探討邊坡穩定性有限元分析的處理技巧

張曉勇

摘 要：本文從邊坡結構穩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構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構穩定性問題進行研究，總結了邊坡穩定性的影響因素，提出了施工過程中邊坡穩定性問題的處理技術要點，望能夠引起業內人士的關注與重視。

關鍵詞：邊坡；穩定性；有限元

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

0 引言

對于我國而言，受到地質條件復雜因素的影響，滑坡等地質災害發生幾率高，所導致的經濟損失是非常巨大的。現階段，邊坡失穩已經發成成為僅次于地震的第二大地質災害。如何預先通過合理方法研究并判斷邊坡結構穩定性，已成為各行業領域人員高度重視的課題之一。目前針對邊坡穩定性的分析方法包括定量、定性兩類。有限元分析法作為應用最為廣泛的數值定量分析方法之一，可以滿足靜力許可、應變相容以及應力-應變作用間的本構關系，故在近年來巖土工程結構穩定性分析中應用廣泛。

1 邊坡穩定性有限元分析

有限元分析方法是指將待求解分析區域內以及邊界面通過離散處理的方式形成有限個僅在節點部位聯系的單元以及子域，然后引入單元形函數作為試函數項，將單元節點未知量作為待定系數，經計算得到加權殘數關系。在以有限元分析方法對巖土結構邊坡穩定性問題進行研究的過程中，充分考慮了邊坡巖體結構存在的非連續性以及非均質性特點，能夠以量化數值的方式給出巖體結構在應力、應變大小以及分布上的具體關系。相較于常規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，能夠近似的從應力-應變角度研究邊坡結構的變形破壞機理。但，在有關邊坡結構位移不連續性問題的研究方面還存在一定局限性。

在對邊坡結構穩定性問題進行有限元分析的過程中，為確保分析結果的可靠性，必須特別重視考慮以下幾個方面的問題：第一，邊坡結構應當為半無限體，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關系的選擇問題，所選擇的本構關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邊坡邊界受力情況。因此，結合當前實際經驗，建議以ANSYS作為通用有限元計算軟件，在不同區域內考慮邊坡具體特點選擇相應的本構關系，以實現對邊坡受力狀態的科學模擬。

結合既往研究來看，在貫通塑性區形成后，從宏觀角度上來看，邊坡位移不再收斂即變現為邊坡破壞。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 準則進行屈服設定。在此基礎之上根據折減系數法對邊坡結構安全性系數進行計算。將初始狀態下的折減系數設定為F，經折減處理后邊坡結構土體強度參數設置為，則有：

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

2 邊坡穩定性施工的技術

2.1 邊坡穩定性的影響因素

對于邊坡結構而言，可能影響其結構穩定性因素主要包括以下幾個方面：第一是人為因素。人為因素對邊坡結構穩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定性程度產生影響。第二是侵蝕風化因素。受到客觀氣候條件影響，侵蝕量在不斷增加，對于邊坡巖體結構而言勢必會產生一定程度上的侵蝕與風化問題，降低巖體結構強度，最終還會導致邊坡保護能力不足，影響其結構安全與穩定性程度；第三是降水量因素。降水問題是導致邊坡結構失穩的主要因素之一。受到高含水量的影響，部分邊坡結構材料可能出現軟化問題，導致邊坡強度不足。尤其在部分地區，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生，若未采取有效的施工措施，不但影響了工程質量，還會對造成不可預估的人身財產損失；第四是地質構造因素。地質構造問題對邊坡穩定性的影響表現在：若邊坡巖體結構中存在非連續性結構面，則大量小塊碎塊的產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致巖體結構相互間出現滑動干擾，直接影響邊坡穩定；第五是地形因素。邊坡結構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定性，如通過誘發土壤侵蝕風化的方式造成邊坡結構失穩；第六是地質材料因素。工程項目中邊坡結構通常是由多種材料所構成的，不同材料在基本性質、膠結情況以及成巖時間方面均存在一定的差異性，進而導致邊坡結構所表現出的抗風化能力、力學強度以及巖性特征發生較大的改變，若地質材料性能不良則極有可能影響邊坡結構穩定性。

2.2 邊坡穩定性的處理技術

針對邊坡結構失穩問題，除應用有限元分析方法及時評估其穩定性以外，還應重視在施工過程中采取適當的方法對邊坡結構進行加固處理。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的方式改善邊坡結構性能。合理選用有良好強度以及透水性的編織袋，根據工程施工現場中心放線情況，結合砂井間距參數，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，移動打樁設備開展袋裝砂井的繼續打設。除此以外，塑料樁排水固結、粒料加固以及混合加固等相關方法均能夠應用于工程實踐中，以進一步改善邊坡結構穩定性與可靠性水平。

3 結束語

當前工程項目建設施工中的施工工藝日益復雜，對施工環境的要求高，技術難度也在不斷增加。滑坡等地質問題的產生會在很大程度上影響工程項目的整體質量水平，必須引起業內人士的高度重視。邊坡結構失穩作為滑坡等地質問題重要的產生因素之一，可嘗試應用有限元分析方法進行評估，并基于對邊坡穩定性影響因素的識別與分析，在施工期間采取相應的處理技術，以達到鞏固邊坡結構質量水平的目的。

參考文獻：

[1]曾舜，歐湘萍.邊坡有限元分析的工程應用[J].中國水運（學術版），2006（08）：68-69.

[2]王新龍，潘旦光，吳順川.強度折減法在土質邊坡有限元分析中的應用[J].路基工程，2014（04）：98-101，107.

[3]鐘毅，許超，劉露等.加筋高邊坡有限元分析[J].建筑工程技術與設計，2015（11）：1755-1756.

[4]卞可，俞順，呂軍等.膨脹土渠道邊坡有限元分析[J].水利科技與經濟，2009（06）：515-516.

[5]候玲，薛海斌，周澤華等.基于ABAQUS二次開發平臺的邊坡有限元強度折減法研究[J].西安理工大學學報，2016（04）：449-454，499.