有限單元法在邊坡工程計算中的應用

滑坡問題是危害非常大的自然災害之一，滑坡的產生會阻礙交通、淤堵河道和毀壞村莊，對人民生活造成極大的危害，同時也會造成巨大的經濟損失。工程中計算邊坡問題應用最多的一種方法就是極限平衡法，尤其是極限平衡法中的條分法，但該方法在處理復雜邊界條件、影響因素較多時存在較多困難難以應用。而有限單元法恰巧在這些方面具有很大的優勢，隨著計算機技術以及有限元理論的的發展，有限單元法勢必成為邊坡工程計算的重要方法?；贏NSYS軟件的有限單元法分析邊坡問題具有計算效率高，成本低，計算精度高等優勢，所以有限單元法關于邊坡問題的計算理論仍是目前研究的一個重要問題，隨著計算理論的不斷完善，有限單元法將是今后邊坡工程計算的一個重要發展方向。

引言

滑坡問題是危害非常大的自然災害之一，滑坡的產生會阻礙交通、淤堵河道和毀壞村莊，對人民生活造成極大的危害，同時也會造成巨大的經濟損失。邊坡問題的產生既有自然原因也有人為原因，自然原因主要有強降雨、颶風、地震等等，在強降雨、颶風和地震等惡劣自然條件下，會促使現有邊坡的運動從而形成滑坡，近些年出現過很多由于降雨和地震引起的滑坡的事件，如汶川地震、玉樹地震中產生的滑坡事件。人為原因主要是由于人類活動引起的，我國正處于社會發展建設的快速期，建設了大量的水利工程、礦山工程、地下工程和道路與橋梁工程，這些工程建設中不免要大量開挖土方、人工爆破等等，這些人類活動也會促使滑坡的產生。

邊坡工程的設計是邊坡工程的重要內容，邊坡設計的合理性可以有效的防止邊坡產生滑坡。目前計算邊坡問題的方法有很多種，大致分為確定性方法和不確定方法兩類，每一類方法中又有很多種計算方法，大都由于計算理論復雜，工程人員難以掌握。其中工程中應用最多的一種方法就是極限平衡法，尤其是極限平衡法中的條分法，在建筑行業設計規范中采用的就是這種方法，由于其計算原理簡單，計算參數少而被工程中廣泛使用，該方法在處理復雜邊界條件、影響因素較多時存在較多困難難以應用。而有限單元法恰巧在這些方面具有很大的優勢，隨著計算機技術以及有限元理論的的發展，有限單元法勢必成為邊坡工程計算的重要方法。本文將針對極限平衡法和有限單元法進行分析，探討有限單元法在邊坡工程計算中的應用。

邊坡工程的計算方法

1.極限平衡法

極限平衡法是首先假設邊坡的破壞是滑動面滑動產生的，滑動面即是破壞面，所以滑動面上的土體服從破壞準則，極限平衡法將滑動面作為隔離體進行研究其受力，計算滑動面發生破壞時的破壞荷載。滑動面的形狀可以是圓弧，也可以是平面，也可以是不規則曲面，滑動面是圓弧的計算方法通常有瑞典圓弧法、瑞典條分法和Bishop法，滑動面為平面的計算方法通常有傳遞系數法，滑動面為不規則曲面的方法有Janbu法。

極限平衡法計算方法有十幾種之多，有些方法是將破壞土體作為隔離體進行受力分析，有些方法是把滑動面上土體分成若干個豎向土條，對其中任意土體進行受力分析，進而再結合滑動面以上土體進行整體分析，也就是條分法。取若干個滑動面用同樣的方法進行計算，最小破壞荷載就是邊坡的極限破壞荷載，其對應的滑動面就是最危險滑動面。

極限平衡法實際計算時通常是先假定安全系數，將邊坡的計算參數除以安全系數作為計算參數使用，若滿足極限平衡條件，說假定的安全系數就是所求的安全系數。

極限平衡法是目前工程中使用非常廣泛的一種方法，在現有的設計規范中也是采用極限平衡法計算的，但該方法也存在較大的缺陷，首先極限平衡法通常是假設土體為剛塑體，而實際土體通常是彈塑性，其次，因為計算通常是先假設安全系數，所以對于邊坡滑動面上各點的安全系數是一樣的，而實際上每一點安全系數是有差別的，然后，由于極限平衡法計算的是土體破壞狀態，也即沒有辦法計算邊坡破壞的發展過程，最后，極限平衡法由于計算方法眾多，不同方法計算結果差別也比較大，實際問題中到底以那種計算結果為準，與設計人員的設計經驗關系很大。

2.有限單元法

有限單元法的基本思想是將所研究的問題離散化，通過對離散體中一個單元分析，然后再將每一個單元結合起來進行總體分析的一種數值計算方法。有限單元法在處理自由度多、邊界條件復雜、幾何形狀復雜等問題具有明顯的優勢，尤其是隨著計算機技術的快速發展，也促使有限單元法的快速發展。

結語

（1）工程中計算邊坡問題應用最多的一種方法就是極限平衡法，尤其是極限平衡法中的條分法，但該方法在處理復雜邊界條件、影響因素較多時存在較多困難難以應用。而有限單元法恰巧在這些方面具有很大的優勢，隨著計算機技術以及有限元理論的的發展，有限單元法勢必成為邊坡工程計算的重要方法。

（2）基于ANSYS軟件的有限單元法分析邊坡問題具有計算效率高，成本低，計算精度高等優勢，所以有限單元法關于邊坡問題的計算理論仍是目前研究的一個重要問題，隨著計算理論的不斷完善，有限單元法將是今后邊坡工程計算的一個重要發展方向。

（作者單位：機械工業勘察設計研究院有限公司成都分公司）