探讨边坡稳定性有限元分析的处理技巧

张晓勇

摘 要：本文从边坡结构稳定性分析的角度着手，首先研究了有限元分析方法的基本原理，从理论层面介绍了边坡结构有限元分析的基本方法与特点，然后从施工角度围绕边坡结构稳定性问题进行研究，总结了边坡稳定性的影响因素，提出了施工过程中边坡稳定性问题的处理技术要点，望能够引起业内人士的关注与重视。

关键词：边坡；稳定性；有限元

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

0 引言

对于我国而言，受到地质条件复杂因素的影响，滑坡等地质灾害发生几率高，所导致的经济损失是非常巨大的。现阶段，边坡失稳已经发成成为仅次于地震的第二大地质灾害。如何预先通过合理方法研究并判断边坡结构稳定性，已成为各行业领域人员高度重视的课题之一。目前针对边坡稳定性的分析方法包括定量、定性两类。有限元分析法作为应用最为广泛的数值定量分析方法之一，可以满足静力许可、应变相容以及应力-应变作用间的本构关系，故在近年来岩土工程结构稳定性分析中应用广泛。

1 边坡稳定性有限元分析

有限元分析方法是指将待求解分析区域内以及边界面通过离散处理的方式形成有限个仅在节点部位联系的单元以及子域，然后引入单元形函数作为试函数项，将单元節点未知量作为待定系数，经计算得到加权残数关系。在以有限元分析方法对岩土结构边坡稳定性问题进行研究的过程中，充分考虑了边坡岩体结构存在的非连续性以及非均质性特点，能够以量化数值的方式给出岩体结构在应力、应变大小以及分布上的具体关系。相较于常规意义上的极限平衡分析方法而言，有限元分析方法从最先、最可能出现屈服破坏的部位以及最迫切需要进行加固处理的部位入手展开研究，能够近似的从应力-应变角度研究边坡结构的变形破坏机理。但，在有关边坡结构位移不连续性问题的研究方面还存在一定局限性。

在对边坡结构稳定性问题进行有限元分析的过程中，为确保分析结果的可靠性，必须特别重视考虑以下几个方面的问题：第一，边坡结构应当为半无限体，且荷载以重力荷载为主；第二，在有限元分析过程中必须充分考虑对本构关系的选择问题，所选择的本构关系不但需要与待分析的边坡坡面受力情况相符合，还需要以最简化的方式反应边坡边界受力情况。因此，结合当前实际经验，建议以ANSYS作为通用有限元计算软件，在不同区域内考虑边坡具体特点选择相应的本构关系，以实现对边坡受力状态的科学模拟。

结合既往研究来看，在贯通塑性区形成后，从宏观角度上来看，边坡位移不再收敛即变现为边坡破坏。因此，有限元分析中需借助于弹塑性模型的方式进行研究，基于Drucker-Prager 准则进行屈服设定。在此基础之上根据折减系数法对边坡结构安全性系数进行计算。将初始状态下的折减系数设定为F，经折减处理后边坡结构土体强度参数设置为，则有：

有限元分析时，首先需要确定边坡初始状态折减系数以及折减岩土体强度参数，然后输入折减后参数进行有限元计算。当边坡达到极限平衡状态（即有限元分析过程中无收敛表现）时，将该状态下的强度折减系数即可作为边坡安全系数，同时将塑性区域设置为滑移面。

2 边坡稳定性施工的技术

2.1 边坡稳定性的影响因素

对于边坡结构而言，可能影响其结构稳定性因素主要包括以下几个方面：第一是人为因素。人为因素对边坡结构稳定性的影响是非常大的，如施加荷载方式不合理、过度山坡开挖、以及不恰当坡脚开挖等因素均可能对其稳定性程度产生影响。第二是侵蚀风化因素。受到客观气候条件影响，侵蚀量在不断增加，对于边坡岩体结构而言势必会产生一定程度上的侵蚀与风化问题，降低岩体结构强度，最终还会导致边坡保护能力不足，影响其结构安全与稳定性程度；第三是降水量因素。降水问题是导致边坡结构失稳的主要因素之一。受到高含水量的影响，部分边坡结构材料可能出现软化问题，导致边坡强度不足。尤其在部分地区，暴雨天气较为频繁，则非常容易造成公路边坡坍塌问题的产生，若未采取有效的施工措施，不但影响了工程质量，还会对造成不可预估的人身财产损失；第四是地质构造因素。地质构造问题对边坡稳定性的影响表现在：若边坡岩体结构中存在非连续性结构面，则大量小块碎块的产生会进一步降低边坡岩体强度水平，若不及时加以控制可能导致岩体结构相互间出现滑动干扰，直接影响边坡稳定；第五是地形因素。边坡结构所涉及到的地形因素包括坡度、坡高、坡宽、以及坡向等。这些地形因素均会在一定程度上影响边坡稳定性，如通过诱发土壤侵蚀风化的方式造成边坡结构失稳；第六是地质材料因素。工程项目中边坡结构通常是由多种材料所构成的，不同材料在基本性质、胶结情况以及成岩时间方面均存在一定的差异性，进而导致边坡结构所表现出的抗风化能力、力学强度以及岩性特征发生较大的改变，若地质材料性能不良则极有可能影响边坡结构稳定性。

2.2 边坡稳定性的处理技术

针对边坡结构失稳问题，除应用有限元分析方法及时评估其稳定性以外，还应重视在施工过程中采取适当的方法对边坡结构进行加固处理。如灰土处理法。即针对路基土较差的情况，可选用石灰作为软土路基填料，以改善软土路基性能，在20cm的下方对土壤重量8%的石灰加入进行处理，使其与石灰土路基要求相满足且压实平整之后， 即可将上面的40cm分为两层，添加石灰以后开展分层压实操作。 除此以外，还可通过袋装砂井排水固结的方式改善边坡结构性能。合理选用有良好强度以及透水性的编织袋，根据工程施工现场中心放线情况，结合砂井间距参数，用标钎从砂井起点放出桩位线。在整平的土基上对一层厚度为30～50cm的砂垫层放出，并开展适量洒水碾压，使其与压实度要求相符。移动打桩设备开展打桩操作，将袋装沉入管底后再将套管抽出，移动打桩设备开展袋装砂井的继续打设。除此以外，塑料桩排水固结、粒料加固以及混合加固等相关方法均能够应用于工程实践中，以进一步改善边坡结构稳定性与可靠性水平。

3 结束语

当前工程项目建设施工中的施工工艺日益复杂，对施工环境的要求高，技术难度也在不断增加。滑坡等地质问题的产生会在很大程度上影响工程项目的整体质量水平，必须引起业内人士的高度重视。边坡结构失稳作为滑坡等地质问题重要的产生因素之一，可尝试应用有限元分析方法进行评估，并基于对边坡稳定性影响因素的识别与分析，在施工期间采取相应的处理技术，以达到巩固边坡结构质量水平的目的。

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