从梅大高速塌陷，看仿真分析技术在基建上的应用

2024年5月1日凌晨2时10分左右，广东梅大高速（S12）大埔往福建方向K11+900m（茶阳路段出口方向2公里左右）附近发生高速公路路面塌陷事故。专家和相关部门正调查塌方的具体原因，初步推测可能与地质结构、雨水侵蚀、施工质量等多种因素有关。

我们都知道，地下工程及深基础工程的建设安全与质量是重中之重，方案也需要经过多方验证，才能进行项目建设，那么如何保障这些基建项目安全？怎么才能够提早发现问题点？其中就需要用到仿真分析技术来进行辅助验证。

下面我们一起看看有哪些应用：

降雨入渗条件下非饱和土边坡分析

地球表面很大一部分处于干旱或半干旱地带。因此，工程中遇到的土大多数都处于非饱和状态，湿陷性黄土、膨胀土、热带残积土和人工填土等都是典型的非饱和土。

 非饱和土是固－液－气三相复合介质，其物理性质较复杂。降雨入渗是一种典型的非饱和流固耦合现象，需要研究雨水入渗的瞬态渗流场、土坡变形以及各种边界条件的影响。分析非饱和流固耦合过程要考虑多因素控制方程，并求出各种边值问题的解。探讨渗流－变形耦合场来研究降雨入渗滑坡，是目前环境地质灾害和岩土工程需要展开的工作。

非饱和膨胀土的开挖问题

岩土工程分析往往涉及到固体介质和流体的相互作用，所以要引入有效应力来更明确地描述固体骨架的受力状态。由于将固体骨架与孔隙流体的渗透同步考虑，不仅需满足平衡方程，物理方程和几何方程，还需考虑有效应力原理和连续方程，必要时进行考虑渗流场、应力场、温度场、化学场等多场耦合的分析。

在一系列的工程问题中，涉及有效应力、变形、水运动、堤坝渗流变形、油气开采、煤层内瓦斯渗流、地基的蒸发固结和降雨入渗的滑坡等问题，这些问题一般都必须考虑水、气两相流体流动和固相变形之间的相互作用。因而，研究非饱和土的流-固耦合问题具有重大理论和实际意义。

隧道开挖问题

工程结构总是按照一定的操作顺序施工的，控制条件不一定是施工结束时，而往往在施工过程中。岩土工程分析要动态地模拟施工过程中结构形体的变化、材料的演变、约束与外载条件的改变等。这是与材料非线性、几何非线性或边界非线性而不同的一种非线性，只能用计算过程的模拟才能体现出来，也就是说岩土工程分析应当是一种动态的过程分析，只有进行过程分析，其结果才是合理的。

边坡稳定的剪切带计算

应变局部化现象在岩土工程中大量存在，最为典型的就是土体失稳时形成的剪切带。

剪切带形成的研究对于评价土工结构物的安全性和稳定性等问题具有重要意义。剪切带现象的本质是材料的不稳定性，材料不稳定研究中的一个十分重要的问题是多尺度和标度律的问题。在材料发生不稳定性时，不同的物理过程，不同的微－细观结构，在某个时间尺度内，将以其特有的动力学行为，在某个特征尺度上表现自己，它对计算力学构成了严重的挑战。

施工过程对环境的影响

一般地铁车站工程具有开挖跨度大、临时支护和工法转换频繁、时空效应显著、地质条件复杂、边界环境条件限制严格、施工难度和风险极大等特点。地铁车站建设中的工程问题具有材料非线性、几何非线性、边界非线性、时空效应等特点。

以地铁车站作为工程背景，研究地铁车站施工过程中支护结构、围岩和近邻重要环境对象（桥基、管线、建筑物等）的力学响应和安全控制，为地铁车站的动态设计和动态施工管理提供理论依据和指导，为施工安全提供技术保障和科学决策。

节理材料的边坡稳定性分析

岩石是一种非常复杂的材料。其材料属性不光表现高度非线性，而且由于节理的存在表现各向异性。仿真分析在岩石方法不光提供了岩石的塑性属性，而且提供了其节理属性。

以上只是列出部分应用案例，CAE仿真分析技术还可很好地模拟岩土的力学性能及对岩土工程的各个方面进行模拟。其中包括非线性应力-应变关系、瞬态固结、稳态流变、井点降水、土体液化分析、施工过程、岩土的应力-变形与稳定性、边坡应力及稳定性、边坡和硐室锚固效应分析、路基、底座、深基坑、桩等的承载能力与沉陷分析、土体与钢筋混凝土道路主体间的相互作用、锚固钢缆、 预应力钢筋、钢支撑、隧道加强筋等钢结构与岩土和混凝土在温度和外力作用下裂隙的分布与扩展过程模拟等。

通过CAE仿真技术的应用，基建行业也迎来了质的发展，也希望通过技术的不断发展和进步，能够在前期设计论证阶段就能筑起安全的第一道防线。