邊坡條件下倉儲建設安全可靠性研究

文/朱建疆

邊坡條件下倉儲建設安全可靠性研究

文/朱建疆

隨著軍事斗爭準備的不斷推進和我軍信息化技術的長足發展，后勤倉儲建設的重要性日益凸顯。但是，我國幅員遼闊，自然災害頻發，尤其西部山地條件下，倉儲庫房的建設面臨諸多困難和挑戰。如何利用現有技術力量，對坡地區域倉儲建設進行安全評估，顯得尤為重要。針對此，本文結合有限元方法和可靠性分析法分析了邊坡條件下倉儲結構的安全可靠性問題，并將這一過程在數值計算程序中得以實現。該法顯著區別于一般方法，能較全面反映坡地整體現狀特征及其變異性，所得結果相對更加合理且更符合工程實際。

邊坡；倉儲；安全；可靠性

1.引言

軍用倉庫，主要擔負軍用物資的接收、保管、維護和分發等任務。在我軍后勤保障中處于重要地位。由于我國地理條件復雜，很多倉庫選址位于山區丘陵地帶，邊坡工程問題非常普遍。同時。我國是亞洲，乃至世界上滑坡災害最為嚴重的地區之一，已受到滑坡和潛在滑坡災害威脅的地區約占全國陸地面積的1/5至1/4，特別是20世紀80年代以來，隨著經濟的高速增長、城市化進程的加快以及自然因素的影響，滑坡災害問題日益突出。滑坡災害不僅給人類的生命帶來嚴重威脅，而且還摧毀工廠、礦山，并嚴重影響鐵路、公路及水電站等重要基礎設施的安全運營，對環境、資源、財產等造成破壞，尤其在人口稠密地區，一旦發生滑坡災害，后果不堪設想。

鑒于上述原因，運用更加科學合理且簡單有效的分析研究方法對邊坡進行穩定性分析，是眾多工程研究人員的追求及目標。經過多年的發展，這一努力表現為了諸多領域的研究成果，包括邊坡穩定分析理論和方法、滑坡治理技術和滑坡預報、邊坡穩定分析理論體系的形成等等。然而遺憾的是，目前被廣泛采用的邊坡穩定性分析方法是一種定值方法，也就是說該方法將影響邊坡穩定性的一切因素看作是確定性的，一成不變的，這恰恰與現實狀況不相符合。用此種方法來進行邊坡穩定性分析的后果只能是低估了邊坡發生失穩的概率。這就可以解釋為什么有些邊坡在常規穩定性分析后得出的結果，其安全系數是符合穩定狀態的，但實際上邊坡卻出現了破壞乃至失穩的情況。所以經過眾多學者的研究發現，實際巖土工程中，除了確定性的影響因素外，還有大量不確定性的影響因素不為人們所明了，比如物理不確定性，它包括結構所受荷載值、巖土體強度、外觀幾何尺寸等等；模型不確定性，它包括為便于分析研究目標的主要矛盾而進行的簡化假設等；另外研究人員涉及最多的應該是統計上的不確定性，它包括巖土結構參數、內部參數等的概率分布類型的模糊性以及統計過程中所用方法的近似性。這些眾多不確定性限于人力、資源、時間以及現條件的影響，無法一一得到詳細地研究與明晰，大多只能做近似模糊處理，但依然有很多因素是無法忽視的。就邊坡問題來說，其土層分類與邊界條件問題、土性參數指標的確定、巖土體材料自有的可變性、室內試驗與現場勘察的誤差、荷載的大小與分布、試驗樣本數量的大小，實際工程外觀的表述等等，這些足以對邊坡穩定性分析的結果帶來嚴重影響。

可見，在邊坡穩定性分析的同時，加入可靠度分析是十分必要且迫切的。

2.有限元分析與可靠度分析

2.1有限元分析

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。有限元計算巖土工程問題有以下優勢：

（1）不論對于何種復雜的地質地貌、環境特征、受力特點的巖土工程，有限元都可以十分近似地模擬，取得令人滿意的精確度。

（2）可以模擬巖土體材料中各種復雜的本構關系、力學特征，并可詳盡地觀察和了解土體受力過程中的應力應變特征。

（3）可以輕松模擬巖土工程施工過程、工況變化、荷載變化等情況，包括滲流、地震、開挖以及加卸載對巖土體的影響。

（4）可視化功能非常強大，可以迅速將計算結果圖形化，得到巖土體破壞模式、破壞位置，并為后續工程處理措施的提出打下良好基礎。

2.2可靠度分析

工程結構可靠性，是指在規定時間和條件下，工程結構具有的滿足預期的安全性、適用性和耐久性等功能的能力。由于影響可靠性的各種因素存在著不定性，如荷載、材料性能等的變異，計算模型的不完善，制作質量的差異等，而且這些影響因素是隨機的，因而工程結構完成預定功能的能力只能用概率度量。結構能夠完成預定功能的概率，稱為可靠概率；結構不能完成預定功能的概率，稱為失效概率。工程結構設計的目的，就是力求最佳的經濟效益，將失效概率限制在人們實踐所能接受的適當程度上。失效概率愈小，可靠度愈大，兩者是互補的。

實際工程中，巖土體材料強度參數常常表現出固有的空間變異性和隨機性，這時屈服判斷的依據不應是屈服函數本身的數值大小，而是這一屈服函數達到屈服極限狀態的可能性大小，即屈服概率的大小。

3.分析關鍵步驟

3.1模擬條件選取

（1）考慮到本文計算中的巖土工程類型和巖土的種類，以及計算過程中的精度控制要求，這里選取理想彈塑性本構模型作為本文土體的本構模型。目前大多計算時碰到的巖土工程實例，計算量控制主要集中在剪切破壞，所以在塑性區分布和大小方面就對計算精度提出了較高的要求，而位移問題則退居其次的位置。理想彈塑性模型正好滿足這一特征。

（2）目前數值計算中常用的屈服準則是由德魯克-普拉格提出來的，所以簡稱為D-P準則。該準則的幾何意義表現在π平面上是圓形的，且其屈服面呈圓錐形狀。因其計算時的高效性，被普遍數值軟件所采用。

3.2有限元建模

（1）單元的選取與計算精度、計算時間以及數據準確有著密不可分的關系。單元結點越多，計算精度越高，但同時自由度也越多，需要輸入的數據越多，數學計算中的矩陣方程增加明顯，有限元程序計算所耗的時間成倍增加。所以，單元的類型應理性選擇，同時也要兼顧實際需求。

（2）本文主要目的是研究巖土體的極限破壞模式和其破壞狀態時的安全系數，所以強度問題就是本文中巖土工程體模擬的重點所在。由此，巖土材料選擇理想彈塑性模型，參數包括：土體重度、土體彈性模量、泊松比、內摩擦角和黏聚力。需要注意的是，這些材料參數在輸入時一定要注意其單位制的一致性，本文中全部采用國際單位制。

（3）巖土體的幾何圖形繪制時要注意幾個方面：一是幾何外貌盡量符合現狀，但也不必細致入微。抓住巖土體的重要特征和關鍵點即可滿足精度要求。其次，幾何尺寸大小控制要得當，比例尺選擇合理。這樣建立起來的模型成像效果才會良好，并且在后處理時會方便操作。

圖1 邊坡有限元模型

表1 材料輸入參數

表2 變量輸入參數

4.算例分析

假定邊坡為非線性彈塑性體，采用D-P彈塑性模型。坡高15m，坡寬30m，其基本物理力學參數取值見表1。變量輸入參數見表2.

計算結果顯示，該邊坡安全系數1.23，失穩概率13.8%，需要進行加固。

5.結論

將有限元方法和可靠性分析法結合，用于山地邊坡穩定性可靠度分析，可較全面地反映邊坡巖土體材料強度參數的變異性，避免不必要的設計浪費和不足，為邊坡地區倉儲庫房設計和研究提供了一條新的有效途徑。

（作者單位： 69006部隊）

［1］陳祖煜.土質邊坡穩定性分析－原理、方法、程序［M］.中國水利水電出版社.2003.

［2］朱伯芳.有限單元法原理與應用［M］.北京：中國水利水電出版社.2009.

［3］趙國藩.工程結構可靠性理論與應用.［M］.大連：大連理工大學出版社.1996.

［4］李權.ANSYS在土木工程中的應用［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［5］高慶華，聶高眾，張業成等.中國減災需求與綜合減災——《國家綜合減災“十一五”規劃》相關重大問題研究［M］.北京：氣象出版社，2007.

★簡訊★

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