基于有限元折减法的拼接路基边坡设计

基于有限元折减法的拼接路基边坡设计

刘东泽1韩丁2

1.中铁城市规划设计研究院有限公司安徽芜湖241000；2.合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009

摘要：为了能快捷的进行拼接路基的边坡设计，使用有限元折减法对拼接路基的边坡稳定性进行了分析。本文采用无限元边界来避免有限元计算中的模型尺寸对结果的影响，分析了平面应变问题中由M-C模型到等面积D-P模型的参数转化公式。提出了路基路面整体稳定性安全系数和临界参数曲线图的绘制方法，并根据扩建工程中的实际给出了算例。结果表明：有限元折减法适用于拼接路基的边坡稳定性分析。由路基和土基的直剪快剪或三轴不排水剪切试验得到粘聚力和内摩擦角数据，就能根据临界参数曲线图快速选定边坡的初步设计方案，实现结合填筑材料和拼接工况的按需设计。

关键词：道路工程；新老路基拼接；有限元折减法；整体安全系数；临界参数曲线图

引言

土体稳定分析的方法常用的有极限平衡分析法、有限单元法、神经网络和遗传算法[1]等。20世纪末，国际上研究了有限元强度折减法在求土坡稳定安全系数F中的应用[2-5]，由于一些算例得到的结果与传统方法求解结果比较接近，逐渐得到学术界的认可。国内的郑颖人[6-7]、黄宜胜[8]等也对不同屈服准则下边坡稳定分析中有限元折减法的使用进行了分析。

本文将有限元折减法引入到拼接路基的稳定性分析中，考虑了道路扩建工程中新老路基的相互作用[9]，用无限元边界取代了施加约束的有限元边界。现有的边坡稳定计算以完全滑动为破坏标准，实际上该破坏前路基上面的路面结构就已可能被拉裂破坏[10]，因此本文提出以路面结构层所能承受的最大塑性变形来计算路基路面结构整体的安全系数。为了能从路基填筑土体的直剪试验中迅速的判断边坡的稳定性及改进的设计方案，绘制了选定安全系数下边坡稳定性的临界参数曲线。

1.屈服准则的选用和参数的转化

岩土材料具有复杂的本构关系，边坡的稳定分析主要关心的是力和强度的问题，而不是位移和变形的问题，因此对于本构关系的选择不必十分严格，采用理性弹塑性本构模型即可，但必须选取合适的强度准则。Mohr-Coulomb破坏和强度准则在岩土工程中得到了广泛的应用，也比较容易通过试验得到材料的粘聚力c和内摩擦角Φ。但是，在平面上的Mohr-Coulomb屈服面存在尖角，这意味着当应力状态中有两个相等的主应力时，应力的微小改变均会导致流动方向发生较大的改变。虽然ABAQUS提供的Mohr-Coulomb模型的塑性势函数做了光滑处理，但是在应变局部化变得重要的情况下，会对计算结果的准确性产生影响，因此有必要将Mohr-Coulomb模型中的参数转换为Drucker-Prager模型的参数。

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