边坡条件下仓储建设安全可靠性研究

文/朱建疆

边坡条件下仓储建设安全可靠性研究

文/朱建疆

随着军事斗争准备的不断推进和我军信息化技术的长足发展，后勤仓储建设的重要性日益凸显。但是，我国幅员辽阔，自然灾害频发，尤其西部山地条件下，仓储库房的建设面临诸多困难和挑战。如何利用现有技术力量，对坡地区域仓储建设进行安全评估，显得尤为重要。针对此，本文结合有限元方法和可靠性分析法分析了边坡条件下仓储结构的安全可靠性问题，并将这一过程在数值计算程序中得以实现。该法显著区别于一般方法，能较全面反映坡地整体现状特征及其变异性，所得结果相对更加合理且更符合工程实际。

边坡；仓储；安全；可靠性

1.引言

军用仓库，主要担负军用物资的接收、保管、维护和分发等任务。在我军后勤保障中处于重要地位。由于我国地理条件复杂，很多仓库选址位于山区丘陵地带，边坡工程问题非常普遍。同时。我国是亚洲，乃至世界上滑坡灾害最为严重的地区之一，已受到滑坡和潜在滑坡灾害威胁的地区约占全国陆地面积的1/5至1/4，特别是20世纪80年代以来，随着经济的高速增长、城市化进程的加快以及自然因素的影响，滑坡灾害问题日益突出。滑坡灾害不仅给人类的生命带来严重威胁，而且还摧毁工厂、矿山，并严重影响铁路、公路及水电站等重要基础设施的安全运营，对环境、资源、财产等造成破坏，尤其在人口稠密地区，一旦发生滑坡灾害，后果不堪设想。

鉴于上述原因，运用更加科学合理且简单有效的分析研究方法对边坡进行稳定性分析，是众多工程研究人员的追求及目标。经过多年的发展，这一努力表现为了诸多领域的研究成果，包括边坡稳定分析理论和方法、滑坡治理技术和滑坡预报、边坡稳定分析理论体系的形成等等。然而遗憾的是，目前被广泛采用的边坡稳定性分析方法是一种定值方法，也就是说该方法将影响边坡稳定性的一切因素看作是确定性的，一成不变的，这恰恰与现实状况不相符合。用此种方法来进行边坡稳定性分析的后果只能是低估了边坡发生失稳的概率。这就可以解释为什么有些边坡在常规稳定性分析后得出的结果，其安全系数是符合稳定状态的，但实际上边坡却出现了破坏乃至失稳的情况。所以经过众多学者的研究发现，实际岩土工程中，除了确定性的影响因素外，还有大量不确定性的影响因素不为人们所明了，比如物理不确定性，它包括结构所受荷载值、岩土体强度、外观几何尺寸等等；模型不确定性，它包括为便于分析研究目标的主要矛盾而进行的简化假设等；另外研究人员涉及最多的应该是统计上的不确定性，它包括岩土结构参数、内部参数等的概率分布类型的模糊性以及统计过程中所用方法的近似性。这些众多不确定性限于人力、资源、时间以及现条件的影响，无法一一得到详细地研究与明晰，大多只能做近似模糊处理，但依然有很多因素是无法忽视的。就边坡问题来说，其土层分类与边界条件问题、土性参数指标的确定、岩土体材料自有的可变性、室内试验与现场勘察的误差、荷载的大小与分布、试验样本数量的大小，实际工程外观的表述等等，这些足以对边坡稳定性分析的结果带来严重影响。

可见，在边坡稳定性分析的同时，加入可靠度分析是十分必要且迫切的。

2.有限元分析与可靠度分析

2.1有限元分析

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元计算岩土工程问题有以下优势：

（1）不论对于何种复杂的地质地貌、环境特征、受力特点的岩土工程，有限元都可以十分近似地模拟，取得令人满意的精确度。

（2）可以模拟岩土体材料中各种复杂的本构关系、力学特征，并可详尽地观察和了解土体受力过程中的应力应变特征。

（3）可以轻松模拟岩土工程施工过程、工况变化、荷载变化等情况，包括渗流、地震、开挖以及加卸载对岩土体的影响。

（4）可视化功能非常强大，可以迅速将计算结果图形化，得到岩土体破坏模式、破坏位置，并为后续工程处理措施的提出打下良好基础。

2.2可靠度分析

工程结构可靠性，是指在规定时间和条件下，工程结构具有的满足预期的安全性、适用性和耐久性等功能的能力。由于影响可靠性的各种因素存在着不定性，如荷载、材料性能等的变异，计算模型的不完善，制作质量的差异等，而且这些影响因素是随机的，因而工程结构完成预定功能的能力只能用概率度量。结构能够完成预定功能的概率，称为可靠概率；结构不能完成预定功能的概率，称为失效概率。工程结构设计的目的，就是力求最佳的经济效益，将失效概率限制在人们实践所能接受的适当程度上。失效概率愈小，可靠度愈大，两者是互补的。

实际工程中，岩土体材料强度参数常常表现出固有的空间变异性和随机性，这时屈服判断的依据不应是屈服函数本身的数值大小，而是这一屈服函数达到屈服极限状态的可能性大小，即屈服概率的大小。

3.分析关键步骤

3.1模拟条件选取

（1）考虑到本文计算中的岩土工程类型和岩土的种类，以及计算过程中的精度控制要求，这里选取理想弹塑性本构模型作为本文土体的本构模型。目前大多计算时碰到的岩土工程实例，计算量控制主要集中在剪切破坏，所以在塑性区分布和大小方面就对计算精度提出了较高的要求，而位移问题则退居其次的位置。理想弹塑性模型正好满足这一特征。

（2）目前数值计算中常用的屈服准则是由德鲁克-普拉格提出来的，所以简称为D-P准则。该准则的几何意义表现在π平面上是圆形的，且其屈服面呈圆锥形状。因其计算时的高效性，被普遍数值软件所采用。

3.2有限元建模

（1）单元的选取与计算精度、计算时间以及数据准确有着密不可分的关系。单元结点越多，计算精度越高，但同时自由度也越多，需要输入的数据越多，数学计算中的矩阵方程增加明显，有限元程序计算所耗的时间成倍增加。所以，单元的类型应理性选择，同时也要兼顾实际需求。

（2）本文主要目的是研究岩土体的极限破坏模式和其破坏状态时的安全系数，所以强度问题就是本文中岩土工程体模拟的重点所在。由此，岩土材料选择理想弹塑性模型，参数包括：土体重度、土体弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力。需要注意的是，这些材料参数在输入时一定要注意其单位制的一致性，本文中全部采用国际单位制。

（3）岩土体的几何图形绘制时要注意几个方面：一是几何外貌尽量符合现状，但也不必细致入微。抓住岩土体的重要特征和关键点即可满足精度要求。其次，几何尺寸大小控制要得当，比例尺选择合理。这样建立起来的模型成像效果才会良好，并且在后处理时会方便操作。

图1 边坡有限元模型

表1 材料输入参数

表2 变量输入参数

4.算例分析

假定边坡为非线性弹塑性体，采用D-P弹塑性模型。坡高15m，坡宽30m，其基本物理力学参数取值见表1。变量输入参数见表2.

计算结果显示，该边坡安全系数1.23，失稳概率13.8%，需要进行加固。

5.结论

将有限元方法和可靠性分析法结合，用于山地边坡稳定性可靠度分析，可较全面地反映边坡岩土体材料强度参数的变异性，避免不必要的设计浪费和不足，为边坡地区仓储库房设计和研究提供了一条新的有效途径。

（作者单位： 69006部队）

［1］陈祖煜.土质边坡稳定性分析－原理、方法、程序［M］.中国水利水电出版社.2003.

［2］朱伯芳.有限单元法原理与应用［M］.北京：中国水利水电出版社.2009.

［3］赵国藩.工程结构可靠性理论与应用.［M］.大连：大连理工大学出版社.1996.

［4］李权.ANSYS在土木工程中的应用［M］.北京：人民邮电出版社，2005.

［5］高庆华，聂高众，张业成等.中国减灾需求与综合减灾——《国家综合减灾“十一五”规划》相关重大问题研究［M］.北京：气象出版社，2007.

★简讯★

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