摘 要：針對單向形式的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬結構受限的問題，本文提出了多階邊坡穩(wěn)定性數(shù)值網格模擬結構。首先，采集巖土工程基礎模擬數(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，并設計三維有限元邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模型。最后，使用FLAC輔助處理實現(xiàn)數(shù)值模擬。通過實例分析發(fā)現(xiàn)，在6個測試區(qū)域中，將回彈次數(shù)控制在5次以下，驗證了該方法的針對性與穩(wěn)定性，表明獲取的邊坡穩(wěn)定性分析結果真實可靠，具有實際應用價值。

關鍵詞：巖土工程；邊坡測定；穩(wěn)定性分析；數(shù)值模擬；模擬分析；環(huán)境比對

中圖分類號：P 642" " 文獻標志碼：A

巖土工程邊坡穩(wěn)定性控制是保障工程建設安全的關鍵因素之一，針對公路、鐵路、水利、礦山等的措施以及處理方法不同[1]。一般是通過數(shù)值模擬的方式來實現(xiàn)傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性，方法多為單向形式，雖然可以達到預期的模擬處理任務及目標，但是較容易受到外部環(huán)境及特定因素的影響，導致最終結果出現(xiàn)誤差，與初始設定的標準相差甚遠[2]。因此為解決這個問題，本文提出對巖土工程邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬進行分析和研究。

1 工程概況

本研究對D大橋邊坡進行穩(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。地質環(huán)境復雜，周圍四面臨空且受多條斷層和構造裂隙的影響，山島完整性較差。這種狀態(tài)導致邊坡穩(wěn)定性不達標，不僅與天然條件有關，也受到超標荷載的影響，給邊坡加固工作帶來巨大壓力。該區(qū)域由酸性流紋斑巖和第四紀松散堆積層組成，山頂厚度較大，四周邊坡多為裸露基巖，存在較大的斷裂構造。調研發(fā)現(xiàn)，D工程的西南側邊坡最容易發(fā)生大規(guī)模失穩(wěn)，其他區(qū)域僅范圍變動失穩(wěn)，覆蓋范圍可控?；谑┕ひ蠛蜆藴剩ㄟ^掌握邊坡巖體變形和實際應力狀況，采用三維彈塑性有限單元法進行數(shù)值模擬分析。

2 設計巖土工程邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬方法

2.1 巖土工程基礎模擬數(shù)據(jù)采集

基礎模擬數(shù)據(jù)[3]的采集數(shù)據(jù)包括巖土體物理性質數(shù)據(jù)，這部分的數(shù)據(jù)大多數(shù)是固定標準，可變動的范圍較小，因此應用時可以進行設定與合理性調整，巖土工程基礎模擬物理性質數(shù)據(jù)設定見表1。

結合表1，對巖土工程基礎模擬物理性質數(shù)據(jù)進行設定。在數(shù)據(jù)分類匯總以及整合篩選后，定期存儲，以待后續(xù)使用。

2.2 折減系數(shù)賦值

在實際工程中，巖土材料的強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)對其進行修正。具體來說，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，對原始參數(shù)進行折減或調整，更合理地反映了實際工程中的復雜情況。這樣修正可以使分析結果更加可靠，能夠更準確地評估邊坡的穩(wěn)定性，從而為工程設計和施工提供更可靠的參考依據(jù)。結合上述采集的基礎數(shù)據(jù)和信息，針對當期邊坡穩(wěn)定性的測定需求及標準，采用距離冪次反比例（Inverse Distance Weighted Method）估算算法，對邊坡地表高度數(shù)值進行計算，如公式（1）所示。

（1）

式中：G為邊坡地表高度數(shù)值；i為權系值；m為覆蓋穩(wěn)定范圍；λ為轉化均值；t為樣本的高度數(shù)值。針對邊坡穩(wěn)定性進行數(shù)值分析[4]，利用強度折減法（Strength Reduction Method）測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為土體強度標準；d為荷載值。根據(jù)當前計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，適當調整土體，在折減增進過程中，如果當前的模型出現(xiàn)異?；蛘呶：?，就會形成一個臨界限值，在該限值內為邊坡穩(wěn)定范圍，如公式（3）所示。

（3）

式中：D為邊坡臨界限值；η為瞬時差值；Q為邊坡覆蓋范圍；?為特征值；?為折減作用區(qū)域。結合當前測試，對邊坡臨界限值進行計算。

折減系數(shù)的合理賦值直接影響了數(shù)值模擬結構中使用的各項參數(shù)和計算模型，從而對邊坡穩(wěn)定性的模擬結果產生重要影響，為工程決策提供可靠的技術支撐和科學依據(jù)。

2.3 設計多階邊坡穩(wěn)定性數(shù)值網格模擬結構

基于邊坡折減系數(shù)處理，當建立多階邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬結構時[5]，折減系數(shù)需要與采用的強度減折算方法一致。本文采用強度折減法（Strength Reduction Method）對數(shù)值進行模擬，當設置折減系數(shù)時需要根據(jù)該方法的原理和要求進行調整，保證兩者相互協(xié)調，使模擬結構能夠準確地反映邊坡材料的強度特征，因此，設計了邊坡穩(wěn)定性數(shù)值網格模擬結構。利用 ICMP 構建數(shù)值程序，結合三維有限元方法，采用網格劃分和多項式設置感應節(jié)點。使用 CTM 復雜算法進行剖分積分子域，實現(xiàn)邊坡數(shù)值可視化網格模擬。如圖1所示。

結合圖1，對邊坡數(shù)值可視化網格進行模擬分析。通過網格劃分，解決了有限元模擬移位和誤差的問題，為后續(xù)建模提供了基礎。利用 ICMP 方法調整數(shù)值模擬基礎實現(xiàn)步驟。采用可視化技術、三維模擬技術以及網格劃分技術，設計了巖土工程的有限元網格劃分結構，并對邊坡可視化位置進行標定。利用上述結構和 ICMP 方法實現(xiàn)自動轉化。利用三維地層軟件對邊坡地層進行截取，繪制豎直線和地層分界線，標定地層分界點位并構建邊坡穩(wěn)定性數(shù)值網格模擬結構的執(zhí)行流程，如圖2所示。

結合圖2，對邊坡穩(wěn)定性數(shù)值網格模擬結構執(zhí)行流程進行設計，基于當前的流程，對各階段的數(shù)值進行轉換，利用三維有限元技術，對數(shù)值進行模糊模擬處理，將過程中讀取的建模信息存入數(shù)據(jù)結構中，便于后續(xù)數(shù)值模擬的實踐應用。

2.4 三維有限元邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬建模

對邊坡穩(wěn)定性數(shù)值網格模擬結構進行設計與實踐調整后，結合三維有限元技術，實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬建模。需要對垂直高邊坡的穩(wěn)定性進行基礎分析，假設X和Z是邊坡的兩個受力方向，結合網格劃分獲取的數(shù)據(jù)和信息，在數(shù)值模擬的二因素和結構中導入 FLAC3D，通過 ANSYS 以及 FLAC3D 的雙向標準進行基礎數(shù)據(jù)、信息轉換，并將不同的數(shù)值模擬區(qū)域建立關聯(lián)，調整當前的數(shù)值模擬建模指標與參數(shù)，具體見表2。

結合表2，對三維有限元邊坡數(shù)值模擬建模指標及參數(shù)進行設定。在此基礎上，利用ANSYS 生成對應的數(shù)值模擬節(jié)點，構建對應的輔助性坐標，將初始采集的單元數(shù)據(jù)信息導入內置結構中，轉換成 FLAC3D 格式，建立一個初始的數(shù)值模擬模型，對應的模型實踐細化處理方法如下。1）假設當前的三維有限元邊坡數(shù)值模擬坐標系垂直方向為A軸，水平方向為 B 軸，分別標定各個位置的覆蓋范圍，調整基礎數(shù)據(jù)參數(shù)。2）結合摩爾-庫侖本構結構，對當前的邊坡坡體的變形以及破壞位置進行標記，當結合三維有限元技術進行還原時，也要盡量對該位置進行標定處理，需要注意的是，當前的情況大多發(fā)生在邊坡坡體的淺部，當設計模型時，盡量調整數(shù)值模擬的邊界條件，保證各區(qū)域、各位置的水平構造應力穩(wěn)定。3）測定邊坡的初始地應力，將其設定為自重地應力場，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力與巖土體之間的變化泊松關系。4）利用專業(yè)的設備及裝置，對邊坡的軸向變形情況進行分析，并標定邊坡平面的應變位置。5）設置對應的邊坡素質模擬邊界條件，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入設定的三維有限元邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬模型中，多維動態(tài)化判定當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。通過建立模型，計算邊坡各點位的最大主應力，判定邊坡的穩(wěn)定程度，輸出當前的數(shù)值模擬基礎性結果，完成模型構建，利用三維有限元技術以及接入互聯(lián)網平臺，強化模型的綜合應變能力和實踐處理能力。

2.5 FLAC 輔助處理實現(xiàn)數(shù)值模擬

在對三維有限元邊坡穩(wěn)定性數(shù)值進行模擬建模后，需要對得出的數(shù)值模擬結果進行二次驗證，采用FLAC 輔助處理的方式，獲取最終的數(shù)值模擬結果。根據(jù)上述建立的模型，對邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬任務進行簡化處理，結合網格劃分，測算邊坡所受的外力強度，結合折減系數(shù)，測算當前的穩(wěn)定平衡比，一般控制在4.5～6.5，隨后，結合當前的實際穩(wěn)定性判定情況，調整模型中對應的邊界條件，形成對應的數(shù)值模擬塑性圖，具體如圖3所示。

結合圖3，對FLAC 輔助處理邊坡數(shù)值模擬進行塑性比對，基于當前的測試需求，利用模型調整對應的數(shù)值模擬環(huán)境，獲取對應狀態(tài)下的模擬情況，對數(shù)值模擬任務進行處理。

3 數(shù)值模擬實例結果分析

結合上述測算與驗證分析，在當前測算的數(shù)值模擬邊坡覆蓋范圍內，隨機選擇6個測試單元區(qū)域，利用模型對邊坡的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬處理，當邊坡周圍的自重應力發(fā)生變化時，巖體主應力出現(xiàn)轉移，內側卸荷也發(fā)生改變，測定當前的回彈次數(shù)，施工測試結果數(shù)據(jù)比對分析表見表3。

結合表3，得出以下結論：當針對選定的6個測試區(qū)域進行數(shù)值模擬時，最終得出的回彈次數(shù)控制在5次以下，說明此次設計的數(shù)值模擬方法的針對性與穩(wěn)定性更佳，獲取的邊坡穩(wěn)定性分析結果真實可靠，具有實際的應用價值。

4 結語

與初始的數(shù)值模擬方式相比，本次研究結合該巖土工程實際的施工需求及標準，設計多結構、多層級的數(shù)值模擬框架，從多個角度進行建立數(shù)值模型，從邊坡的框架、邊坡排水、邊坡加固、邊坡穩(wěn)定等方向進行動態(tài)化模擬分析，從而更好地對最終邊坡進行優(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域應用存在的局限性，合理選擇以及關聯(lián)使用，推動相關行業(yè)、領域和技術的創(chuàng)新，為巖土工程領域的發(fā)展帶來更加重要的貢獻和參考。

參考文獻

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