基于有限元模拟的地灾监测技术分析

（中国建筑土木建设有限公司，北京市，10071） 郭 达 黄纪祥 王 刚 郑 华

（河北建设集团股份有限公司，河北保定市，071051） 王 震

高陡边坡地灾是指由于各种原因而导致高陡边坡发生的地质灾害，如滑坡、崩塌、泥石流等。高陡边坡地灾对于工程建设和人类生命财产安全具有严重威胁，因此，开展高陡边坡地灾监测工作具有十分重要的意义。有限元分析技术是目前应用较为广泛的地质灾害监测技术之一，其具有分析精度高、实时性好、监测范围广等优点，在高陡边坡地灾监测中得到广泛应用[1]。

1 国内外研究现状

近年来，国内外研究者在高陡边坡地灾监测有限元分析技术方面进行了大量研究。国内研究者主要关注高陡边坡地灾监测的实用性和适用性，尝试将有限元分析技术应用于工程实际中，如滑坡形成机理、岩土力学特性、地下水渗流等方面的研究。国外研究者则更加注重技术创新和研究方法的完善，如有限元模型的建立和验证、参数识别和灾害模拟等方面的研究[2]。

2 有限元分析技术在高陡边坡地灾监测中的原理和方法

2.1 有限元分析技术原理

有限元分析技术是一种基于数学模型的分析方法，通过将有限体积的连续体分割为有限个小单元，将连续体的物理问题转化为小单元的物理问题，最终通过组装小单元的结果得到整个连续体的结果。该方法可以对复杂结构的力学问题进行分析和计算，常用于工程设计和科学研究中。

2.1.1 建立有限元模型

有限元模型是对实际结构的抽象和简化，包括几何模型和材料模型。几何模型通常采用CAD 软件进行建模，将结构划分为若干有限元单元。材料模型是对结构材料的本构关系进行数学描述，通常采用材料试验数据进行拟合得到。

2.1.2 确定边界条件和加载条件

边界条件和加载条件是指对模型所施加的约束和载荷。在有限元分析中，边界条件和加载条件的正确设定对结果的精度和可靠性具有重要影响。

2.1.3 求解有限元方程

通过将有限元模型分割为若干个小单元，建立相应的数学方程组，并通过求解数学方程组得到每个单元的位移、应力、应变等物理量。最终，通过组装所有单元的结果得到整体的位移、应力、应变等物理量。

2.2 有限元分析在高陡边坡地灾监测中的应用

2.2.1 边坡稳定性分析

有限元分析可以通过建立边坡的有限元模型，对边坡的稳定性进行分析。通过分析边坡的位移和应力分布，可以预测边坡的破坏模式和破坏时间，为边坡的监测和管理提供参考依据。

2.2.2 变形特征分析

有限元分析可以对边坡的变形特征进行分析，包括位移、形变等。通过对边坡变形的监测和分析，可以预测边坡的变形趋势和变形量，为边坡稳定性评估和防治提供重要依据。

在有限元分析中，可以通过建立边坡的三维有限元模型，对其进行静力分析和动力分析，分析边坡在各种外力和内力作用下的变形情况，得出边坡在不同情况下的稳定性情况。同时，还可以进行敏感性分析，确定各参数对边坡稳定性的影响大小，为边坡设计提供参考[4]。

在有限元分析中，还可以进行动态变形分析和地震响应分析[5]。动态变形分析是指在边坡受到动态荷载作用下的变形分析，可以分析边坡的应力波传播和反射规律，得出边坡的破坏模式和破坏形态，为边坡的防治提供参考。地震响应分析是指在地震作用下边坡的变形特征分析，可以评估边坡在地震作用下的稳定性和破坏机制，为边坡的防治提供参考。

2.3 有限元分析在高陡边坡地灾监测中使用步骤

2.3.1 建立几何模型

根据实际情况，建立几何模型，包括边坡的各项实际参数。一般采用AutoCAD 等计算机辅助设计软件建立几何模型。

2.3.2 确定边界条件和材料参数

确定边坡的固结边界和自由边界。根据实际情况，可以选择边坡上、下两个边界为固结边界，其余边界为自由边界[6]。选择合适的边坡材料参数，包括土的抗剪强度、弹性模量、泊松比等。

2.3.3 网格划分和建立模型

将边坡模型离散成有限个小单元，通过有限元离散方法对模型进行网格划分，划分后的小单元为模型中的有限元。在建立有限元模型的过程中，需要考虑计算的准确性和计算效率的平衡。

2.3.4 定义加载、进行模拟

根据实际情况，定义外部荷载和边界条件。然后在有限元模拟软件中进行模拟计算。通过计算，得到模型的应力、应变和变形等参数以及模型的稳定性分析结果。

2.3.5 结果分析

对模拟结果进行分析，评估边坡的稳定性，预测可能出现的地质灾害类型和规模并进行对策制定。

3 结语

有限元分析技术在高陡边坡地灾监测中具有重要的应用价值。通过有限元分析技术可以对边坡的稳定性进行分析和预测，为工程建设和人类生命财产安全提供可靠的保障。同时由于边坡的复杂性和非线性问题，有限元分析技术仍然存在一些局限性和不足，如需要大量的计算和数据处理以及参数的选择和模型的准确性等问题[7]。因此在实际应用过程中，需要结合实际情况和工程要求合理选择有限元分析技术，并加强对技术的优化和创新，提高技术的可靠性和实用性。