邊坡條件下倉(cāng)儲(chǔ)建設(shè)安全可靠性研究

文/朱建疆

邊坡條件下倉(cāng)儲(chǔ)建設(shè)安全可靠性研究

文/朱建疆

隨著軍事斗爭(zhēng)準(zhǔn)備的不斷推進(jìn)和我軍信息化技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，后勤倉(cāng)儲(chǔ)建設(shè)的重要性日益凸顯。但是，我國(guó)幅員遼闊，自然災(zāi)害頻發(fā)，尤其西部山地條件下，倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房的建設(shè)面臨諸多困難和挑戰(zhàn)。如何利用現(xiàn)有技術(shù)力量，對(duì)坡地區(qū)域倉(cāng)儲(chǔ)建設(shè)進(jìn)行安全評(píng)估，顯得尤為重要。針對(duì)此，本文結(jié)合有限元方法和可靠性分析法分析了邊坡條件下倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全可靠性問題，并將這一過程在數(shù)值計(jì)算程序中得以實(shí)現(xiàn)。該法顯著區(qū)別于一般方法，能較全面反映坡地整體現(xiàn)狀特征及其變異性，所得結(jié)果相對(duì)更加合理且更符合工程實(shí)際。

邊坡；倉(cāng)儲(chǔ)；安全；可靠性

1.引言

軍用倉(cāng)庫(kù)，主要擔(dān)負(fù)軍用物資的接收、保管、維護(hù)和分發(fā)等任務(wù)。在我軍后勤保障中處于重要地位。由于我國(guó)地理?xiàng)l件復(fù)雜，很多倉(cāng)庫(kù)選址位于山區(qū)丘陵地帶，邊坡工程問題非常普遍。同時(shí)。我國(guó)是亞洲，乃至世界上滑坡災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，已受到滑坡和潛在滑坡災(zāi)害威脅的地區(qū)約占全國(guó)陸地面積的1/5至1/4，特別是20世紀(jì)80年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)、城市化進(jìn)程的加快以及自然因素的影響，滑坡災(zāi)害問題日益突出?；聻?zāi)害不僅給人類的生命帶來嚴(yán)重威脅，而且還摧毀工廠、礦山，并嚴(yán)重影響鐵路、公路及水電站等重要基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)環(huán)境、資源、財(cái)產(chǎn)等造成破壞，尤其在人口稠密地區(qū)，一旦發(fā)生滑坡災(zāi)害，后果不堪設(shè)想。

鑒于上述原因，運(yùn)用更加科學(xué)合理且簡(jiǎn)單有效的分析研究方法對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，是眾多工程研究人員的追求及目標(biāo)。經(jīng)過多年的發(fā)展，這一努力表現(xiàn)為了諸多領(lǐng)域的研究成果，包括邊坡穩(wěn)定分析理論和方法、滑坡治理技術(shù)和滑坡預(yù)報(bào)、邊坡穩(wěn)定分析理論體系的形成等等。然而遺憾的是，目前被廣泛采用的邊坡穩(wěn)定性分析方法是一種定值方法，也就是說該方法將影響邊坡穩(wěn)定性的一切因素看作是確定性的，一成不變的，這恰恰與現(xiàn)實(shí)狀況不相符合。用此種方法來進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的后果只能是低估了邊坡發(fā)生失穩(wěn)的概率。這就可以解釋為什么有些邊坡在常規(guī)穩(wěn)定性分析后得出的結(jié)果，其安全系數(shù)是符合穩(wěn)定狀態(tài)的，但實(shí)際上邊坡卻出現(xiàn)了破壞乃至失穩(wěn)的情況。所以經(jīng)過眾多學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際巖土工程中，除了確定性的影響因素外，還有大量不確定性的影響因素不為人們所明了，比如物理不確定性，它包括結(jié)構(gòu)所受荷載值、巖土體強(qiáng)度、外觀幾何尺寸等等；模型不確定性，它包括為便于分析研究目標(biāo)的主要矛盾而進(jìn)行的簡(jiǎn)化假設(shè)等；另外研究人員涉及最多的應(yīng)該是統(tǒng)計(jì)上的不確定性，它包括巖土結(jié)構(gòu)參數(shù)、內(nèi)部參數(shù)等的概率分布類型的模糊性以及統(tǒng)計(jì)過程中所用方法的近似性。這些眾多不確定性限于人力、資源、時(shí)間以及現(xiàn)條件的影響，無法一一得到詳細(xì)地研究與明晰，大多只能做近似模糊處理，但依然有很多因素是無法忽視的。就邊坡問題來說，其土層分類與邊界條件問題、土性參數(shù)指標(biāo)的確定、巖土體材料自有的可變性、室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)勘察的誤差、荷載的大小與分布、試驗(yàn)樣本數(shù)量的大小，實(shí)際工程外觀的表述等等，這些足以對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析的結(jié)果帶來嚴(yán)重影響。

可見，在邊坡穩(wěn)定性分析的同時(shí)，加入可靠度分析是十分必要且迫切的。

2.有限元分析與可靠度分析

2.1有限元分析

有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。有限元計(jì)算巖土工程問題有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）不論對(duì)于何種復(fù)雜的地質(zhì)地貌、環(huán)境特征、受力特點(diǎn)的巖土工程，有限元都可以十分近似地模擬，取得令人滿意的精確度。

（2）可以模擬巖土體材料中各種復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系、力學(xué)特征，并可詳盡地觀察和了解土體受力過程中的應(yīng)力應(yīng)變特征。

（3）可以輕松模擬巖土工程施工過程、工況變化、荷載變化等情況，包括滲流、地震、開挖以及加卸載對(duì)巖土體的影響。

（4）可視化功能非常強(qiáng)大，可以迅速將計(jì)算結(jié)果圖形化，得到巖土體破壞模式、破壞位置，并為后續(xù)工程處理措施的提出打下良好基礎(chǔ)。

2.2可靠度分析

工程結(jié)構(gòu)可靠性，是指在規(guī)定時(shí)間和條件下，工程結(jié)構(gòu)具有的滿足預(yù)期的安全性、適用性和耐久性等功能的能力。由于影響可靠性的各種因素存在著不定性，如荷載、材料性能等的變異，計(jì)算模型的不完善，制作質(zhì)量的差異等，而且這些影響因素是隨機(jī)的，因而工程結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的能力只能用概率度量。結(jié)構(gòu)能夠完成預(yù)定功能的概率，稱為可靠概率；結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率，稱為失效概率。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的，就是力求最佳的經(jīng)濟(jì)效益，將失效概率限制在人們實(shí)踐所能接受的適當(dāng)程度上。失效概率愈小，可靠度愈大，兩者是互補(bǔ)的。

實(shí)際工程中，巖土體材料強(qiáng)度參數(shù)常常表現(xiàn)出固有的空間變異性和隨機(jī)性，這時(shí)屈服判斷的依據(jù)不應(yīng)是屈服函數(shù)本身的數(shù)值大小，而是這一屈服函數(shù)達(dá)到屈服極限狀態(tài)的可能性大小，即屈服概率的大小。

3.分析關(guān)鍵步驟

3.1模擬條件選取

（1）考慮到本文計(jì)算中的巖土工程類型和巖土的種類，以及計(jì)算過程中的精度控制要求，這里選取理想彈塑性本構(gòu)模型作為本文土體的本構(gòu)模型。目前大多計(jì)算時(shí)碰到的巖土工程實(shí)例，計(jì)算量控制主要集中在剪切破壞，所以在塑性區(qū)分布和大小方面就對(duì)計(jì)算精度提出了較高的要求，而位移問題則退居其次的位置。理想彈塑性模型正好滿足這一特征。

（2）目前數(shù)值計(jì)算中常用的屈服準(zhǔn)則是由德魯克-普拉格提出來的，所以簡(jiǎn)稱為D-P準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則的幾何意義表現(xiàn)在π平面上是圓形的，且其屈服面呈圓錐形狀。因其計(jì)算時(shí)的高效性，被普遍數(shù)值軟件所采用。

3.2有限元建模

（1）單元的選取與計(jì)算精度、計(jì)算時(shí)間以及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有著密不可分的關(guān)系。單元結(jié)點(diǎn)越多，計(jì)算精度越高，但同時(shí)自由度也越多，需要輸入的數(shù)據(jù)越多，數(shù)學(xué)計(jì)算中的矩陣方程增加明顯，有限元程序計(jì)算所耗的時(shí)間成倍增加。所以，單元的類型應(yīng)理性選擇，同時(shí)也要兼顧實(shí)際需求。

（2）本文主要目的是研究巖土體的極限破壞模式和其破壞狀態(tài)時(shí)的安全系數(shù)，所以強(qiáng)度問題就是本文中巖土工程體模擬的重點(diǎn)所在。由此，巖土材料選擇理想彈塑性模型，參數(shù)包括：土體重度、土體彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角和黏聚力。需要注意的是，這些材料參數(shù)在輸入時(shí)一定要注意其單位制的一致性，本文中全部采用國(guó)際單位制。

（3）巖土體的幾何圖形繪制時(shí)要注意幾個(gè)方面：一是幾何外貌盡量符合現(xiàn)狀，但也不必細(xì)致入微。抓住巖土體的重要特征和關(guān)鍵點(diǎn)即可滿足精度要求。其次，幾何尺寸大小控制要得當(dāng)，比例尺選擇合理。這樣建立起來的模型成像效果才會(huì)良好，并且在后處理時(shí)會(huì)方便操作。

圖1 邊坡有限元模型

表1 材料輸入?yún)?shù)

表2 變量輸入?yún)?shù)

4.算例分析

假定邊坡為非線性彈塑性體，采用D-P彈塑性模型。坡高15m，坡寬30m，其基本物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。變量輸入?yún)?shù)見表2.

計(jì)算結(jié)果顯示，該邊坡安全系數(shù)1.23，失穩(wěn)概率13.8%，需要進(jìn)行加固。

5.結(jié)論

將有限元方法和可靠性分析法結(jié)合，用于山地邊坡穩(wěn)定性可靠度分析，可較全面地反映邊坡巖土體材料強(qiáng)度參數(shù)的變異性，避免不必要的設(shè)計(jì)浪費(fèi)和不足，為邊坡地區(qū)倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房設(shè)計(jì)和研究提供了一條新的有效途徑。

（作者單位： 69006部隊(duì)）

［1］陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析－原理、方法、程序［M］.中國(guó)水利水電出版社.2003.

［2］朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社.2009.

［3］趙國(guó)藩.工程結(jié)構(gòu)可靠性理論與應(yīng)用.［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社.1996.

［4］李權(quán).ANSYS在土木工程中的應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［5］高慶華，聶高眾，張業(yè)成等.中國(guó)減災(zāi)需求與綜合減災(zāi)——《國(guó)家綜合減災(zāi)“十一五”規(guī)劃》相關(guān)重大問題研究［M］.北京：氣象出版社，2007.

★簡(jiǎn)訊★

2016物流地產(chǎn)峰會(huì) 物流地產(chǎn)資本化運(yùn)作將成為趨勢(shì)

本刊訊 9月14日，由必維國(guó)際檢驗(yàn)集團(tuán)主辦蘇寧銀河物業(yè)協(xié)辦的“2016物流地產(chǎn)峰會(huì)”在南京隆重召開。

本次峰會(huì)的主題為“物聯(lián)網(wǎng)+下的QHSE的思考”。目前物流市場(chǎng)已在中國(guó)大規(guī)模展開，截至2015年全國(guó)累積物流“圈地”達(dá)到48.5億平方億米，形成了一個(gè)主要覆蓋物流樞紐、工業(yè)園區(qū)和城市配送中心等戰(zhàn)略接點(diǎn)的高效物流網(wǎng)絡(luò)。在電子商務(wù)“重資產(chǎn)”的商業(yè)模式下，如何提升物流資產(chǎn)價(jià)值，成為了物流業(yè)主從粗放開發(fā)到精細(xì)發(fā)展所關(guān)心的話題。本次峰會(huì)從政府機(jī)構(gòu)、投資方、開發(fā)商、設(shè)計(jì)方、項(xiàng)目管理方、咨詢方等多維角度共討物流地產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和最佳實(shí)踐方案。

必維建筑工程與基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部大中華區(qū)總監(jiān)莊賀銘致會(huì)議歡迎辭。必維集團(tuán)作為法國(guó)老牌工程技術(shù)顧問機(jī)構(gòu)，特邀了物流產(chǎn)業(yè)鏈的多方代表，從不同維度來分享最佳實(shí)踐案例。中國(guó)倉(cāng)儲(chǔ)與配送協(xié)會(huì)、江蘇省建設(shè)集團(tuán)有限公司、南通四建集團(tuán)有限公司、英國(guó)皇家特許測(cè)量師協(xié)會(huì)、戴德梁行、蘇寧銀河物業(yè)管理有限公司的相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及企業(yè)代表、專家學(xué)者等出席了本次會(huì)議。發(fā)言內(nèi)容涵蓋了協(xié)會(huì)的政策面分析、研究機(jī)構(gòu)最新的趨勢(shì)分析、投資方/開發(fā)商以及新建方/運(yùn)營(yíng)方的各抒己見。（王悅）