探討邊坡穩(wěn)定性有限元分析的處理技巧

張曉勇

摘 要：本文從邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的角度著手，首先研究了有限元分析方法的基本原理，從理論層面介紹了邊坡結(jié)構(gòu)有限元分析的基本方法與特點，然后從施工角度圍繞邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題進行研究，總結(jié)了邊坡穩(wěn)定性的影響因素，提出了施工過程中邊坡穩(wěn)定性問題的處理技術(shù)要點，望能夠引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注與重視。

關(guān)鍵詞：邊坡；穩(wěn)定性；有限元

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.111

0 引言

對于我國而言，受到地質(zhì)條件復(fù)雜因素的影響，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生幾率高，所導(dǎo)致的經(jīng)濟損失是非常巨大的?，F(xiàn)階段，邊坡失穩(wěn)已經(jīng)發(fā)成成為僅次于地震的第二大地質(zhì)災(zāi)害。如何預(yù)先通過合理方法研究并判斷邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，已成為各行業(yè)領(lǐng)域人員高度重視的課題之一。目前針對邊坡穩(wěn)定性的分析方法包括定量、定性兩類。有限元分析法作為應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值定量分析方法之一，可以滿足靜力許可、應(yīng)變相容以及應(yīng)力-應(yīng)變作用間的本構(gòu)關(guān)系，故在近年來巖土工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析中應(yīng)用廣泛。

1 邊坡穩(wěn)定性有限元分析

有限元分析方法是指將待求解分析區(qū)域內(nèi)以及邊界面通過離散處理的方式形成有限個僅在節(jié)點部位聯(lián)系的單元以及子域，然后引入單元形函數(shù)作為試函數(shù)項，將單元節(jié)點未知量作為待定系數(shù)，經(jīng)計算得到加權(quán)殘數(shù)關(guān)系。在以有限元分析方法對巖土結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性問題進行研究的過程中，充分考慮了邊坡巖體結(jié)構(gòu)存在的非連續(xù)性以及非均質(zhì)性特點，能夠以量化數(shù)值的方式給出巖體結(jié)構(gòu)在應(yīng)力、應(yīng)變大小以及分布上的具體關(guān)系。相較于常規(guī)意義上的極限平衡分析方法而言，有限元分析方法從最先、最可能出現(xiàn)屈服破壞的部位以及最迫切需要進行加固處理的部位入手展開研究，能夠近似的從應(yīng)力-應(yīng)變角度研究邊坡結(jié)構(gòu)的變形破壞機理。但，在有關(guān)邊坡結(jié)構(gòu)位移不連續(xù)性問題的研究方面還存在一定局限性。

在對邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題進行有限元分析的過程中，為確保分析結(jié)果的可靠性，必須特別重視考慮以下幾個方面的問題：第一，邊坡結(jié)構(gòu)應(yīng)當為半無限體，且荷載以重力荷載為主；第二，在有限元分析過程中必須充分考慮對本構(gòu)關(guān)系的選擇問題，所選擇的本構(gòu)關(guān)系不但需要與待分析的邊坡坡面受力情況相符合，還需要以最簡化的方式反應(yīng)邊坡邊界受力情況。因此，結(jié)合當前實際經(jīng)驗，建議以ANSYS作為通用有限元計算軟件，在不同區(qū)域內(nèi)考慮邊坡具體特點選擇相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系，以實現(xiàn)對邊坡受力狀態(tài)的科學(xué)模擬。

結(jié)合既往研究來看，在貫通塑性區(qū)形成后，從宏觀角度上來看，邊坡位移不再收斂即變現(xiàn)為邊坡破壞。因此，有限元分析中需借助于彈塑性模型的方式進行研究，基于Drucker-Prager 準則進行屈服設(shè)定。在此基礎(chǔ)之上根據(jù)折減系數(shù)法對邊坡結(jié)構(gòu)安全性系數(shù)進行計算。將初始狀態(tài)下的折減系數(shù)設(shè)定為F，經(jīng)折減處理后邊坡結(jié)構(gòu)土體強度參數(shù)設(shè)置為，則有：

有限元分析時，首先需要確定邊坡初始狀態(tài)折減系數(shù)以及折減巖土體強度參數(shù)，然后輸入折減后參數(shù)進行有限元計算。當邊坡達到極限平衡狀態(tài)（即有限元分析過程中無收斂表現(xiàn)）時，將該狀態(tài)下的強度折減系數(shù)即可作為邊坡安全系數(shù)，同時將塑性區(qū)域設(shè)置為滑移面。

2 邊坡穩(wěn)定性施工的技術(shù)

2.1 邊坡穩(wěn)定性的影響因素

對于邊坡結(jié)構(gòu)而言，可能影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素主要包括以下幾個方面：第一是人為因素。人為因素對邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響是非常大的，如施加荷載方式不合理、過度山坡開挖、以及不恰當坡腳開挖等因素均可能對其穩(wěn)定性程度產(chǎn)生影響。第二是侵蝕風(fēng)化因素。受到客觀氣候條件影響，侵蝕量在不斷增加，對于邊坡巖體結(jié)構(gòu)而言勢必會產(chǎn)生一定程度上的侵蝕與風(fēng)化問題，降低巖體結(jié)構(gòu)強度，最終還會導(dǎo)致邊坡保護能力不足，影響其結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定性程度；第三是降水量因素。降水問題是導(dǎo)致邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要因素之一。受到高含水量的影響，部分邊坡結(jié)構(gòu)材料可能出現(xiàn)軟化問題，導(dǎo)致邊坡強度不足。尤其在部分地區(qū)，暴雨天氣較為頻繁，則非常容易造成公路邊坡坍塌問題的產(chǎn)生，若未采取有效的施工措施，不但影響了工程質(zhì)量，還會對造成不可預(yù)估的人身財產(chǎn)損失；第四是地質(zhì)構(gòu)造因素。地質(zhì)構(gòu)造問題對邊坡穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)在：若邊坡巖體結(jié)構(gòu)中存在非連續(xù)性結(jié)構(gòu)面，則大量小塊碎塊的產(chǎn)生會進一步降低邊坡巖體強度水平，若不及時加以控制可能導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)相互間出現(xiàn)滑動干擾，直接影響邊坡穩(wěn)定；第五是地形因素。邊坡結(jié)構(gòu)所涉及到的地形因素包括坡度、坡高、坡寬、以及坡向等。這些地形因素均會在一定程度上影響邊坡穩(wěn)定性，如通過誘發(fā)土壤侵蝕風(fēng)化的方式造成邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；第六是地質(zhì)材料因素。工程項目中邊坡結(jié)構(gòu)通常是由多種材料所構(gòu)成的，不同材料在基本性質(zhì)、膠結(jié)情況以及成巖時間方面均存在一定的差異性，進而導(dǎo)致邊坡結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的抗風(fēng)化能力、力學(xué)強度以及巖性特征發(fā)生較大的改變，若地質(zhì)材料性能不良則極有可能影響邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.2 邊坡穩(wěn)定性的處理技術(shù)

針對邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，除應(yīng)用有限元分析方法及時評估其穩(wěn)定性以外，還應(yīng)重視在施工過程中采取適當?shù)姆椒▽吰陆Y(jié)構(gòu)進行加固處理。如灰土處理法。即針對路基土較差的情況，可選用石灰作為軟土路基填料，以改善軟土路基性能，在20cm的下方對土壤重量8%的石灰加入進行處理，使其與石灰土路基要求相滿足且壓實平整之后， 即可將上面的40cm分為兩層，添加石灰以后開展分層壓實操作。 除此以外，還可通過袋裝砂井排水固結(jié)的方式改善邊坡結(jié)構(gòu)性能。合理選用有良好強度以及透水性的編織袋，根據(jù)工程施工現(xiàn)場中心放線情況，結(jié)合砂井間距參數(shù)，用標釬從砂井起點放出樁位線。在整平的土基上對一層厚度為30～50cm的砂墊層放出，并開展適量灑水碾壓，使其與壓實度要求相符。移動打樁設(shè)備開展打樁操作，將袋裝沉入管底后再將套管抽出，移動打樁設(shè)備開展袋裝砂井的繼續(xù)打設(shè)。除此以外，塑料樁排水固結(jié)、粒料加固以及混合加固等相關(guān)方法均能夠應(yīng)用于工程實踐中，以進一步改善邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與可靠性水平。

3 結(jié)束語

當前工程項目建設(shè)施工中的施工工藝日益復(fù)雜，對施工環(huán)境的要求高，技術(shù)難度也在不斷增加?；碌鹊刭|(zhì)問題的產(chǎn)生會在很大程度上影響工程項目的整體質(zhì)量水平，必須引起業(yè)內(nèi)人士的高度重視。邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)作為滑坡等地質(zhì)問題重要的產(chǎn)生因素之一，可嘗試應(yīng)用有限元分析方法進行評估，并基于對邊坡穩(wěn)定性影響因素的識別與分析，在施工期間采取相應(yīng)的處理技術(shù)，以達到鞏固邊坡結(jié)構(gòu)質(zhì)量水平的目的。

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