基于有限元模擬的地災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

（中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司，北京市，10071） 郭 達(dá) 黃紀(jì)祥 王 剛 鄭 華

（河北建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，河北保定市，071051） 王 震

高陡邊坡地災(zāi)是指由于各種原因而導(dǎo)致高陡邊坡發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，如滑坡、崩塌、泥石流等。高陡邊坡地災(zāi)對(duì)于工程建設(shè)和人類生命財(cái)產(chǎn)安全具有嚴(yán)重威脅，因此，開展高陡邊坡地災(zāi)監(jiān)測(cè)工作具有十分重要的意義。有限元分析技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)之一，其具有分析精度高、實(shí)時(shí)性好、監(jiān)測(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在高陡邊坡地災(zāi)監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，國(guó)內(nèi)外研究者在高陡邊坡地災(zāi)監(jiān)測(cè)有限元分析技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究。國(guó)內(nèi)研究者主要關(guān)注高陡邊坡地災(zāi)監(jiān)測(cè)的實(shí)用性和適用性，嘗試將有限元分析技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)際中，如滑坡形成機(jī)理、巖土力學(xué)特性、地下水滲流等方面的研究。國(guó)外研究者則更加注重技術(shù)創(chuàng)新和研究方法的完善，如有限元模型的建立和驗(yàn)證、參數(shù)識(shí)別和災(zāi)害模擬等方面的研究[2]。

2 有限元分析技術(shù)在高陡邊坡地災(zāi)監(jiān)測(cè)中的原理和方法

2.1 有限元分析技術(shù)原理

有限元分析技術(shù)是一種基于數(shù)學(xué)模型的分析方法，通過將有限體積的連續(xù)體分割為有限個(gè)小單元，將連續(xù)體的物理問題轉(zhuǎn)化為小單元的物理問題，最終通過組裝小單元的結(jié)果得到整個(gè)連續(xù)體的結(jié)果。該方法可以對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題進(jìn)行分析和計(jì)算，常用于工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究中。

2.1.1 建立有限元模型

有限元模型是對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的抽象和簡(jiǎn)化，包括幾何模型和材料模型。幾何模型通常采用CAD 軟件進(jìn)行建模，將結(jié)構(gòu)劃分為若干有限元單元。材料模型是對(duì)結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，通常采用材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到。

2.1.2 確定邊界條件和加載條件

邊界條件和加載條件是指對(duì)模型所施加的約束和載荷。在有限元分析中，邊界條件和加載條件的正確設(shè)定對(duì)結(jié)果的精度和可靠性具有重要影響。

2.1.3 求解有限元方程

通過將有限元模型分割為若干個(gè)小單元，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程組，并通過求解數(shù)學(xué)方程組得到每個(gè)單元的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等物理量。最終，通過組裝所有單元的結(jié)果得到整體的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等物理量。

2.2 有限元分析在高陡邊坡地災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.2.1 邊坡穩(wěn)定性分析

有限元分析可以通過建立邊坡的有限元模型，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過分析邊坡的位移和應(yīng)力分布，可以預(yù)測(cè)邊坡的破壞模式和破壞時(shí)間，為邊坡的監(jiān)測(cè)和管理提供參考依據(jù)。

2.2.2 變形特征分析

有限元分析可以對(duì)邊坡的變形特征進(jìn)行分析，包括位移、形變等。通過對(duì)邊坡變形的監(jiān)測(cè)和分析，可以預(yù)測(cè)邊坡的變形趨勢(shì)和變形量，為邊坡穩(wěn)定性評(píng)估和防治提供重要依據(jù)。

在有限元分析中，可以通過建立邊坡的三維有限元模型，對(duì)其進(jìn)行靜力分析和動(dòng)力分析，分析邊坡在各種外力和內(nèi)力作用下的變形情況，得出邊坡在不同情況下的穩(wěn)定性情況。同時(shí)，還可以進(jìn)行敏感性分析，確定各參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響大小，為邊坡設(shè)計(jì)提供參考[4]。

在有限元分析中，還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)變形分析和地震響應(yīng)分析[5]。動(dòng)態(tài)變形分析是指在邊坡受到動(dòng)態(tài)荷載作用下的變形分析，可以分析邊坡的應(yīng)力波傳播和反射規(guī)律，得出邊坡的破壞模式和破壞形態(tài)，為邊坡的防治提供參考。地震響應(yīng)分析是指在地震作用下邊坡的變形特征分析，可以評(píng)估邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性和破壞機(jī)制，為邊坡的防治提供參考。

2.3 有限元分析在高陡邊坡地災(zāi)監(jiān)測(cè)中使用步驟

2.3.1 建立幾何模型

根據(jù)實(shí)際情況，建立幾何模型，包括邊坡的各項(xiàng)實(shí)際參數(shù)。一般采用AutoCAD 等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件建立幾何模型。

2.3.2 確定邊界條件和材料參數(shù)

確定邊坡的固結(jié)邊界和自由邊界。根據(jù)實(shí)際情況，可以選擇邊坡上、下兩個(gè)邊界為固結(jié)邊界，其余邊界為自由邊界[6]。選擇合適的邊坡材料參數(shù)，包括土的抗剪強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等。

2.3.3 網(wǎng)格劃分和建立模型

將邊坡模型離散成有限個(gè)小單元，通過有限元離散方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的小單元為模型中的有限元。在建立有限元模型的過程中，需要考慮計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率的平衡。

2.3.4 定義加載、進(jìn)行模擬

根據(jù)實(shí)際情況，定義外部荷載和邊界條件。然后在有限元模擬軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算。通過計(jì)算，得到模型的應(yīng)力、應(yīng)變和變形等參數(shù)以及模型的穩(wěn)定性分析結(jié)果。

2.3.5 結(jié)果分析

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害類型和規(guī)模并進(jìn)行對(duì)策制定。

3 結(jié)語

有限元分析技術(shù)在高陡邊坡地災(zāi)監(jiān)測(cè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過有限元分析技術(shù)可以對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，為工程建設(shè)和人類生命財(cái)產(chǎn)安全提供可靠的保障。同時(shí)由于邊坡的復(fù)雜性和非線性問題，有限元分析技術(shù)仍然存在一些局限性和不足，如需要大量的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理以及參數(shù)的選擇和模型的準(zhǔn)確性等問題[7]。因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要結(jié)合實(shí)際情況和工程要求合理選擇有限元分析技術(shù)，并加強(qiáng)對(duì)技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新，提高技術(shù)的可靠性和實(shí)用性。