岩土工程有限元方法的应用问题新探

余婷

摘要：岩土工程有限元方法是研究复杂岩土介质、多样施工措施等方面的重要方法之一，相比传统解析法、模拟试验法等具有更为良好的应用优势。因此，本文以岩土工程中有限元数据分析方法四个层次为开篇，重点探究应用问题，为相关工作者提供有效参考，从而优化有限元数据分析法。

关键词：岩土工程；有限元方法；数值分析

1.引言

计算机、有限元仿真等技术的不断发展，使有限元数据分析法更多应用于物理模型试验、研究条件恶劣的环境。其中，有限元方法应用于岩土工程中，主要具有高级计算机、模拟分析器、多功能试验机、数据二次开发四方面作用。

2.岩土工程中有限元数据分析方法四个层次

第一，岩土工程有限元数据分析法，可以作为高级计算器使用。简单来说，就是直接为某一个具体的岩土工程设计提供服务，重点分析该工程在各种极端工况下如何提升工程施工安全性、稳定性，计算该工程在严苛工况下的应力场、变形场数据，从而掌握该工程岩土的特点、应力分布特征、形态破坏可能性等，进一步验证、简化设计方案，提升可靠性、科学性、系统性。

第二，岩土工程有限元数据分析法，可以作为模拟分析器使用。通常，在各类型工况条件下的复杂岩土工程中，各种不利因素相互影响、存有耦合效应。有限元数據分析对这些不利因素进行模拟分析，为工程提供有效的数据参考。如土石坝渗流场、应力场的耦合分析；冻土路基、核废料的水—热—力耦合分析。

第三，岩土工程有限元数据分析法，可以作为一种多功能试验机使用。即利用有限元方法探索具体岩土工程稳定机制、工程措施加固机制等。如预应力锚固机制数值试验、冻土路基通风管降温机制数值试验；隧洞衬砌裂缝成因的数值试验；地铁冻结法施工的冻结机制与设计指标研究等。

第四，岩土工程有限元数据分析法，可以作为岩土工程数值分析、计算的最终目标，通过二次开发形成更具智能化、快速化、简便化的新型数值分析方法，直接应用于现场设计与施工、监理与业主人员，是一种全新的设计研究理念[1]。

3.岩土工程中有限元数据分析方法应用问题研究

（1）有限元方法作为高级计算器的应用问题

高级计算器作为有限元数据分析方法最基本的要求，在岩土工程设计中却无法确切发挥功用，甚至产生计算参数不准确、计算结果不可靠、模型不适配等问题。影响岩土工程数据分析结果的并非仅仅是参数、模型等因素。

一方面，岩土工程中力学参数问题随多年工程建设已经得到解决，将诸多参数控制在较小的范围内。如工程岩体抗剪强度约在0.7MPa～0.9MPa，某岩土黏聚力约在60kPa～80kPa等[2]。相对于实际工程中施工措施、方法等带来的不确定性，这一类精度已较为合理。同时，在数值模型适配方面，无论是采用Misses模型、Mohr-Coulomb模型，还是Druck-Prage模型，整体数据结果占影响岩土工程总量的15%左右，甚至更低。同样与不当的施工措施造成岩土力学性质变化问题相比，这类影响较小[3]。

另一方面，岩土工程的施工方法、施工措施等对岩土工程的影响较大，甚至可以完全改变岩土体强度、稳定特性，对岩土体强度、刚度等甚至可以影响几倍、几十倍。如通过预先加固地基或围岩的方法让一个饱和软黏土或松散土隧顺利成洞；通过分层开挖、预应力锚固等措施，使较为高陡的岩质边坡转变为稳定坡；通过基桩强夯措施，在淤泥型地基之上建立机场。因此，当有效元数据分析作为高级计算器使用时，取得的数据仅作为参考，实际工程依旧是有效的施工方法、施工措施等模拟结果[4]。

（2）有限元方法作为模拟分析器的应用问题

有限元数据分析方法作为岩土工程中多功能模拟器的功用较为多样，可对复杂的岩土工程中多场景、多尺度、多因素进行综合性、系统性的模拟分析。由于应用过程中应对的问题较多，因此本节使用实例进行说明。

以锦屏左坝肩边坡峒室群为例，针对其相互作用力数据模拟进行分析。由于锦屏一级高拱坝左右岸边坡岩体变模参数相差约6.5倍、高约300m，且坝区左岸拱肩槽槽坡、下游坡体内存在深度卸荷裂隙，以及F5、F42-9断层等严重不良地质结构，因此整体刚度较低，拱肩槽极其形成的槽坡、上游边坡、下游边坡的稳定性极差。基于此，相关工作人员利用大型三维有限元仿真系统进行了多角度模拟，将左岸拱肩槽边坡与其他60多条加固洞的开挖位置进行置换、计算、分析。针对开挖过程中洞群相互影响的稳定性问题、硐室灌浆问题、对边坡稳定性问题等进行了系统、全面的数据分析与模拟，从而准确计算边坡开挖对邻近洞群的影响、爆破开挖洞室对相邻峒室的影响、峒室开挖后发生灌浆对边坡的影响等，最终为整体工程顺利展开提供了有效的设计依据[5]。

（3）有限元方法作为多功能试验机的应用问题

当有限元方法作为多功能试验机应用时，更加凸显自身的广泛适用性以及强大功能，尤其适宜于相对应的设计研究，不仅以“无成本”形态，系统地研究影响地下洞室围岩稳定性的因素与变化规律，还用来研究自然边坡失稳机制的成因、量化规律等，有效揭示岩土工程应力场、变形场影响规律。但是，在实际应用中，往往存在使用有限元方法所获数据结果并无普适性的问题。基于此，以地铁人工冻结法施工的设计指标研究为例，进行简单说明。

针对高含水不稳定地层通过水平冻结技术提升加固效果、封水性能等，但是这一技术与立井冻结工程有显著差异，在冻土力学方面，人工冻结法中冻结壁设计还有待规范。近年来，通过不断研究，利用有限元方法对冻结施工中这一问题的影响因素、变化规律等进行了系统的数值试验，最终分析结果包括：第一，利用饱和粉砂土进行人工冻结时，冻结管直径应高于0.8cm、间距小于12cm，盐水温度应低于零下20C0。第二，当融沉系数处于4%时，土层含水率比值约为45%；当冻胀系数为8%时，土层含水比值达到约62%。第三，当冻结壁厚度从13cm增加至28cm时，土层含水比值会从59%提升至71%[6]。

（4）有限元方法作为设计研究分析方法的应用问题

在岩土工程中，普遍存有前期勘探资料不足、设计过程过于依赖经验、开挖后资料虽然得到补充但无法快速进行科学分析与评价等问题。基于这些问题，工程人员会更为依赖“经验”进行施工进度、支援保护等调整，极易引起工程事故，岩土工程整体存在较大盲目性。因此，工程设计、施工人员如何根据现场数据进行工程数据计算，有效定量、优化围岩结构、支护结构等，是长期以来讨论的课题之一。

利用有限元数据分析方法，将分析人员与工程设计、施工人员融合为一个体系，并以智能、高效、渐变的数据分析软件作为统一基础。让专业的分析人员首先进行相应分析，建立全面、科学的数据库；其次，综合多位专家经验、现场检测数据作为边界样本数据[7]。最后，利用强大的有限元数据分析方法、神经元理论等综合构建更加适宜于当前岩土工程的分析平台。例如，针对某围岩稳定数值完成反演分析时，主要针对变形情况、应力分布、强度参数等元素进行数值分析反演，地下洞群的开挖单元三维网格如图2所示，直观分析该结构和厂房高度的变化。

4.结语

总而言之，将有限元法应用于岩土工程中，分析对象从弹性材料，渐渐扩展至塑性、黏弹性、粘塑性、复合性等类型的材料，从结构分析渐渐扩大到非结构分析，是当前岩土工程重要的数据分析计算方法之一。目前依然存有一定的局限性，随着科学技术发展，有限元方法水平必会得到进一步完善。

参考文献：

[1]李宁，杨敏，李国锋.再论岩土工程有限元方法的应用问题[J].岩土力学， 2019， 40（03）：1140-1148+1157.

[2]邹德高，刘锁，陈楷，等.基于四叉树网格和多边形比例边界有限元方法的岩土工程非线性静动力分析[J].岩土力学， 2017， 38（S2）：33-40.

[3]陈楷.基于比例边界有限元的岩土工程精细化分析方法及应用[D].大连理工大学， 2019.

[4]史伟中，陈颖辉，欧明喜，等.基于Midas GTS巖土有限元软件模拟基坑降水对周围建筑物沉降的变形[J].中国水运（下半月）， 2020， 20（01）：255-258.

[5]薛冰寒，方宏远，王复明，等.基于比例边界有限元方法的拱坝子结构分区形式研究[J].世界地震工程， 2019， 35（04）：11-17.

[6]姜徐彬，王立忠，洪义.基于扩展有限元方法的基坑突涌研究[J].低温建筑技术， 2019， 41（04）：88-92+119.

[7]唐迪，王琨.浅谈岩土工程的数值分析方法[C].北京力学会.北京力学会第二十五届学术年会会议论文集.北京力学会：北京力学会， 2019：874-875.