從梅大高速塌陷，看仿真分析技術在基建上的應用

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

我們都知道，地下工程及深基礎工程的建設安全與質量是重中之重，方案也需要經過多方驗證，才能進行項目建設，那么如何保障這些基建項目安全？怎么才能夠提早發(fā)現(xiàn)問題點？其中就需要用到仿真分析技術來進行輔助驗證。

下面我們一起看看有哪些應用：

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－氣三相復合介質，其物理性質較復雜。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、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程要考慮多因素控制方程，并求出各種邊值問題的解。探討滲流－變形耦合場來研究降雨入滲滑坡，是目前環(huán)境地質災害和巖土工程需要展開的工作。

非飽和膨脹土的開挖問題

巖土工程分析往往涉及到固體介質和流體的相互作用，所以要引入有效應力來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，還需考慮有效應力原理和連續(xù)方程，必要時進行考慮滲流場、應力場、溫度場、化學場等多場耦合的分析。

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

隧道開挖問題

工程結構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束時，而往往在施工過程中。巖土工程分析要動態(tài)地模擬施工過程中結構形體的變化、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，只能用計算過程的模擬才能體現(xiàn)出來，也就是說巖土工程分析應當是一種動態(tài)的過程分析，只有進行過程分析，其結果才是合理的。

邊坡穩(wěn)定的剪切帶計算

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

剪切帶形成的研究對于評價土工結構物的安全性和穩(wěn)定性等問題具有重要意義。剪切帶現(xiàn)象的本質是材料的不穩(wěn)定性，材料不穩(wěn)定研究中的一個十分重要的問題是多尺度和標度律的問題。在材料發(fā)生不穩(wěn)定性時，不同的物理過程，不同的微－細觀結構，在某個時間尺度內，將以其特有的動力學行為，在某個特征尺度上表現(xiàn)自己，它對計算力學構成了嚴重的挑戰(zhàn)。

施工過程對環(huán)境的影響

一般地鐵車站工程具有開挖跨度大、臨時支護和工法轉換頻繁、時空效應顯著、地質條件復雜、邊界環(huán)境條件限制嚴格、施工難度和風險極大等特點。地鐵車站建設中的工程問題具有材料非線性、幾何非線性、邊界非線性、時空效應等特點。

以地鐵車站作為工程背景，研究地鐵車站施工過程中支護結構、圍巖和近鄰重要環(huán)境對象（橋基、管線、建筑物等）的力學響應和安全控制，為地鐵車站的動態(tài)設計和動態(tài)施工管理提供理論依據(jù)和指導，為施工安全提供技術保障和科學決策。

節(jié)理材料的邊坡穩(wěn)定性分析

巖石是一種非常復雜的材料。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用案例，CAE仿真分析技術還可很好地模擬巖土的力學性能及對巖土工程的各個方面進行模擬。其中包括非線性應力-應變關系、瞬態(tài)固結、穩(wěn)態(tài)流變、井點降水、土體液化分析、施工過程、巖土的應力-變形與穩(wěn)定性、邊坡應力及穩(wěn)定性、邊坡和硐室錨固效應分析、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、 預應力鋼筋、鋼支撐、隧道加強筋等鋼結構與巖土和混凝土在溫度和外力作用下裂隙的分布與擴展過程模擬等。

通過CAE仿真技術的應用，基建行業(yè)也迎來了質的發(fā)展，也希望通過技術的不斷發(fā)展和進步，能夠在前期設計論證階段就能筑起安全的第一道防線。