邵志強(qiáng)

(中鐵十八局集團(tuán)國際工程有限公司，天津 300222)

0 引 言

在邊坡設(shè)計(jì)工作中，許多設(shè)計(jì)人員仍在選取邊坡剖面時(shí)使用傳統(tǒng)的二維分析方法。已有研究對(duì)比了二維和三維邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，得出二維穩(wěn)定性分析結(jié)果相比三維穩(wěn)定性分析結(jié)果往往偏于保守，也不能完全反映真實(shí)情況，由此會(huì)對(duì)邊坡的處理帶來不必要的浪費(fèi)[1-2]。由二維邊坡領(lǐng)域拓展到三維邊坡領(lǐng)域已成為新的發(fā)展趨勢(shì)[3]。

在三維邊坡穩(wěn)定性分析的研究中，邊坡三維模型的建立大多是由二維平面拓展而成，隨著工程建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，所涉及的邊坡工程空間形態(tài)和地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，邊坡體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也具有明顯的空間差異性，因此基于二維或準(zhǔn)三維邊坡數(shù)值模型的穩(wěn)定性分析結(jié)果不足以反應(yīng)真實(shí)情況。在實(shí)際工程中邊坡問題都屬于三維問題，邊坡的三維分析更具可行性。鄭穎人和趙尚毅[4](2005)采用三維有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算了三維均質(zhì)土坡的穩(wěn)定性，并與三維極限平衡法的結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了有限元強(qiáng)度折減法應(yīng)用于邊坡三維穩(wěn)定行分析的可行性。高玉峰[5](2015)總結(jié)了土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的3種主要方法，并分析了在三維邊坡分析中的困難，表明數(shù)值分析法是三維土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的趨勢(shì)。盧坤林[6](2012)對(duì)比分析了二維與三維邊坡在穩(wěn)定性分析結(jié)果中得到安全系數(shù)的差異，討論了這種差異與滑體幾何尺寸及的抗剪強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系及其形成原因，為合理評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性提供可靠的理論依據(jù)。劉毅和程建軍等[7](2015)用GOCAD、CATIA創(chuàng)建邊坡三維地質(zhì)模型，并使用Hypermesh并進(jìn)行劃分網(wǎng)格，最后導(dǎo)入數(shù)值分析軟件中，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)邊坡數(shù)值模型的建立，通過工程實(shí)例表明該方法建?？旖菘尚小纳鲜鲅芯恐锌梢钥闯?，數(shù)值分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中具有很好的實(shí)用性。同時(shí)，建立復(fù)雜邊坡三維數(shù)值模型一直是三維邊坡穩(wěn)定性的難題。有學(xué)者通過多軟件協(xié)同，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的方法建立邊坡三維數(shù)值模型，彌補(bǔ)數(shù)值分析軟件建模功能的不足。該方法過程復(fù)雜且需要較強(qiáng)的軟件運(yùn)用能力，上手難度高，工作量大，不適合在實(shí)際工程中應(yīng)用。

如果將BIM技術(shù)的建模能力和有限元軟件的數(shù)值分析能力結(jié)合，不僅可以加快BIM在建筑工程行業(yè)的全面推廣，更能深化其在建筑工程行業(yè)的應(yīng)用。將勘察工作中建立的邊坡三維地質(zhì)模型導(dǎo)入數(shù)值分析軟件中分析邊坡穩(wěn)定性，能更好地反映邊坡真實(shí)情況，準(zhǔn)確判斷滑動(dòng)面位置，使邊坡設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)合理。

1 基于BIM技術(shù)的邊坡三維建模

1.1 三維信息采集

對(duì)于地形復(fù)雜的高陡邊坡而言，傳統(tǒng)的地形、邊坡測(cè)量手段操作難度大、精度低，與BIM軟件的數(shù)據(jù)傳遞效率低，不利于巖土工程的信息化發(fā)展。近年來，由于科技的不斷發(fā)展和測(cè)量要求的不斷提高，新的測(cè)量技術(shù)不斷地被開發(fā)出來，如無人機(jī)遙感測(cè)繪、三維激光掃描、近景攝影等。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展成熟，航空航拍測(cè)量技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，在利用無人機(jī)對(duì)大范圍和具有復(fù)雜空間形態(tài)的地點(diǎn)進(jìn)行信息獲取方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。本文采用大疆MATRICE 600 PRO進(jìn)行地形測(cè)量工作。

將無人機(jī)按設(shè)計(jì)航線獲取的目標(biāo)區(qū)域高精度影像，利用Photoscan軟件三維重構(gòu)可以得到精細(xì)的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以*.txt格式導(dǎo)出。

1.2 生成三維邊坡模型

通過“創(chuàng)建地面數(shù)據(jù)”欄中的“創(chuàng)建曲面”命令，創(chuàng)建三角網(wǎng)曲面，在使用曲面定義中的“點(diǎn)文件”將*.txt格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入地形曲面數(shù)據(jù)之中，生成點(diǎn)云，通過點(diǎn)云定義坡面的三角網(wǎng)曲面，如圖1所示。

圖1 坡面模型

圖2 三維邊坡模型

通過Civil 3D的曲面提取實(shí)體功能，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)地層的三維實(shí)體建模。將通過鉆孔數(shù)據(jù)生成的地層曲面自下而上在相鄰地層曲面和地層與地表之間提取實(shí)體，以下部地層為基準(zhǔn)，以相鄰上部地層為邊界，在曲面之間生成實(shí)體，如圖2所示。

創(chuàng)建三維模型時(shí)要盡可能的將項(xiàng)目及項(xiàng)目周邊一定范圍內(nèi)的信息一并創(chuàng)建，如果將原始BIM模型直接導(dǎo)入ABAQUS計(jì)算，會(huì)因?yàn)槟Ｐ瓦^大，對(duì)計(jì)算機(jī)的配置提出更高的要求。因此在數(shù)值分析軟件中只需要對(duì)主體部分進(jìn)行分析，在BIM模型導(dǎo)入數(shù)值分析軟件之前需要先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并結(jié)合邊坡設(shè)計(jì)方案對(duì)原始邊坡進(jìn)行編輯，形成路塹邊坡，如圖3所示。

圖3 開挖未支護(hù)邊坡

2 三維邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 模型導(dǎo)入與設(shè)定

BIM軟件與數(shù)值分析軟件之間沒有特定的數(shù)據(jù)交換接口，但支持*.sat(ACIS))、*.ige(IGES)、*.stp(STEP)等格式的數(shù)據(jù)交換，不同格式在數(shù)據(jù)交互時(shí)會(huì)產(chǎn)生兼容問題。其中ACIS主要應(yīng)用于CAD系統(tǒng)開發(fā)的幾何平臺(tái)，提供簡(jiǎn)單實(shí)體到復(fù)雜實(shí)體的造型功能，還提供了實(shí)體的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能和SAT文件的輸入、輸出功能，為歐特克(Autodesk)平臺(tái)的BIM模型導(dǎo)入數(shù)值分析軟件提供方案。同時(shí)，*.sat格式還具有兼容性好，占用存儲(chǔ)空間少，且圖形錯(cuò)誤率低的特點(diǎn)，本文采用該格式導(dǎo)入，導(dǎo)入后模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值分析模型

數(shù)值分析選用達(dá)索旗下的ABAQUS軟件，其具有十分豐富的材料模型、單元模式、荷載、接觸和邊界條件，求解非線性問題的能力十分強(qiáng)大，在巖土工程的應(yīng)用中獲得了廣泛的認(rèn)可。

計(jì)算模型由BIM模型按設(shè)計(jì)方案開挖后導(dǎo)入ABAQUS，模型尺寸如圖5所示。邊坡共設(shè)4個(gè)臺(tái)階，坡度均為1∶0.5，其中第3級(jí)臺(tái)階寬度為6 m，其余臺(tái)階寬度為2 m，除第4級(jí)臺(tái)階高度為8 m外，其余臺(tái)階高度均為6 m。計(jì)算工況為非正常工況Ⅰ(坡體自重+地面荷載+暴雨)，土體強(qiáng)度參數(shù)見表1。

圖5 模型尺寸

表1 非正常工況Ⅰ中土體強(qiáng)度參數(shù)

類別重度/(kN·m-3)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/MPa泊松比粉質(zhì)黏土182626300.38強(qiáng)風(fēng)化砂巖20100308600.25砂巖2620 000464 3000.2

邊界條件：模型底部限制3個(gè)方向的位移，為固定約束，邊坡左右兩面限制y方向的位移，前后兩面限制x方向的位移，上部為自由邊界。采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化結(jié)合的方式來劃分網(wǎng)。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

當(dāng)前，三維極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法是邊坡三維穩(wěn)定性分析的主要方法，三維極限平衡法較二維極限平衡法需要更多的假設(shè)條件，而強(qiáng)度折減法不需要做任何假設(shè)。趙尚毅、鄭穎人等進(jìn)行的研究也表明，強(qiáng)度折減法是一種有效的邊坡穩(wěn)定性分析方法。其他學(xué)者通過與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，也驗(yàn)證強(qiáng)度折減法分析結(jié)果符合工程實(shí)際[8-13]。本文采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行三維邊坡穩(wěn)定性分析。

采用有限元強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，對(duì)于邊坡是否處于整體破壞狀態(tài)的判據(jù)還有一定爭(zhēng)議，目前主要判據(jù)有3種[4,14-15]。

(1)以數(shù)值計(jì)算結(jié)果是否收斂作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

(2)以特征部位的位移拐點(diǎn)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

(3)以土體重是否形成連續(xù)的塑形貫通區(qū)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

本文采用1為邊坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)。

在ABAQUS中通過定義場(chǎng)變量來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度折減，實(shí)現(xiàn)過程共分為2步，第1步為靜力分析步，第2步為強(qiáng)度折減分析步。靜力分析步進(jìn)行初始應(yīng)力分析，折減分析步實(shí)現(xiàn)土體強(qiáng)度隨場(chǎng)變量不斷折減，對(duì)第2個(gè)分析步中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可得到在邊坡失穩(wěn)判據(jù)下的安全系數(shù)，滑動(dòng)面和破壞過程等。

圖6 位移等值線圖

圖7 塑性應(yīng)變等值線

當(dāng)計(jì)算模型在第2個(gè)分析步t=0.307 2時(shí)計(jì)算終止，此時(shí)邊坡已經(jīng)失穩(wěn)，根據(jù)最終的位移等值線(圖6)和塑性應(yīng)變等值線(圖7)云圖可以分析出滑動(dòng)面的位置。圖7給出了第2分析步中t=0.241 2、t=0.294 4、t=0.307 2的等效塑性應(yīng)變圖，從中可以看出，邊坡表面沿長(zhǎng)度方向地形起伏較大、塑性區(qū)也首先出現(xiàn)在地勢(shì)高、坡度較陡處的土體中，隨著折減系數(shù)的增大，屈服面塑性區(qū)由強(qiáng)風(fēng)化沙層上部逐漸向上發(fā)展，而由于兩側(cè)地勢(shì)較低，坡度較緩，塑性并未向兩側(cè)快速發(fā)展。在t=0.307 2時(shí)塑性區(qū)貫通，邊坡失穩(wěn)。

通過將場(chǎng)變量FV1(即安全系數(shù)FS)與最終位移量最大的邊坡頂點(diǎn)水平位移U1的變化關(guān)系繪制于圖8中，根據(jù)邊坡失穩(wěn)判據(jù)即可確定安全系數(shù)。由圖8可以得知，若以特征部位的位移拐點(diǎn)作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)，則開挖后未支護(hù)的邊坡安全系數(shù)為0.92左右；若以計(jì)算不收斂為判據(jù)，則安全系數(shù)為0.95左右，二者的誤差約為3%，表明這兩種判據(jù)具有一致性。

圖8 FV1與U1的關(guān)系曲線

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)的規(guī)定，K<1.0為不穩(wěn)定。則開挖未支護(hù)的邊坡在非正常工況Ⅰ中的分析結(jié)果為不穩(wěn)定，滑坡穩(wěn)定性不能滿足公路滑坡設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，需對(duì)其進(jìn)行必要的防護(hù)治理。

3 結(jié) 語

將BIM模型導(dǎo)入ABAQUS軟件中，實(shí)現(xiàn)了BIM模型到數(shù)值分析模型的轉(zhuǎn)變，深化了BIM在邊坡工程中的應(yīng)用，提高了BIM建模工作的價(jià)值。通過有限元強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡在開挖未支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，判斷其是否需要防護(hù)治理，對(duì)實(shí)際工程具有重要意義。