基于有限元模擬的地災監測技術分析

（中國建筑土木建設有限公司，北京市，10071） 郭 達 黃紀祥 王 剛 鄭 華

（河北建設集團股份有限公司，河北保定市，071051） 王 震

高陡邊坡地災是指由于各種原因而導致高陡邊坡發生的地質災害，如滑坡、崩塌、泥石流等。高陡邊坡地災對于工程建設和人類生命財產安全具有嚴重威脅，因此，開展高陡邊坡地災監測工作具有十分重要的意義。有限元分析技術是目前應用較為廣泛的地質災害監測技術之一，其具有分析精度高、實時性好、監測范圍廣等優點，在高陡邊坡地災監測中得到廣泛應用[1]。

1 國內外研究現狀

近年來，國內外研究者在高陡邊坡地災監測有限元分析技術方面進行了大量研究。國內研究者主要關注高陡邊坡地災監測的實用性和適用性，嘗試將有限元分析技術應用于工程實際中，如滑坡形成機理、巖土力學特性、地下水滲流等方面的研究。國外研究者則更加注重技術創新和研究方法的完善，如有限元模型的建立和驗證、參數識別和災害模擬等方面的研究[2]。

2 有限元分析技術在高陡邊坡地災監測中的原理和方法

2.1 有限元分析技術原理

有限元分析技術是一種基于數學模型的分析方法，通過將有限體積的連續體分割為有限個小單元，將連續體的物理問題轉化為小單元的物理問題，最終通過組裝小單元的結果得到整個連續體的結果。該方法可以對復雜結構的力學問題進行分析和計算，常用于工程設計和科學研究中。

2.1.1 建立有限元模型

有限元模型是對實際結構的抽象和簡化，包括幾何模型和材料模型。幾何模型通常采用CAD 軟件進行建模，將結構劃分為若干有限元單元。材料模型是對結構材料的本構關系進行數學描述，通常采用材料試驗數據進行擬合得到。

2.1.2 確定邊界條件和加載條件

邊界條件和加載條件是指對模型所施加的約束和載荷。在有限元分析中，邊界條件和加載條件的正確設定對結果的精度和可靠性具有重要影響。

2.1.3 求解有限元方程

通過將有限元模型分割為若干個小單元，建立相應的數學方程組，并通過求解數學方程組得到每個單元的位移、應力、應變等物理量。最終，通過組裝所有單元的結果得到整體的位移、應力、應變等物理量。

2.2 有限元分析在高陡邊坡地災監測中的應用

2.2.1 邊坡穩定性分析

有限元分析可以通過建立邊坡的有限元模型，對邊坡的穩定性進行分析。通過分析邊坡的位移和應力分布，可以預測邊坡的破壞模式和破壞時間，為邊坡的監測和管理提供參考依據。

2.2.2 變形特征分析

有限元分析可以對邊坡的變形特征進行分析，包括位移、形變等。通過對邊坡變形的監測和分析，可以預測邊坡的變形趨勢和變形量，為邊坡穩定性評估和防治提供重要依據。

在有限元分析中，可以通過建立邊坡的三維有限元模型，對其進行靜力分析和動力分析，分析邊坡在各種外力和內力作用下的變形情況，得出邊坡在不同情況下的穩定性情況。同時，還可以進行敏感性分析，確定各參數對邊坡穩定性的影響大小，為邊坡設計提供參考[4]。

在有限元分析中，還可以進行動態變形分析和地震響應分析[5]。動態變形分析是指在邊坡受到動態荷載作用下的變形分析，可以分析邊坡的應力波傳播和反射規律，得出邊坡的破壞模式和破壞形態，為邊坡的防治提供參考。地震響應分析是指在地震作用下邊坡的變形特征分析，可以評估邊坡在地震作用下的穩定性和破壞機制，為邊坡的防治提供參考。

2.3 有限元分析在高陡邊坡地災監測中使用步驟

2.3.1 建立幾何模型

根據實際情況，建立幾何模型，包括邊坡的各項實際參數。一般采用AutoCAD 等計算機輔助設計軟件建立幾何模型。

2.3.2 確定邊界條件和材料參數

確定邊坡的固結邊界和自由邊界。根據實際情況，可以選擇邊坡上、下兩個邊界為固結邊界，其余邊界為自由邊界[6]。選擇合適的邊坡材料參數，包括土的抗剪強度、彈性模量、泊松比等。

2.3.3 網格劃分和建立模型

將邊坡模型離散成有限個小單元，通過有限元離散方法對模型進行網格劃分，劃分后的小單元為模型中的有限元。在建立有限元模型的過程中，需要考慮計算的準確性和計算效率的平衡。

2.3.4 定義加載、進行模擬

根據實際情況，定義外部荷載和邊界條件。然后在有限元模擬軟件中進行模擬計算。通過計算，得到模型的應力、應變和變形等參數以及模型的穩定性分析結果。

2.3.5 結果分析

對模擬結果進行分析，評估邊坡的穩定性，預測可能出現的地質災害類型和規模并進行對策制定。

3 結語

有限元分析技術在高陡邊坡地災監測中具有重要的應用價值。通過有限元分析技術可以對邊坡的穩定性進行分析和預測，為工程建設和人類生命財產安全提供可靠的保障。同時由于邊坡的復雜性和非線性問題，有限元分析技術仍然存在一些局限性和不足，如需要大量的計算和數據處理以及參數的選擇和模型的準確性等問題[7]。因此在實際應用過程中，需要結合實際情況和工程要求合理選擇有限元分析技術，并加強對技術的優化和創新，提高技術的可靠性和實用性。