基于BIM的公路边坡稳定性分析

2020-07-02邵志强

筑路机械与施工机械化 2020年5期

邵志强

(中铁十八局集团国际工程有限公司，天津 300222)

0 引言

在边坡设计工作中，许多设计人员仍在选取边坡剖面时使用传统的二维分析方法。已有研究对比了二维和三维边坡稳定性分析结果，得出二维稳定性分析结果相比三维稳定性分析结果往往偏于保守，也不能完全反映真实情况，由此会对边坡的处理带来不必要的浪费[1-2]。由二维边坡领域拓展到三维边坡领域已成为新的发展趋势[3]。

在三维边坡稳定性分析的研究中，边坡三维模型的建立大多是由二维平面拓展而成，随着工程建设的大规模发展，所涉及的边坡工程空间形态和地质条件越来越复杂，边坡体内的应力状态也具有明显的空间差异性，因此基于二维或准三维边坡数值模型的稳定性分析结果不足以反应真实情况。在实际工程中边坡问题都属于三维问题，边坡的三维分析更具可行性。郑颖人和赵尚毅[4](2005)采用三维有限元强度折减法计算了三维均质土坡的稳定性，并与三维极限平衡法的结果进行比较分析，验证了有限元强度折减法应用于边坡三维稳定行分析的可行性。高玉峰[5](2015)总结了土质边坡稳定性分析的3种主要方法，并分析了在三维边坡分析中的困难，表明数值分析法是三维土质边坡稳定性分析的趋势。卢坤林[6](2012)对比分析了二维与三维边坡在稳定性分析结果中得到安全系数的差异，讨论了这种差异与滑体几何尺寸及的抗剪强度参数之间的关系及其形成原因，为合理评价边坡稳定性提供可靠的理论依据。刘毅和程建军等[7](2015)用GOCAD、CATIA创建边坡三维地质模型，并使用Hypermesh并进行划分网格，最后导入数值分析软件中，从而实现真实边坡数值模型的建立，通过工程实例表明该方法建模快捷可行。从上述研究中可以看出，数值分析方法在边坡稳定性分析中具有很好的实用性。同时，建立复杂边坡三维数值模型一直是三维边坡稳定性的难题。有学者通过多软件协同，数据格式转换的方法建立边坡三维数值模型，弥补数值分析软件建模功能的不足。该方法过程复杂且需要较强的软件运用能力，上手难度高，工作量大，不适合在实际工程中应用。

如果将BIM技术的建模能力和有限元软件的数值分析能力结合，不仅可以加快BIM在建筑工程行业的全面推广，更能深化其在建筑工程行业的应用。将勘察工作中建立的边坡三维地质模型导入数值分析软件中分析边坡稳定性，能更好地反映边坡真实情况，准确判断滑动面位置，使边坡设计更为经济合理。

1 基于BIM技术的边坡三维建模

1.1 三维信息采集

对于地形复杂的高陡边坡而言，传统的地形、边坡测量手段操作难度大、精度低，与BIM软件的数据传递效率低，不利于岩土工程的信息化发展。近年来，由于科技的不断发展和测量要求的不断提高，新的测量技术不断地被开发出来，如无人机遥感测绘、三维激光扫描、近景摄影等。随着无人机技术的发展成熟，航空航拍测量技术也得到了飞速发展，在利用无人机对大范围和具有复杂空间形态的地点进行信息获取方面表现出极大的优势。本文采用大疆MATRICE 600 PRO进行地形测量工作。

将无人机按设计航线获取的目标区域高精度影像，利用Photoscan软件三维重构可以得到精细的密集点云数据，以*.txt格式导出。

1.2 生成三维边坡模型

通过“创建地面数据”栏中的“创建曲面”命令，创建三角网曲面，在使用曲面定义中的“点文件”将*.txt格式点云数据导入地形曲面数据之中，生成点云，通过点云定义坡面的三角网曲面，如图1所示。

图1 坡面模型

图2 三维边坡模型

通过Civil 3D的曲面提取实体功能，如图2所示，实现地层的三维实体建模。将通过钻孔数据生成的地层曲面自下而上在相邻地层曲面和地层与地表之间提取实体，以下部地层为基准，以相邻上部地层为边界，在曲面之间生成实体，如图2所示。

创建三维模型时要尽可能的将项目及项目周边一定范围内的信息一并创建，如果将原始BIM模型直接导入ABAQUS计算，会因为模型过大，对计算机的配置提出更高的要求。因此在数值分析软件中只需要对主体部分进行分析，在BIM模型导入数值分析软件之前需要先对模型进行简化，并结合边坡设计方案对原始边坡进行编辑，形成路堑边坡，如图3所示。

图3 开挖未支护边坡

2 三维边坡稳定性分析

2.1 模型导入与设定

BIM软件与数值分析软件之间没有特定的数据交换接口，但支持*.sat(ACIS))、*.ige(IGES)、*.stp(STEP)等格式的数据交换，不同格式在数据交互时会产生兼容问题。其中ACIS主要应用于CAD系统开发的几何平台，提供简单实体到复杂实体的造型功能，还提供了实体的数据存储功能和SAT文件的输入、输出功能，为欧特克(Autodesk)平台的BIM模型导入数值分析软件提供方案。同时，*.sat格式还具有兼容性好，占用存储空间少，且图形错误率低的特点，本文采用该格式导入，导入后模型如图4所示。

图4 数值分析模型

数值分析选用达索旗下的ABAQUS软件，其具有十分丰富的材料模型、单元模式、荷载、接触和边界条件，求解非线性问题的能力十分强大，在岩土工程的应用中获得了广泛的认可。

计算模型由BIM模型按设计方案开挖后导入ABAQUS，模型尺寸如图5所示。边坡共设4个台阶，坡度均为1∶0.5，其中第3级台阶宽度为6 m，其余台阶宽度为2 m，除第4级台阶高度为8 m外，其余台阶高度均为6 m。计算工况为非正常工况Ⅰ(坡体自重+地面荷载+暴雨)，土体强度参数见表1。

图5 模型尺寸

表1 非正常工况Ⅰ中土体强度参数

类别重度/(kN·m-3)粘聚力/kPa内摩擦角/(°)弹性模量/MPa泊松比粉质黏土182626300.38强风化砂岩20100308600.25砂岩2620 000464 3000.2

边界条件：模型底部限制3个方向的位移，为固定约束，边坡左右两面限制y方向的位移，前后两面限制x方向的位移，上部为自由边界。采用结构化和非结构化结合的方式来划分网。

2.2 边坡稳定性分析

当前，三维极限平衡法和有限元强度折减法是边坡三维稳定性分析的主要方法，三维极限平衡法较二维极限平衡法需要更多的假设条件，而强度折减法不需要做任何假设。赵尚毅、郑颖人等进行的研究也表明，强度折减法是一种有效的边坡稳定性分析方法。其他学者通过与实际监测数据对比分析，也验证强度折减法分析结果符合工程实际[8-13]。本文采用强度折减法进行三维边坡稳定性分析。

采用有限元强度折减法分析边坡稳定性时，对于边坡是否处于整体破坏状态的判据还有一定争议，目前主要判据有3种[4,14-15]。

(1)以数值计算结果是否收敛作为判断标准。

(2)以特征部位的位移拐点作为判断标准。

(3)以土体重是否形成连续的塑形贯通区作为判断标准。

本文采用1为边坡失稳的判断依据。

在ABAQUS中通过定义场变量来实现强度折减，实现过程共分为2步，第1步为静力分析步，第2步为强度折减分析步。静力分析步进行初始应力分析，折减分析步实现土体强度随场变量不断折减，对第2个分析步中得到的数据进行处理，即可得到在边坡失稳判据下的安全系数，滑动面和破坏过程等。

图6 位移等值线图

图7 塑性应变等值线

当计算模型在第2个分析步t=0.307 2时计算终止，此时边坡已经失稳，根据最终的位移等值线(图6)和塑性应变等值线(图7)云图可以分析出滑动面的位置。图7给出了第2分析步中t=0.241 2、t=0.294 4、t=0.307 2的等效塑性应变图，从中可以看出，边坡表面沿长度方向地形起伏较大、塑性区也首先出现在地势高、坡度较陡处的土体中，随着折减系数的增大，屈服面塑性区由强风化沙层上部逐渐向上发展，而由于两侧地势较低，坡度较缓，塑性并未向两侧快速发展。在t=0.307 2时塑性区贯通，边坡失稳。

通过将场变量FV1(即安全系数FS)与最终位移量最大的边坡顶点水平位移U1的变化关系绘制于图8中，根据边坡失稳判据即可确定安全系数。由图8可以得知，若以特征部位的位移拐点作为边坡失稳的判据，则开挖后未支护的边坡安全系数为0.92左右；若以计算不收敛为判据，则安全系数为0.95左右，二者的误差约为3%，表明这两种判据具有一致性。