有限元強(qiáng)度折減法在巖土工程中的應(yīng)用

畢春福

[摘要]文章分析了有限元強(qiáng)度折減法在巖土工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，探析了有限元強(qiáng)度折減法在巖土工程中的應(yīng)用，旨在為巖土工程相關(guān)工作人員提供一定的參考。

[關(guān)鍵詞]有限元強(qiáng)度折減法 巖土工程 應(yīng)用

[中圖分類(lèi)號(hào)] F407.1 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-9-377-1

1前言

英國(guó)科學(xué)家Zienkiewicz提出了用降低巖土強(qiáng)度或者增加外荷載，進(jìn)行巖土工程安全系數(shù)的計(jì)算，該種方法被看做為巖土工程極限分析有限元法的雛形。有限元強(qiáng)度折減法是極限分析有限元法最常用的方法之一，并且經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐應(yīng)用獲得了非常好的應(yīng)用成果。因此，文章針對(duì)有限元強(qiáng)度折減法在巖土工程中應(yīng)用的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2有限元強(qiáng)度折減法在巖土工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

（1）考慮周全。有限元強(qiáng)度折減法在巖土工程中的應(yīng)用，考慮問(wèn)題比較周全，尤其是在細(xì)節(jié)方面，能夠更加接近實(shí)際狀況，在進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，計(jì)算數(shù)值越接近實(shí)際狀況，其價(jià)值越高，能夠有效的降低計(jì)算誤差。正是由于有限元折減法的這點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，接近實(shí)際狀況的計(jì)算方法，越來(lái)越被巖土工作者所青睞。

（2）適應(yīng)性強(qiáng)。 我國(guó)幅員遼闊，涉及的地形包括高原、高山、山丘、平原等，一些巖土工程的測(cè)量工作會(huì)涉及到多種地形，如果采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行計(jì)算，不僅會(huì)增加工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還會(huì)影響計(jì)算的精度，通過(guò)將有限元強(qiáng)度折減法應(yīng)用在巖土工程測(cè)量中，通過(guò)分析相關(guān)地形，描述該地區(qū)地形的范圍，以此評(píng)估相關(guān)地形的穩(wěn)定性，無(wú)論施工現(xiàn)場(chǎng)的地形如何復(fù)雜，氣候條件多惡劣，工作人員都可以在實(shí)驗(yàn)室中輕松的測(cè)量。有限元強(qiáng)度折減法還有一個(gè)好處就是化整體為部分、化大為小，這樣能夠有效的降低工作人員的工作壓力，降低計(jì)算過(guò)程中誤差。

（3）準(zhǔn)確性高。國(guó)內(nèi)巖土工程企業(yè)非常多，如果工程測(cè)量和計(jì)算的準(zhǔn)確性較低，將會(huì)影響巖土工程企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。準(zhǔn)確度是巖土工程測(cè)量中的必備條件，通過(guò)實(shí)踐證明，有限元強(qiáng)度折減法在巖土工程測(cè)量中的應(yīng)用，其結(jié)算結(jié)果比其他公式計(jì)算的結(jié)果更加準(zhǔn)確，避免了其他公式就是你誤差導(dǎo)致的誤判，甚至導(dǎo)致地質(zhì)變軟以及工程坍塌等。正是由于有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算的高準(zhǔn)確性，致使其成為許多巖土工作者的首選。

3有限元強(qiáng)度折減法在巖土工程中的應(yīng)用分析

（1）有限元強(qiáng)度折減法的原理分析。在有限元強(qiáng)度折減法中邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的定義為：當(dāng)巖土邊坡剛好達(dá)到破壞臨界點(diǎn)時(shí)，對(duì)巖土的剪切強(qiáng)度的折減程度，穩(wěn)定安全系數(shù)的公式表示為：Ct=■（公式1）；φt=■（公式2），公式中，F(xiàn)t表示折減系數(shù)；φ表示巖土體的內(nèi)摩擦角；c表示巖土體的粘聚力；φt表示折減后的內(nèi)摩擦角；ct表示折減后的粘聚力。因此，有限元強(qiáng)度折減法在巖土工程中應(yīng)用的要點(diǎn)在于利用公式調(diào)整巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)φ值與c值，然后分析巖土體數(shù)值，反復(fù)的增加折減系數(shù)Ft，不斷的分析計(jì)算，直至巖土體達(dá)到臨界破壞狀態(tài)位置，此時(shí)計(jì)算獲得的折減系數(shù)即為巖土體的穩(wěn)定安全系數(shù)。

（2）巖土被破壞的依據(jù)。當(dāng)巖土失去穩(wěn)定性后將會(huì)被破壞，導(dǎo)致巖土出現(xiàn)坍塌或者滑坡等，這就表明巖土由原來(lái)的靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于巖土形態(tài)的改變，會(huì)形成巨大的變形或者位移，破壞巖土特征。有限元強(qiáng)度折減法在巖土工程中的應(yīng)用，通過(guò)利用強(qiáng)度的折減能夠讓巖土靜止形態(tài)最大限度的轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)形態(tài)，通過(guò)計(jì)算能夠獲得巖土被破壞的最大極限。當(dāng)巖土達(dá)到最大限度破壞狀態(tài)時(shí)，巖土坍塌面的塑性應(yīng)變以及產(chǎn)生的位移都會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的變化，這種巖土塑性變化、巖土坍塌面改變的最小值、最大值將會(huì)成為一個(gè)變值，強(qiáng)度狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)、靜力狀態(tài)等都不可能在有限元程序或者有限元方程式中獲得固定的答案，該種狀況下，無(wú)論是坍塌面位移的標(biāo)準(zhǔn)，還是受力分析的觀點(diǎn)都不能夠進(jìn)行保守計(jì)算，而是應(yīng)該在計(jì)算的過(guò)程中充分的考慮巖土邊坡的塑性區(qū)域。從理論上來(lái)說(shuō)，巖土由上到下的貫通并不會(huì)導(dǎo)致巖土的破壞，塑性區(qū)域由上到下的貫通是巖土邊坡被破壞的關(guān)鍵因素之一，但是并不是充分的條件或者絕對(duì)的條件，還應(yīng)該分析邊坡或者巖土坍塌的面積。通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法法的有限元程序能夠計(jì)算出塑性突變的位移突變，以此獲得巖土塑性和巖土坍塌面上的最小值與最大值。由此可見(jiàn)，有限元方程是否能夠獲得固定數(shù)值，可以作為判斷巖土邊坡貫通或者破壞的可靠依據(jù)。

（3）選取計(jì)算參數(shù)。有限元強(qiáng)度折減法在巖土工程中應(yīng)用的關(guān)鍵在于計(jì)算參數(shù)的選取，計(jì)算參數(shù)的選取對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響非常重要。根據(jù)相關(guān)研究表明，有限元強(qiáng)度折減法在進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算的過(guò)程中，除了粘聚力、內(nèi)摩擦角、坡角以及坡高等影響因素外，還有其他的計(jì)算參數(shù)對(duì)結(jié)算結(jié)果造成影響。但是，從巖土工程的整體狀況來(lái)說(shuō)，粘聚力以及內(nèi)摩擦角是巖土工程安全系數(shù)的關(guān)鍵。兩種典型的巖土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，其中曲線①為理想狀態(tài)下的彈塑性模型；曲線②為密砂或者超固結(jié)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線；曲線③為松砂或者正常固結(jié)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。通常狀況下，會(huì)對(duì)曲線②、曲線③與曲線①節(jié)能型比較分析，但是強(qiáng)度指標(biāo)的選取是一個(gè)難題，原因表現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，實(shí)際滑坡巖土或者邊坡處于何種應(yīng)力狀態(tài)難以確定；其二，其中曲線②的峰值強(qiáng)度包線計(jì)算得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比較準(zhǔn)確，然而曲線③峰值強(qiáng)度包線計(jì)算獲得的抗剪前度指標(biāo)在實(shí)際中難以接受。因此，在進(jìn)行抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)的選取時(shí)，應(yīng)該全面的分析所需要的工作應(yīng)力條件以及巖土體所處的應(yīng)力狀態(tài)。

4結(jié)束語(yǔ)

總而言之，有限元強(qiáng)度折減法其在巖土工程中的應(yīng)用，具有考慮周全、適應(yīng)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高等眾多優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的滿足巖土工程的測(cè)量需求，致使其被廣泛的推廣和應(yīng)用在巖土工程中。同時(shí)，考慮到有限元強(qiáng)度折減法對(duì)軟件條件的要求相對(duì)較高，自主創(chuàng)新和研發(fā)相應(yīng)軟件成為有限元強(qiáng)度折減法發(fā)展的主要方向。

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