從梅大高速塌陷，看仿真分析技術(shù)在基建上的應(yīng)用

2024年5月1日凌晨2時(shí)10分左右，廣東梅大高速（S12）大埔往福建方向K11+900m（茶陽(yáng)路段出口方向2公里左右）附近發(fā)生高速公路路面塌陷事故。專家和相關(guān)部門(mén)正調(diào)查塌方的具體原因，初步推測(cè)可能與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、雨水侵蝕、施工質(zhì)量等多種因素有關(guān)。

我們都知道，地下工程及深基礎(chǔ)工程的建設(shè)安全與質(zhì)量是重中之重，方案也需要經(jīng)過(guò)多方驗(yàn)證，才能進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)，那么如何保障這些基建項(xiàng)目安全？怎么才能夠提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題點(diǎn)？其中就需要用到仿真分析技術(shù)來(lái)進(jìn)行輔助驗(yàn)證。

下面我們一起看看有哪些應(yīng)用：

降雨入滲條件下非飽和土邊坡分析

地球表面很大一部分處于干旱或半干旱地帶。因此，工程中遇到的土大多數(shù)都處于非飽和狀態(tài)，濕陷性黃土、膨脹土、熱帶殘積土和人工填土等都是典型的非飽和土。

 非飽和土是固－液－氣三相復(fù)合介質(zhì)，其物理性質(zhì)較復(fù)雜。降雨入滲是一種典型的非飽和流固耦合現(xiàn)象，需要研究雨水入滲的瞬態(tài)滲流場(chǎng)、土坡變形以及各種邊界條件的影響。分析非飽和流固耦合過(guò)程要考慮多因素控制方程，并求出各種邊值問(wèn)題的解。探討滲流－變形耦合場(chǎng)來(lái)研究降雨入滲滑坡，是目前環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害和巖土工程需要展開(kāi)的工作。

非飽和膨脹土的開(kāi)挖問(wèn)題

巖土工程分析往往涉及到固體介質(zhì)和流體的相互作用，所以要引入有效應(yīng)力來(lái)更明確地描述固體骨架的受力狀態(tài)。由于將固體骨架與孔隙流體的滲透同步考慮，不僅需滿足平衡方程，物理方程和幾何方程，還需考慮有效應(yīng)力原理和連續(xù)方程，必要時(shí)進(jìn)行考慮滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)等多場(chǎng)耦合的分析。

在一系列的工程問(wèn)題中，涉及有效應(yīng)力、變形、水運(yùn)動(dòng)、堤壩滲流變形、油氣開(kāi)采、煤層內(nèi)瓦斯?jié)B流、地基的蒸發(fā)固結(jié)和降雨入滲的滑坡等問(wèn)題，這些問(wèn)題一般都必須考慮水、氣兩相流體流動(dòng)和固相變形之間的相互作用。因而，研究非飽和土的流-固耦合問(wèn)題具有重大理論和實(shí)際意義。

隧道開(kāi)挖問(wèn)題

工程結(jié)構(gòu)總是按照一定的操作順序施工的，控制條件不一定是施工結(jié)束時(shí)，而往往在施工過(guò)程中。巖土工程分析要?jiǎng)討B(tài)地模擬施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)形體的變化、材料的演變、約束與外載條件的改變等。這是與材料非線性、幾何非線性或邊界非線性而不同的一種非線性，只能用計(jì)算過(guò)程的模擬才能體現(xiàn)出來(lái)，也就是說(shuō)巖土工程分析應(yīng)當(dāng)是一種動(dòng)態(tài)的過(guò)程分析，只有進(jìn)行過(guò)程分析，其結(jié)果才是合理的。

邊坡穩(wěn)定的剪切帶計(jì)算

應(yīng)變局部化現(xiàn)象在巖土工程中大量存在，最為典型的就是土體失穩(wěn)時(shí)形成的剪切帶。

剪切帶形成的研究對(duì)于評(píng)價(jià)土工結(jié)構(gòu)物的安全性和穩(wěn)定性等問(wèn)題具有重要意義。剪切帶現(xiàn)象的本質(zhì)是材料的不穩(wěn)定性，材料不穩(wěn)定研究中的一個(gè)十分重要的問(wèn)題是多尺度和標(biāo)度律的問(wèn)題。在材料發(fā)生不穩(wěn)定性時(shí)，不同的物理過(guò)程，不同的微－細(xì)觀結(jié)構(gòu)，在某個(gè)時(shí)間尺度內(nèi)，將以其特有的動(dòng)力學(xué)行為，在某個(gè)特征尺度上表現(xiàn)自己，它對(duì)計(jì)算力學(xué)構(gòu)成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

施工過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響

一般地鐵車(chē)站工程具有開(kāi)挖跨度大、臨時(shí)支護(hù)和工法轉(zhuǎn)換頻繁、時(shí)空效應(yīng)顯著、地質(zhì)條件復(fù)雜、邊界環(huán)境條件限制嚴(yán)格、施工難度和風(fēng)險(xiǎn)極大等特點(diǎn)。地鐵車(chē)站建設(shè)中的工程問(wèn)題具有材料非線性、幾何非線性、邊界非線性、時(shí)空效應(yīng)等特點(diǎn)。

以地鐵車(chē)站作為工程背景，研究地鐵車(chē)站施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)、圍巖和近鄰重要環(huán)境對(duì)象（橋基、管線、建筑物等）的力學(xué)響應(yīng)和安全控制，為地鐵車(chē)站的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)施工管理提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，為施工安全提供技術(shù)保障和科學(xué)決策。

節(jié)理材料的邊坡穩(wěn)定性分析

巖石是一種非常復(fù)雜的材料。其材料屬性不光表現(xiàn)高度非線性，而且由于節(jié)理的存在表現(xiàn)各向異性。仿真分析在巖石方法不光提供了巖石的塑性屬性，而且提供了其節(jié)理屬性。

以上只是列出部分應(yīng)用案例，CAE仿真分析技術(shù)還可很好地模擬巖土的力學(xué)性能及對(duì)巖土工程的各個(gè)方面進(jìn)行模擬。其中包括非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、瞬態(tài)固結(jié)、穩(wěn)態(tài)流變、井點(diǎn)降水、土體液化分析、施工過(guò)程、巖土的應(yīng)力-變形與穩(wěn)定性、邊坡應(yīng)力及穩(wěn)定性、邊坡和硐室錨固效應(yīng)分析、路基、底座、深基坑、樁等的承載能力與沉陷分析、土體與鋼筋混凝土道路主體間的相互作用、錨固鋼纜、 預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼支撐、隧道加強(qiáng)筋等鋼結(jié)構(gòu)與巖土和混凝土在溫度和外力作用下裂隙的分布與擴(kuò)展過(guò)程模擬等。

通過(guò)CAE仿真技術(shù)的應(yīng)用，基建行業(yè)也迎來(lái)了質(zhì)的發(fā)展，也希望通過(guò)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，能夠在前期設(shè)計(jì)論證階段就能筑起安全的第一道防線。