有限單元法在邊坡工程計算中的應(yīng)用

滑坡問題是危害非常大的自然災(zāi)害之一，滑坡的產(chǎn)生會阻礙交通、淤堵河道和毀壞村莊，對人民生活造成極大的危害，同時也會造成巨大的經(jīng)濟損失。工程中計算邊坡問題應(yīng)用最多的一種方法就是極限平衡法，尤其是極限平衡法中的條分法，但該方法在處理復(fù)雜邊界條件、影響因素較多時存在較多困難難以應(yīng)用。而有限單元法恰巧在這些方面具有很大的優(yōu)勢，隨著計算機技術(shù)以及有限元理論的的發(fā)展，有限單元法勢必成為邊坡工程計算的重要方法?；贏NSYS軟件的有限單元法分析邊坡問題具有計算效率高，成本低，計算精度高等優(yōu)勢，所以有限單元法關(guān)于邊坡問題的計算理論仍是目前研究的一個重要問題，隨著計算理論的不斷完善，有限單元法將是今后邊坡工程計算的一個重要發(fā)展方向。

引言

滑坡問題是危害非常大的自然災(zāi)害之一，滑坡的產(chǎn)生會阻礙交通、淤堵河道和毀壞村莊，對人民生活造成極大的危害，同時也會造成巨大的經(jīng)濟損失。邊坡問題的產(chǎn)生既有自然原因也有人為原因，自然原因主要有強降雨、颶風(fēng)、地震等等，在強降雨、颶風(fēng)和地震等惡劣自然條件下，會促使現(xiàn)有邊坡的運動從而形成滑坡，近些年出現(xiàn)過很多由于降雨和地震引起的滑坡的事件，如汶川地震、玉樹地震中產(chǎn)生的滑坡事件。人為原因主要是由于人類活動引起的，我國正處于社會發(fā)展建設(shè)的快速期，建設(shè)了大量的水利工程、礦山工程、地下工程和道路與橋梁工程，這些工程建設(shè)中不免要大量開挖土方、人工爆破等等，這些人類活動也會促使滑坡的產(chǎn)生。

邊坡工程的設(shè)計是邊坡工程的重要內(nèi)容，邊坡設(shè)計的合理性可以有效的防止邊坡產(chǎn)生滑坡。目前計算邊坡問題的方法有很多種，大致分為確定性方法和不確定方法兩類，每一類方法中又有很多種計算方法，大都由于計算理論復(fù)雜，工程人員難以掌握。其中工程中應(yīng)用最多的一種方法就是極限平衡法，尤其是極限平衡法中的條分法，在建筑行業(yè)設(shè)計規(guī)范中采用的就是這種方法，由于其計算原理簡單，計算參數(shù)少而被工程中廣泛使用，該方法在處理復(fù)雜邊界條件、影響因素較多時存在較多困難難以應(yīng)用。而有限單元法恰巧在這些方面具有很大的優(yōu)勢，隨著計算機技術(shù)以及有限元理論的的發(fā)展，有限單元法勢必成為邊坡工程計算的重要方法。本文將針對極限平衡法和有限單元法進行分析，探討有限單元法在邊坡工程計算中的應(yīng)用。

邊坡工程的計算方法

1.極限平衡法

極限平衡法是首先假設(shè)邊坡的破壞是滑動面滑動產(chǎn)生的，滑動面即是破壞面，所以滑動面上的土體服從破壞準(zhǔn)則，極限平衡法將滑動面作為隔離體進行研究其受力，計算滑動面發(fā)生破壞時的破壞荷載?；瑒用娴男螤羁梢允菆A弧，也可以是平面，也可以是不規(guī)則曲面，滑動面是圓弧的計算方法通常有瑞典圓弧法、瑞典條分法和Bishop法，滑動面為平面的計算方法通常有傳遞系數(shù)法，滑動面為不規(guī)則曲面的方法有Janbu法。

極限平衡法計算方法有十幾種之多，有些方法是將破壞土體作為隔離體進行受力分析，有些方法是把滑動面上土體分成若干個豎向土條，對其中任意土體進行受力分析，進而再結(jié)合滑動面以上土體進行整體分析，也就是條分法。取若干個滑動面用同樣的方法進行計算，最小破壞荷載就是邊坡的極限破壞荷載，其對應(yīng)的滑動面就是最危險滑動面。

極限平衡法實際計算時通常是先假定安全系數(shù)，將邊坡的計算參數(shù)除以安全系數(shù)作為計算參數(shù)使用，若滿足極限平衡條件，說假定的安全系數(shù)就是所求的安全系數(shù)。

極限平衡法是目前工程中使用非常廣泛的一種方法，在現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范中也是采用極限平衡法計算的，但該方法也存在較大的缺陷，首先極限平衡法通常是假設(shè)土體為剛塑體，而實際土體通常是彈塑性，其次，因為計算通常是先假設(shè)安全系數(shù)，所以對于邊坡滑動面上各點的安全系數(shù)是一樣的，而實際上每一點安全系數(shù)是有差別的，然后，由于極限平衡法計算的是土體破壞狀態(tài)，也即沒有辦法計算邊坡破壞的發(fā)展過程，最后，極限平衡法由于計算方法眾多，不同方法計算結(jié)果差別也比較大，實際問題中到底以那種計算結(jié)果為準(zhǔn)，與設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗關(guān)系很大。

2.有限單元法

有限單元法的基本思想是將所研究的問題離散化，通過對離散體中一個單元分析，然后再將每一個單元結(jié)合起來進行總體分析的一種數(shù)值計算方法。有限單元法在處理自由度多、邊界條件復(fù)雜、幾何形狀復(fù)雜等問題具有明顯的優(yōu)勢，尤其是隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，也促使有限單元法的快速發(fā)展。

結(jié)語

（1）工程中計算邊坡問題應(yīng)用最多的一種方法就是極限平衡法，尤其是極限平衡法中的條分法，但該方法在處理復(fù)雜邊界條件、影響因素較多時存在較多困難難以應(yīng)用。而有限單元法恰巧在這些方面具有很大的優(yōu)勢，隨著計算機技術(shù)以及有限元理論的的發(fā)展，有限單元法勢必成為邊坡工程計算的重要方法。

（2）基于ANSYS軟件的有限單元法分析邊坡問題具有計算效率高，成本低，計算精度高等優(yōu)勢，所以有限單元法關(guān)于邊坡問題的計算理論仍是目前研究的一個重要問題，隨著計算理論的不斷完善，有限單元法將是今后邊坡工程計算的一個重要發(fā)展方向。

（作者單位：機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司成都分公司）