摘 要：針對(duì)單向形式的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)受限的問(wèn)題，本文提出了多階邊坡穩(wěn)定性數(shù)值網(wǎng)格模擬結(jié)構(gòu)。首先，采集巖土工程基礎(chǔ)模擬數(shù)據(jù)，并為折減系數(shù)賦值。其次，采用多階方式打破覆蓋范圍限制，并設(shè)計(jì)三維有限元邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模型。最后，使用FLAC輔助處理實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬。通過(guò)實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，在6個(gè)測(cè)試區(qū)域中，將回彈次數(shù)控制在5次以下，驗(yàn)證了該方法的針對(duì)性與穩(wěn)定性，表明獲取的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果真實(shí)可靠，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：巖土工程；邊坡測(cè)定；穩(wěn)定性分析；數(shù)值模擬；模擬分析；環(huán)境比對(duì)

中圖分類號(hào)：P 642" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

巖土工程邊坡穩(wěn)定性控制是保障工程建設(shè)安全的關(guān)鍵因素之一，針對(duì)公路、鐵路、水利、礦山等的措施以及處理方法不同[1]。一般是通過(guò)數(shù)值模擬的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性，方法多為單向形式，雖然可以達(dá)到預(yù)期的模擬處理任務(wù)及目標(biāo)，但是較容易受到外部環(huán)境及特定因素的影響，導(dǎo)致最終結(jié)果出現(xiàn)誤差，與初始設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)[2]。因此為解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出對(duì)巖土工程邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬進(jìn)行分析和研究。

1 工程概況

本研究對(duì)D大橋邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值模擬。該邊坡為一座主塔位工程，主跨跨度為1550m，懸索橋狀態(tài)。主塔總高度為120m，寬度為60.5m，位置在海中小山島上。地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，周圍四面臨空且受多條斷層和構(gòu)造裂隙的影響，山島完整性較差。這種狀態(tài)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性不達(dá)標(biāo)，不僅與天然條件有關(guān)，也受到超標(biāo)荷載的影響，給邊坡加固工作帶來(lái)巨大壓力。該區(qū)域由酸性流紋斑巖和第四紀(jì)松散堆積層組成，山頂厚度較大，四周邊坡多為裸露基巖，存在較大的斷裂構(gòu)造。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，D工程的西南側(cè)邊坡最容易發(fā)生大規(guī)模失穩(wěn)，其他區(qū)域僅范圍變動(dòng)失穩(wěn)，覆蓋范圍可控。基于施工要求和標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)掌握邊坡巖體變形和實(shí)際應(yīng)力狀況，采用三維彈塑性有限單元法進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2 設(shè)計(jì)巖土工程邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬方法

2.1 巖土工程基礎(chǔ)模擬數(shù)據(jù)采集

基礎(chǔ)模擬數(shù)據(jù)[3]的采集數(shù)據(jù)包括巖土體物理性質(zhì)數(shù)據(jù)，這部分的數(shù)據(jù)大多數(shù)是固定標(biāo)準(zhǔn)，可變動(dòng)的范圍較小，因此應(yīng)用時(shí)可以進(jìn)行設(shè)定與合理性調(diào)整，巖土工程基礎(chǔ)模擬物理性質(zhì)數(shù)據(jù)設(shè)定見(jiàn)表1。

結(jié)合表1，對(duì)巖土工程基礎(chǔ)模擬物理性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。在數(shù)據(jù)分類匯總以及整合篩選后，定期存儲(chǔ)，以待后續(xù)使用。

2.2 折減系數(shù)賦值

在實(shí)際工程中，巖土材料的強(qiáng)度往往存在一定的不確定性，而且受到外部荷載和環(huán)境因素的影響，因此需要利用折減系數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正。具體來(lái)說(shuō)，折減系數(shù)考慮了邊坡地表高度、邊坡最小穩(wěn)定性、穩(wěn)定性變化的限值等因素，對(duì)原始參數(shù)進(jìn)行折減或調(diào)整，更合理地反映了實(shí)際工程中的復(fù)雜情況。這樣修正可以使分析結(jié)果更加可靠，能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性，從而為工程設(shè)計(jì)和施工提供更可靠的參考依據(jù)。結(jié)合上述采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息，針對(duì)當(dāng)期邊坡穩(wěn)定性的測(cè)定需求及標(biāo)準(zhǔn)，采用距離冪次反比例（Inverse Distance Weighted Method）估算算法，對(duì)邊坡地表高度數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，如公式（1）所示。

（1）

式中：G為邊坡地表高度數(shù)值；i為權(quán)系值；m為覆蓋穩(wěn)定范圍；λ為轉(zhuǎn)化均值；t為樣本的高度數(shù)值。針對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析[4]，利用強(qiáng)度折減法（Strength Reduction Method）測(cè)算邊坡巖石土層邊坡最小穩(wěn)定性數(shù)值，如公式（2）所示。

M=（1-k×?2）+θd （2）

式中：M為邊坡巖石土層邊坡最小穩(wěn)定性數(shù)值；k為覆蓋范圍；?為受力均值；θ為土體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)；d為荷載值。根據(jù)當(dāng)前計(jì)算的邊坡地表高度數(shù)值和邊坡巖石土層邊坡最小穩(wěn)定性數(shù)值，適當(dāng)調(diào)整土體，在折減增進(jìn)過(guò)程中，如果當(dāng)前的模型出現(xiàn)異常或者危害，就會(huì)形成一個(gè)臨界限值，在該限值內(nèi)為邊坡穩(wěn)定范圍，如公式（3）所示。

（3）

式中：D為邊坡臨界限值；η為瞬時(shí)差值；Q為邊坡覆蓋范圍；?為特征值；?為折減作用區(qū)域。結(jié)合當(dāng)前測(cè)試，對(duì)邊坡臨界限值進(jìn)行計(jì)算。

折減系數(shù)的合理賦值直接影響了數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)中使用的各項(xiàng)參數(shù)和計(jì)算模型，從而對(duì)邊坡穩(wěn)定性的模擬結(jié)果產(chǎn)生重要影響，為工程決策提供可靠的技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

2.3 設(shè)計(jì)多階邊坡穩(wěn)定性數(shù)值網(wǎng)格模擬結(jié)構(gòu)

基于邊坡折減系數(shù)處理，當(dāng)建立多階邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)時(shí)[5]，折減系數(shù)需要與采用的強(qiáng)度減折算方法一致。本文采用強(qiáng)度折減法（Strength Reduction Method）對(duì)數(shù)值進(jìn)行模擬，當(dāng)設(shè)置折減系數(shù)時(shí)需要根據(jù)該方法的原理和要求進(jìn)行調(diào)整，保證兩者相互協(xié)調(diào)，使模擬結(jié)構(gòu)能夠準(zhǔn)確地反映邊坡材料的強(qiáng)度特征，因此，設(shè)計(jì)了邊坡穩(wěn)定性數(shù)值網(wǎng)格模擬結(jié)構(gòu)。利用 ICMP 構(gòu)建數(shù)值程序，結(jié)合三維有限元方法，采用網(wǎng)格劃分和多項(xiàng)式設(shè)置感應(yīng)節(jié)點(diǎn)。使用 CTM 復(fù)雜算法進(jìn)行剖分積分子域，實(shí)現(xiàn)邊坡數(shù)值可視化網(wǎng)格模擬。如圖1所示。

結(jié)合圖1，對(duì)邊坡數(shù)值可視化網(wǎng)格進(jìn)行模擬分析。通過(guò)網(wǎng)格劃分，解決了有限元模擬移位和誤差的問(wèn)題，為后續(xù)建模提供了基礎(chǔ)。利用 ICMP 方法調(diào)整數(shù)值模擬基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)步驟。采用可視化技術(shù)、三維模擬技術(shù)以及網(wǎng)格劃分技術(shù)，設(shè)計(jì)了巖土工程的有限元網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)，并對(duì)邊坡可視化位置進(jìn)行標(biāo)定。利用上述結(jié)構(gòu)和 ICMP 方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)化。利用三維地層軟件對(duì)邊坡地層進(jìn)行截取，繪制豎直線和地層分界線，標(biāo)定地層分界點(diǎn)位并構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性數(shù)值網(wǎng)格模擬結(jié)構(gòu)的執(zhí)行流程，如圖2所示。

結(jié)合圖2，對(duì)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值網(wǎng)格模擬結(jié)構(gòu)執(zhí)行流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于當(dāng)前的流程，對(duì)各階段的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用三維有限元技術(shù)，對(duì)數(shù)值進(jìn)行模糊模擬處理，將過(guò)程中讀取的建模信息存入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，便于后續(xù)數(shù)值模擬的實(shí)踐應(yīng)用。

2.4 三維有限元邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬建模

對(duì)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值網(wǎng)格模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)踐調(diào)整后，結(jié)合三維有限元技術(shù)，實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬建模。需要對(duì)垂直高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行基礎(chǔ)分析，假設(shè)X和Z是邊坡的兩個(gè)受力方向，結(jié)合網(wǎng)格劃分獲取的數(shù)據(jù)和信息，在數(shù)值模擬的二因素和結(jié)構(gòu)中導(dǎo)入 FLAC3D，通過(guò) ANSYS 以及 FLAC3D 的雙向標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息轉(zhuǎn)換，并將不同的數(shù)值模擬區(qū)域建立關(guān)聯(lián)，調(diào)整當(dāng)前的數(shù)值模擬建模指標(biāo)與參數(shù)，具體見(jiàn)表2。

結(jié)合表2，對(duì)三維有限元邊坡數(shù)值模擬建模指標(biāo)及參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在此基礎(chǔ)上，利用ANSYS 生成對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的輔助性坐標(biāo)，將初始采集的單元數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入內(nèi)置結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換成 FLAC3D 格式，建立一個(gè)初始的數(shù)值模擬模型，對(duì)應(yīng)的模型實(shí)踐細(xì)化處理方法如下。1）假設(shè)當(dāng)前的三維有限元邊坡數(shù)值模擬坐標(biāo)系垂直方向?yàn)锳軸，水平方向?yàn)?B 軸，分別標(biāo)定各個(gè)位置的覆蓋范圍，調(diào)整基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)。2）結(jié)合摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)結(jié)構(gòu)，對(duì)當(dāng)前的邊坡坡體的變形以及破壞位置進(jìn)行標(biāo)記，當(dāng)結(jié)合三維有限元技術(shù)進(jìn)行還原時(shí)，也要盡量對(duì)該位置進(jìn)行標(biāo)定處理，需要注意的是，當(dāng)前的情況大多發(fā)生在邊坡坡體的淺部，當(dāng)設(shè)計(jì)模型時(shí)，盡量調(diào)整數(shù)值模擬的邊界條件，保證各區(qū)域、各位置的水平構(gòu)造應(yīng)力穩(wěn)定。3）測(cè)定邊坡的初始地應(yīng)力，將其設(shè)定為自重地應(yīng)力場(chǎng)，根據(jù)得出的數(shù)據(jù)和信息，利用模型可以判定邊坡水平應(yīng)力與巖土體之間的變化泊松關(guān)系。4）利用專業(yè)的設(shè)備及裝置，對(duì)邊坡的軸向變形情況進(jìn)行分析，并標(biāo)定邊坡平面的應(yīng)變位置。5）設(shè)置對(duì)應(yīng)的邊坡素質(zhì)模擬邊界條件，主要包括方向邊界約束、荷載邊界約束、覆蓋面積邊界約束以及受力邊界約束等。

將上述的邊界條件導(dǎo)入設(shè)定的三維有限元邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬模型中，多維動(dòng)態(tài)化判定當(dāng)前巖土工程邊坡的形態(tài)以及土層分布狀況，分析穩(wěn)定情況。通過(guò)建立模型，計(jì)算邊坡各點(diǎn)位的最大主應(yīng)力，判定邊坡的穩(wěn)定程度，輸出當(dāng)前的數(shù)值模擬基礎(chǔ)性結(jié)果，完成模型構(gòu)建，利用三維有限元技術(shù)以及接入互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，強(qiáng)化模型的綜合應(yīng)變能力和實(shí)踐處理能力。

2.5 FLAC 輔助處理實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬

在對(duì)三維有限元邊坡穩(wěn)定性數(shù)值進(jìn)行模擬建模后，需要對(duì)得出的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行二次驗(yàn)證，采用FLAC 輔助處理的方式，獲取最終的數(shù)值模擬結(jié)果。根據(jù)上述建立的模型，對(duì)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬任務(wù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，結(jié)合網(wǎng)格劃分，測(cè)算邊坡所受的外力強(qiáng)度，結(jié)合折減系數(shù)，測(cè)算當(dāng)前的穩(wěn)定平衡比，一般控制在4.5～6.5，隨后，結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際穩(wěn)定性判定情況，調(diào)整模型中對(duì)應(yīng)的邊界條件，形成對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬塑性圖，具體如圖3所示。

結(jié)合圖3，對(duì)FLAC 輔助處理邊坡數(shù)值模擬進(jìn)行塑性比對(duì)，基于當(dāng)前的測(cè)試需求，利用模型調(diào)整對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬環(huán)境，獲取對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的模擬情況，對(duì)數(shù)值模擬任務(wù)進(jìn)行處理。

3 數(shù)值模擬實(shí)例結(jié)果分析

結(jié)合上述測(cè)算與驗(yàn)證分析，在當(dāng)前測(cè)算的數(shù)值模擬邊坡覆蓋范圍內(nèi)，隨機(jī)選擇6個(gè)測(cè)試單元區(qū)域，利用模型對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬處理，當(dāng)邊坡周圍的自重應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，巖體主應(yīng)力出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，內(nèi)側(cè)卸荷也發(fā)生改變，測(cè)定當(dāng)前的回彈次數(shù)，施工測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)比對(duì)分析表見(jiàn)表3。

結(jié)合表3，得出以下結(jié)論：當(dāng)針對(duì)選定的6個(gè)測(cè)試區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，最終得出的回彈次數(shù)控制在5次以下，說(shuō)明此次設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬方法的針對(duì)性與穩(wěn)定性更佳，獲取的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果真實(shí)可靠，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

與初始的數(shù)值模擬方式相比，本次研究結(jié)合該巖土工程實(shí)際的施工需求及標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)多結(jié)構(gòu)、多層級(jí)的數(shù)值模擬框架，從多個(gè)角度進(jìn)行建立數(shù)值模型，從邊坡的框架、邊坡排水、邊坡加固、邊坡穩(wěn)定等方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)化模擬分析，從而更好地對(duì)最終邊坡進(jìn)行優(yōu)化與多維加固，打破傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用存在的局限性，合理選擇以及關(guān)聯(lián)使用，推動(dòng)相關(guān)行業(yè)、領(lǐng)域和技術(shù)的創(chuàng)新，為巖土工程領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)更加重要的貢獻(xiàn)和參考。

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