巖土邊坡危巖應力場數值模擬分析

摘要：為掌握巖土邊坡危巖的失穩條件，提高巖土結構整體穩定性，本文以某巖土邊坡危巖為例，對應力場數值模擬進行研究。根據巖土邊坡危巖所在地的基本情況、地質情況，收集有關巖土邊坡危巖的相關數據，使用GIS（地理信息系統）或其他相關軟件，建立巖土邊坡危巖數值模擬幾何模型，劃分模型中的網格與單元，對危巖應力場進行數值模擬與應力計算。通過巖土邊坡危巖最大應力分布分析、開挖條件下危巖后部裂縫應力變化趨勢分析，證明設計的方法可以對巖土邊坡危巖應力場進行數值模擬，模擬的危巖應力值、相關結果與工程項目實際情況的適配度較高。

關鍵詞：巖土邊坡；網格劃分；幾何模型；數值模擬；應力場；危巖

中圖分類號：P642""""""""" 文獻標志碼：A

在自然災害中，邊坡失穩是一種常見的災害類型，例如山體滑坡、泥石流等，這些災害造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。因此，對巖土邊坡危巖應力場的研究具有很重要的意義[1]。通過危巖應力場的數值模擬分析，可以深入了解邊坡內部的應力分布、位移變化以及失穩機制等，為邊坡穩定性分析和加固設計提供了重要的理論依據[2]。隨著計算機技術和數值計算方法的不斷發展，對巖土邊坡危巖應力場進行數值模擬分析成為了一種重要的研究手段[3]。本文將以某巖土邊坡危巖為例，對應力場數值模擬進行研究，通過深入研究危巖應力場，可以更好地預測和防止邊坡失穩帶來的災害，為保障人類生命財產安全提供重要的科學支撐。

1工程概況

巖土邊坡危巖應力場的研究需要涉及多個學科，地質學家、地球科學家、力學專家、數學家等跨學科合作可以促進對邊坡應力場的深入研究和理解。同時，隨著全球氣候變化和地質災害加劇，國際間的合作也變得越來越重要。共享研究數據和方法、聯合進行科學研究等國際合作有助于提高對巖土邊坡危巖應力場的研究水平，并為應對全球性的自然災害提供有效的技術支持[4]。為深化這方面內容的研究，本文以某地區大型巖土邊坡工程項目為例，對此工程中的圍巖應力場進行分析。

為保證相關工作實施的規范性，在研究前，對巖土邊坡工程所在地基本情況進行分析。對巖土邊坡危巖所在地的概況進行現場勘查，基本情況見表1。

根據技術單位與有關部門的現場勘查與整理調研，發現巖土邊坡危巖表層主要由土石混合物構成，對現場土層進行調研與分析，掌握項目所在地的地質情況[5]。相關內容見表2。根據工程方的探測結果，在巖土邊坡位置存在較大的斷層。同時，在現場采用鉆探、坑槽探等方式，對巖土邊坡危巖進行分析，發現邊坡中還存在局部碎裂帶，但現階段未發現碎裂帶有明顯的順坡滑移趨勢，即目前巖土邊坡危巖結構仍未形成統一的滑動破壞面[6]。為更加直觀地掌握巖土邊坡危巖應力場，本文將以此工程項目為例，對邊坡危巖的應力場進行分析。

2巖土邊坡危巖應力場數值模擬方法

為滿足巖土邊坡危巖應力場數值模擬需求，設計方法前，應先對邊坡危巖數值模擬幾何空間模型進行構建[7]。在構建過程中，需要收集有關巖土邊坡危巖的相關數據，包括地質勘察數據、地貌形態數據、巖石類型和性質、土壤類型和性質、水文地質數據等。根據工程需求，本次收集巖土體物理力學參數見表3。

使用GIS（地理信息系統）或其他相關軟件，根據收集到的數據，建立邊坡的幾何模型。這個模型應該能夠反映邊坡的形狀、大小、坡度以及可能的變形等。

在建立數值模擬幾何空間模型的過程中，劃分模型網格是重要的一步。在此過程中，根據研究的需求和目標，確定模型的范圍，可以包括整個邊坡區域，或者只是邊坡的一部分。根據模型的復雜性和研究需求，選擇合適的網格類型。在巖土工程領域，常見的網格類型包括四面體網格、六面體網格、混合網格等。四面體網格處理復雜地形和不規則物體時較為靈活，而六面體網格處理大規模、規則的區域時效率較高。確定需要在模型中劃分的網格數量。一般來說，為了獲得更準確的結果，需要在模型的關鍵區域（例如危巖體附近）使用更精細的網格。當劃分網格時，需要注意以下幾點：保證所有網格節點都在模型范圍內，并且彼此之間存在連接，避免產生畸形的網格。在關鍵區域使用更精細的網格，以保證能捕捉區域的詳細情況。

完成網格劃分后，檢查網格的質量。包括檢查網格的連通性、形狀、大小等。如果發現有質量問題，就需要返回網格劃分步驟進行調整。在合適的部位應用邊界條件（例如固定邊界、自由邊界等），并根據研究需求對模型進行加載。如果發現模擬結果與實際觀測數據存在較大差異，或者模擬結果本身的分布不均勻等情況，就需要優化網格。這可能包括調整網格的大小、形狀、密度等。如果優化后仍不能滿足要求，就需要重復以上步驟，直到得到滿意的模擬結果為止。

完成邊坡網格與單元條件的劃分后，識別可能產生滑動、崩塌等危險的巖體，即危巖體。危巖體識別需要考慮多種因素，例如巖石的物理性質、裂隙分布、風化程度、節理裂隙密度和深度等。使用數值模擬軟件，例如FLAC、ANSYS、ABAQUS等，對這些危巖體進行模擬。以巖土邊坡危巖為例，建立巖體崩塌力學模型，如圖1所示。

當巖層中對應的A點位置為破壞面時，CD面對應的C點位為最大拉應力點，對C點位置的拉應力進行計算，計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：σc為C點位置的拉應力；M為巖體風化面；y為最大拉力；I為拉力系數；W1、W2為對應的兩次拉力值；a、b為巖層厚度與突出危巖層厚度；h為危巖層所在的高程高度。經過計算后，如果出現σcgt;巖土邊坡抗拉強度的情況，那么巖體將發生拉裂行為，此時，巖土邊坡上部結構將形成拉裂面，危巖將沿著A點發生轉動，根據巖體工程力矩平衡原理，可以按照公式（2）計算巖土邊坡危巖應力穩定系數。

（2）

式中：K為巖土邊坡危巖應力穩定系數；L1為巖土邊坡抗拉強度；L2為巖土邊坡危巖轉動力矩。當巖土邊坡危巖應力穩定系數Klt;時，說明巖土邊坡危巖存在滑坡、坍塌等安

全風險。

3巖應力場數值模擬結果與分析

3.1巖土邊坡危巖最大應力分布分析

按照上述內容，對巖土邊坡危巖應力場進行數值模擬。在模擬過程中，應明確巖土邊坡危巖的最大應力分布主要受到邊坡的形狀、大小、坡度、地質條件和巖體結構等多種因素的影響，邊坡的形狀和大小直接影響應力分布。一般來說，邊坡較大和坡度較陡都會導致應力分布更加不均勻。在邊坡的臨空面附近，應力通常會集中，并且最大主應力會平行于臨空面。地質條件是影響應力分布的重要因素。例如，不同的巖石類型和結構以及地質構造（斷層和褶皺等），都會對最大應力的分布產生影響。因此，在綜合研究后，提出使用本文設計的方法，分析巖土邊坡危巖最大應力分布，并繪制巖土邊坡危巖最大應力分布云圖，如圖2所示。從圖2可以看出，邊坡危巖位于巖土上方區域，最大應力分布在巖土地表且隨著深度增加，最大應力呈現下降趨勢。

根據工程實踐與現場勘查可知，使用本文方法進行巖土邊坡危巖應力場數值模擬，以此種方式，得到的邊坡危巖最大應力分布云圖與實際較為適配。

3.2開挖條件下危巖后部裂縫應力變化

完成上述內容的研究后，對巖土邊坡開挖條件下，危巖后部裂縫應力變化進行分析。在開挖條件下，危巖后部的裂縫應力會發生變化。這些變化可能受到多種因素的影響，包括邊坡的形狀和大小、地質條件、巖體結構、邊界條件和加載條件等。一般來說，開挖會導致危巖后部應力重新分布。在開挖前，危巖處于一個相對平衡的狀態，應力場是穩定的。但是，當進行開挖時，原有的應力平衡狀態會被打破，應力場會重新調整。在這個過程中，危巖后部的裂縫應力可能會發生變化。

通常情況下，在開挖過程中，特別是在臨空面附近，應力可能會重新分布并集中。這可能會導致危巖后部的裂縫應力增加，從而使裂縫擴展或產生新的裂縫。為進一步掌握裂縫的應力變化趨勢，按照本文提出的方法，對危巖開挖條件下后部裂縫應力場進行數值模擬，其結果如圖3所示。

由圖3可知，將危巖開挖劃分為8個工況，當開始開挖時，危巖的應力場尚未發生顯著變化，對應的后部裂縫應力值為0，隨著開挖工作的持續推進，后部裂縫應力呈現一定的下降趨勢，在原有的應力場中，危巖后部的應力可能是平行于邊坡的。但是，開挖后，應力可能會發生偏轉，使應力方向更加垂直于邊坡，造成應力值下降，但隨著開挖工作的持續推進，裂縫應力值上升，并與工況呈現一定的線性趨勢，如果持續開挖，應力值超出巖體結構的應力穩定系數，在裂縫位置會出現危巖結構失穩與坍塌情況。

4結語

以某巖土邊坡危巖為例，通過建立巖土邊坡危巖數值模擬幾何空間模型、模型網格與界面單元條件劃分、危巖應力場數值模擬與巖體失穩應力計算，對應力場數值模擬進行研究。盡管本次設計的方法在實際應用中已經取得了一定的成績，但截至目前，相關巖土邊坡危巖應力場的研究仍然存在許多挑戰和問題。例如，地質條件的復雜性和不確定性、計算模型的精度和可靠性、數值模擬的效率和精度等問題。因此，在后續工作中，需要進一步對巖土邊坡危巖應力場進行研究，完善數值模擬方法和技術，提高預測和預防邊坡失穩的能力。同時，也需要加強國際合作和跨學科合作，促進對邊坡應力場的深入研究和理解，全面提高巖土邊坡危巖應力場的研究水平，并為應對全球性的自然災害提供有效的技術支持。

參考文獻

[1]周書紅，張懷，孫云強，等. 青藏高原東北緣與主要斷裂帶相關的構造應力率和應變率場的數值模擬[J]. 中國科學：地球科學，2023，53（10）：2392-2406.

[2]劉曲. 水化熱抑制劑摻量和結構厚度對水閘溫度場和應力場影響分析[J]. 水利技術監督，2023（6）：185-190，243.

[3]張慶賀，王曉蕊，袁亮. 煤炭地下氣化多場耦合數值模擬程序開發及多場演化規律[J]. 煤炭學報，2023，48（6）：2506-2518.

[4]杜海龍，閆亮明，米帥，等. 同軸送粉激光增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金應力場數值模擬[J]. 輕合金加工技術，2023，51（3）：21-30.

[5]高中亮，李洪博，張麗麗，等. 有限元數值模擬技術在潛山裂縫定量預測中的應用——以珠江口盆地惠州凹陷惠州26構造為例[J]. 地質論評，2023，69（2）：591-602.

[6]張云舒，邵丹丹，丁東紅，等. 層間強制冷卻對電弧熔絲增材制造鈦合金溫度場和應力場的影響[J]. 電焊機，2023，53（2）：111-116.

[7]吳立新，盧菁琛，毛文飛，等. 基于斷層傾角分段變化的瑪多地震發震斷層構造應力場演化數值模擬分析[J]. 地球物理學報，2022，65（10）：3844-3857.