ABAQUS边坡防护模拟实施方案及验算分析

ABAQUS边坡防护模拟实施方案及验算一、简介为保证京沪高速鲁苏段拓宽时100%通车，需要在边沟处和碎落台处进行边坡坠石防护，防止坠石滚落到高速公路上引发交通事故。根据施工方案中设计的防护形式，在开挖前对支护的稳定性进行分析，通过数据分析，确定在最不利情况下防护的抗倾覆性以及滚落碎石的重量等。本方案共设置2种防护形式，分别位于边沟处及护面墙处。两种防护形式采用防护材料一致，形式大同小异。由于边沟处防护受碎石冲击力最大（落差最大），且紧邻高速路面，所以只进行边沟处的防护稳定性分析验算即可。边沟处防护布设在挖方路段路缘石内侧，在里侧（靠近山体坡脚侧）码砌80cm宽、100cm高的沙袋，外侧采用3m长竹跳板直立，竹跳板用铁丝连接成一个整体，用两层方钢夹住竹跳板并固定于工字钢上，方钢采用4cm*6cm,分别布置在距顶面0.5m和距底面0.5m位置。工字钢焊接成L型，长边3.0m,短边1.3m,工字钢与地锚钢筋焊接牢固。工字钢外侧设置彩钢瓦，彩钢瓦用螺丝固定在与工字钢连接的角钢上。具体布置方法为：1、首先将要施工段落上报高速公路交警及交通运输执法大队，获得批准后，按高速公路养护规程进行围挡整个挖方路段，布置在硬路肩2m范围。2、挖方路段围挡完成后，在边沟外侧砌石上打入Φ28地锚钢筋50cm,外露40cm,与工字钢进行焊接。工字钢做成L型，竖向3.0m，横向1.3m。3、边沟上口用竹跳板满铺，纵向搭接长度50cm,竹跳板上沙袋防护采用人工装土、错缝码砌。4、安装竖向竹跳板。竹跳板采用铁丝与方钢（4×6cm）连接成一个整体，方钢布置在距竹跳板顶部50cm和距底面50cm位置。并且设置5#角铁斜撑，每2米设置一道，角铁底部与锚固钢筋连接，顶部与方钢焊接。5、竹跳板安装完毕，在竹跳板外侧（朝向路面一侧）安装彩钢瓦，彩钢瓦高3.0米，彩钢瓦与5#角钢采用螺丝固定。6、所有防护施工完成后，撤除硬路肩内的安全围挡，仅保留挖方段以外护栏外侧的限速标志及安全警示牌等。边沟处防护设施示意图根据本标段实际施工情况，路堑开挖所需防护材料如下：序号材料名称数量布置原则1Φ28螺纹钢纵向每2.0米一处锚固深度0.5米外露0.4212#工字钢纵向每2.0米一处与Φ28螺纹钢焊接3竹跳板挖方段长度竹跳板高3米，在边沟处竖向布置，在护坡墙平台处横向布置45#角钢挖方段长度与12#工字钢焊接，横向、斜撑、剪刀撑54×6cm方钢挖方段长度纵向上下2排通长6彩钢瓦挖方段长度高2.5米，7码砌沙袋挖方段长度内侧通长布置高度3层8警示标志作业点按高速围置作业区施工原则布置标志在施工过程中，由于坡度较大、边坡较高，在挖除过程中易造成石头坠落。因此有必要在开挖前对支护的稳定性进行分析，为此类工程设计、施工提供可以借鉴的依据。二、计算模型1、几何模型为考虑落石对防护设施稳定性的影响，利用abaqus对坠石撞击防护设施进行模拟。分析计算采用一跨尺寸三维实体模型。地基模型尺寸为2m高×3m长×2m上宽（下宽3m）；上部结构按边沟处防护设施示意图尺寸模拟。模型几何尺寸具体如性下图。(1)立面图(2)侧面图(3)平面图图SEQ图\*ARABIC1计算模型尺寸图2、计算参数计算参数包括边坡土石混合填料、砂袋、竹跳板、钢（锚杆、角钢、工字钢、方管钢）等材料采用弹塑性材料模型，屈服准则采用Mohr-Coulomb模型。材料的力学性能特性土石混合填料由粗粒料和细粒料组成，一般把巨(粗)粒土含量在30%～70%的填料称为土石混合填料。当巨(粗)粒含量超过70%时，粗粒起骨架控制作用，其抗剪强度特性更接近填石；当巨(粗)粒含量小于30%时，细粒料起控制作用，其力学特性类似细粒土。土石混合料的强度特性非常复杂，其性质不仅受到粗粒料和细粒料的影响，而且还与粗细料含量有关。目前，这方面的系统研究还比较少。邓卫东ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>邓卫东</Author><Year>2006</Year><RecNum>1635</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>1635</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="axt2ddetmse2e9e9d2p5e9pjte5z9ts5e9vp">1635</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>邓卫东</author></authors></contributors><titles><title>公路边坡稳定技术</title></titles><pages>116</pages><dates><year>2006</year></dates><publisher>人民交通出版社</publisher><isbn>7114062427</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[\o"邓卫东,2006#1635"1]总结了广东汕梅高速公路(粗粒料含量超60%，压实度88%～99%)、四川达渝高速公路(粗粒料含量在40%～60%，压实度85%～92%)、云南安楚高速公路(粗粒料含量在70%～85%，压实度93%～95%)土石混合填料的大型三轴试验结果表明：粗粒料强度、含量较高的土石混填路基，其抗剪强度也较高。广东梅汕路土石混合填料的黏聚力c在98～140kPa、内摩擦角φ在26°～33°之间；四川达渝路土石混合填料的黏聚力c在10～25kPa、内摩擦角φ在26°～29°之间；云南安楚路土石混合填料的黏聚力c在21～63kPa、内摩擦角φ在30°～32°之间。考虑到柱式桥台填筑压实度要求高，粗粒料含量相对较少，本工程土石混合填料物理指标为密度ρ=1950kg/m3、弹性模量E=30Mpa、泊松比μ=0.20、黏聚力c=35kPa、内摩擦角φ=30°；沙袋的力学物理指标为密度ρ=1700kg/m3、弹性模量E=48Mpa、泊松比μ=0.160、内摩擦角φ=42°；钢的物理指标为密度ρ=7800kg/m3、弹性模量E=200Gpa、泊松比μ=0.28、屈服强度=400Mpa；竹跳板的物理指标为密度ρ=750kg/m3、弹性模量E=14Gpa、泊松比μ=0.33、屈服强度=240Mpa。3、边界条件、荷载及约束形式初始分析步首先在碎石台模型底面约束其全部自由度（U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3），各侧面约束其该面的法向的自由度；其次支挡设施约束其z轴方向的自由度。图1根据临沂的基本风压ω=0.3KN/m2,选择石头与竹跳板的接触面为0.25*0.25m2计算得：；得；得根据能量守恒定律：；得自重风力局部单位面积受到的压强荷载施加：首先在自重应力分析步在整个模型上施加自重，作用方向与y轴平行且指向y轴的负方向；其次在自重应力分析步在竹跳板水平段上表面施加堆砌沙袋产生的自重；最后在动力显示分析部在结构的最不利位置施加由落石自重、落石动力（滚落产生的动能转化）和风力（根据临沂地区10年内可能出现的最大风压进行计算）共同作用力，作用时间为0.01s-0.02s之间。落石自重和落石动力作用施加的位置为整个结构的上端缘中间位置处，尺寸为0.25*0.25m2,风力作用面积为全截面。约束形式：锚杆、角钢、工字钢、方管钢、交叉角钢及竹跳板之间的的接触方式为贴接触（除交叉角钢和竹跳板之间采用光滑接触）；工字钢和碎落台之间采用摩擦接触；锚杆和碎落台之间采用嵌固。如上接触方式与实际相符。4、分析过程进行防护设施动准静力弹塑性稳定性分析。具体分析过程为：(1)地应力平衡；(2)在落石自重和动力以及风力作用下的动力计算；(3)得出各种材料出现的最大应力和位移，与实际材料的屈服强度和变形对比分析，确定材料结构的稳定性，进一步对工程防护设施指导施工。(4)对支护设施进行线性加载，分析竹跳板和钢材组合的结构在哪个阶段发生失稳破坏。5、网格划分角钢、工字钢、交叉钢、方管钢和锚杆均采用的四面体形状和C3D10（十结点二次四面体单元），边坡和竹跳板采用六面体形状和C3D8R(三维实体八节点缩减积分单元)，通过以上命令对模型划分网格并计算。锚杆采用四面体形状和C3D10（十结点二次四面体单元），内嵌入碎石台。模型网格划分6数据分析坠落石与竹跳板之间假设为垂直接触，在0.01s时坠落石已接触均布荷载形式开始作用在竹跳板上，在当0.02s结束时开始离开竹跳板。根据ABAQUS模拟计算发现当在0.014s时，根据S22应力云图和U22位移云图，发现在与坠落石接触点处垂直接触面方向发生较大的应力和位移，竹跳板的屈服强度和最大挠度进行对比分析，得出发现并未达到材料极限，因此竹跳板判断为安全状态。根据S22应力云图和U22位移云图,发现在工字钢竖向段中心处和角钢与工字钢顶部焊接处发生较大的应力和位移。与钢材的屈服强度进行对比分析，该点的应力并未超过工字钢的屈服强度，位移并未超过钢材容许最大挠度因此属于安全状态。应力云图U1位移云图当对作用点线性加载时，在0.014秒荷载为200KN时开始发生破坏。经计算发现坠落碎石的质量不超过100kg时满足防护要求。由于在护面墙处还设置类似防护（详见方案），因此在施工过程中只要小心开挖，防止大体积块石坠落，本防护形式能够满足路堑开挖防护要求。三、参考文献ADDINEN.REFLIST[1]BISHOPAW.Theuseoftheslipcircleinthestabilityanalysisofslopes[M].万方数据资源系统,1955.[2]张雄.边坡稳定性分析的改进条分法[J].岩土工程学报,1994,03):84-92.[3]郑颖人,赵尚毅,张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析[J].中国工程科学,2002,10):57-61+78.[4]刘汉龙,费康,高玉峰.边坡地震稳定性时程分析方法[J].岩土力学,2003,04):553-6+60.[5]郑颖人,叶海林,黄润秋,etal.边坡地震稳定性分析探讨[J].地震工程与工程振动,2010,02):