家分享。