巖土工程邊坡穩定性數值模擬分析

摘 要：針對單向形式的邊坡穩定性數值模擬結構受限的問題，本文提出了多階邊坡穩定性數值網格模擬結構。首先，采集巖土工程基礎模擬數據，并為折減系數賦值。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定性數值模型。最后，使用FLAC輔助處理實現數值模擬。通過實例分析發現，在6個測試區域中，將回彈次數控制在5次以下，驗證了該方法的針對性與穩定性，表明獲取的邊坡穩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；穩定性分析；數值模擬；模擬分析；環境比對

中圖分類號：P 642" " 文獻標志碼：A

巖土工程邊坡穩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]。一般是通過數值模擬的方式來實現傳統的邊坡穩定性，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境及特定因素的影響，導致最終結果出現誤差，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定性數值模擬進行分析和研究。

1 工程概況

本研究對D大橋邊坡進行穩定性數值模擬。該邊坡為一座主塔位工程，主跨跨度為1550m，懸索橋狀態。主塔總高度為120m，寬度為60.5m，位置在海中小山島上。地質環境復雜，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。這種狀態導致邊坡穩定性不達標，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。調研發現，D工程的西南側邊坡最容易發生大規模失穩，其他區域僅范圍變動失穩，覆蓋范圍可控。基于施工要求和標準，通過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值模擬分析。

2 設計巖土工程邊坡穩定性數值模擬方法

2.1 巖土工程基礎模擬數據采集

基礎模擬數據[3]的采集數據包括巖土體物理性質數據，這部分的數據大多數是固定標準，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據設定見表1。

結合表1，對巖土工程基礎模擬物理性質數據進行設定。在數據分類匯總以及整合篩選后，定期存儲，以待后續使用。

2.2 折減系數賦值

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境因素的影響，因此需要利用折減系數對其進行修正。具體來說，折減系數考慮了邊坡地表高度、邊坡最小穩定性、穩定性變化的限值等因素，對原始參數進行折減或調整，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定性，從而為工程設計和施工提供更可靠的參考依據。結合上述采集的基礎數據和信息，針對當期邊坡穩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，對邊坡地表高度數值進行計算，如公式（1）所示。

（1）

式中：G為邊坡地表高度數值；i為權系值；m為覆蓋穩定范圍；λ為轉化均值；t為樣本的高度數值。針對邊坡穩定性進行數值分析[4]，利用強度折減法（Strength Reduction Method）測算邊坡巖石土層邊坡最小穩定性數值，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定性數值；k為覆蓋范圍；?為受力均值；θ為土體強度標準；d為荷載值。根據當前計算的邊坡地表高度數值和邊坡巖石土層邊坡最小穩定性數值，適當調整土體，在折減增進過程中，如果當前的模型出現異?；蛘呶：?，就會形成一個臨界限值，在該限值內為邊坡穩定范圍，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；?為折減作用區域。結合當前測試，對邊坡臨界限值進行計算。

折減系數的合理賦值直接影響了數值模擬結構中使用的各項參數和計算模型，從而對邊坡穩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。

2.3 設計多階邊坡穩定性數值網格模擬結構

基于邊坡折減系數處理，當建立多階邊坡穩定性數值模擬結構時[5]，折減系數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）對數值進行模擬，當設置折減系數時需要根據該方法的原理和要求進行調整，保證兩者相互協調，使模擬結構能夠準確地反映邊坡材料的強度特征，因此，設計了邊坡穩定性數值網格模擬結構。利用 ICMP 構建數值程序，結合三維有限元方法，采用網格劃分和多項式設置感應節點。使用 CTM 復雜算法進行剖分積分子域，實現邊坡數值可視化網格模擬。如圖1所示。

結合圖1，對邊坡數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，為后續建模提供了基礎。利用 ICMP 方法調整數值模擬基礎實現步驟。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定性數值網格模擬結構的執行流程，如圖2所示。

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

2.4 三維有限元邊坡穩定性數值模擬建模

對邊坡穩定性數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，實現邊坡穩定性數值模擬建模。需要對垂直高邊坡的穩定性進行基礎分析，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據和信息，在數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據、信息轉換，并將不同的數值模擬區域建立關聯，調整當前的數值模擬建模指標與參數，具體見表2。

結合表2，對三維有限元邊坡數值模擬建模指標及參數進行設定。在此基礎上，利用ANSYS 生成對應的數值模擬節點，構建對應的輔助性坐標，將初始采集的單元數據信息導入內置結構中，轉換成 FLAC3D 格式，建立一個初始的數值模擬模型，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，調整基礎數據參數。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，當前的情況大多發生在邊坡坡體的淺部，當設計模型時，盡量調整數值模擬的邊界條件，保證各區域、各位置的水平構造應力穩定。3）測定邊坡的初始地應力，將其設定為自重地應力場，根據得出的數據和信息，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定性數值模擬模型中，多維動態化判定當前巖土工程邊坡的形態以及土層分布狀況，分析穩定情況。通過建立模型，計算邊坡各點位的最大主應力，判定邊坡的穩定程度，輸出當前的數值模擬基礎性結果，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 輔助處理實現數值模擬

在對三維有限元邊坡穩定性數值進行模擬建模后，需要對得出的數值模擬結果進行二次驗證，采用FLAC 輔助處理的方式，獲取最終的數值模擬結果。根據上述建立的模型，對邊坡穩定性數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，測算當前的穩定平衡比，一般控制在4.5～6.5，隨后，結合當前的實際穩定性判定情況，調整模型中對應的邊界條件，形成對應的數值模擬塑性圖，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值模擬環境，獲取對應狀態下的模擬情況，對數值模擬任務進行處理。

3 數值模擬實例結果分析

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

結合表3，得出以下結論：當針對選定的6個測試區域進行數值模擬時，最終得出的回彈次數控制在5次以下，說明此次設計的數值模擬方法的針對性與穩定性更佳，獲取的邊坡穩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、多層級的數值模擬框架，從多個角度進行建立數值模型，從邊坡的框架、邊坡排水、邊坡加固、邊坡穩定等方向進行動態化模擬分析，從而更好地對最終邊坡進行優化與多維加固，打破傳統數值模擬方法在巖土工程領域應用存在的局限性，合理選擇以及關聯使用，推動相關行業、領域和技術的創新，為巖土工程領域的發展帶來更加重要的貢獻和參考。

參考文獻

[1]吳鵬.和若鐵路粉細砂包芯路基邊坡穩定性數值模擬分析[J].西部交通科技，2023（8）：168-173.

[2]牛犇，陳煒昀，劉志軍，等.沉管隧道沉放過程中海底基槽邊坡穩定性的數值模擬分析[J].工業建筑，2023，53（6）：31-36.

[3]鄧勇，蘭云.富水工況下公路高邊坡穩定性數值模擬分析[J].水力發電，2023，49（8）：56-59.

[4]董驁.順層邊坡穩定性影響因素數值模擬分析[J].安徽建筑，2023，30（2）：139-141.

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