巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬分析

摘要：為掌握巖土邊坡危巖的失穩(wěn)條件，提高巖土結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，本文以某巖土邊坡危巖為例，對(duì)應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬進(jìn)行研究。根據(jù)巖土邊坡危巖所在地的基本情況、地質(zhì)情況，收集有關(guān)巖土邊坡危巖的相關(guān)數(shù)據(jù)，使用GIS（地理信息系統(tǒng)）或其他相關(guān)軟件，建立巖土邊坡危巖數(shù)值模擬幾何模型，劃分模型中的網(wǎng)格與單元，對(duì)危巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與應(yīng)力計(jì)算。通過(guò)巖土邊坡危巖最大應(yīng)力分布分析、開挖條件下危巖后部裂縫應(yīng)力變化趨勢(shì)分析，證明設(shè)計(jì)的方法可以對(duì)巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬的危巖應(yīng)力值、相關(guān)結(jié)果與工程項(xiàng)目實(shí)際情況的適配度較高。

關(guān)鍵詞：巖土邊坡；網(wǎng)格劃分；幾何模型；數(shù)值模擬；應(yīng)力場(chǎng)；危巖

中圖分類號(hào)：P642""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在自然災(zāi)害中，邊坡失穩(wěn)是一種常見(jiàn)的災(zāi)害類型，例如山體滑坡、泥石流等，這些災(zāi)害造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)的研究具有很重要的意義[1]。通過(guò)危巖應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬分析，可以深入了解邊坡內(nèi)部的應(yīng)力分布、位移變化以及失穩(wěn)機(jī)制等，為邊坡穩(wěn)定性分析和加固設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的不斷發(fā)展，對(duì)巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)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(duì)應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬進(jìn)行研究，通過(guò)深入研究危巖應(yīng)力場(chǎng)，可以更好地預(yù)測(cè)和防止邊坡失穩(wěn)帶來(lái)的災(zāi)害，為保障人類生命財(cái)產(chǎn)安全提供重要的科學(xué)支撐。

1工程概況

巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)的研究需要涉及多個(gè)學(xué)科，地質(zhì)學(xué)家、地球科學(xué)家、力學(xué)專家、數(shù)學(xué)家等跨學(xué)科合作可以促進(jìn)對(duì)邊坡應(yīng)力場(chǎng)的深入研究和理解。同時(shí)，隨著全球氣候變化和地質(zhì)災(zāi)害加劇，國(guó)際間的合作也變得越來(lái)越重要。共享研究數(shù)據(jù)和方法、聯(lián)合進(jìn)行科學(xué)研究等國(guó)際合作有助于提高對(duì)巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)的研究水平，并為應(yīng)對(duì)全球性的自然災(zāi)害提供有效的技術(shù)支持[4]。為深化這方面內(nèi)容的研究，本文以某地區(qū)大型巖土邊坡工程項(xiàng)目為例，對(duì)此工程中的圍巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。

為保證相關(guān)工作實(shí)施的規(guī)范性，在研究前，對(duì)巖土邊坡工程所在地基本情況進(jìn)行分析。對(duì)巖土邊坡危巖所在地的概況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，基本情況見(jiàn)表1。

根據(jù)技術(shù)單位與有關(guān)部門的現(xiàn)場(chǎng)勘查與整理調(diào)研，發(fā)現(xiàn)巖土邊坡危巖表層主要由土石混合物構(gòu)成，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土層進(jìn)行調(diào)研與分析，掌握項(xiàng)目所在地的地質(zhì)情況[5]。相關(guān)內(nèi)容見(jiàn)表2。根據(jù)工程方的探測(cè)結(jié)果，在巖土邊坡位置存在較大的斷層。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)采用鉆探、坑槽探等方式，對(duì)巖土邊坡危巖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)邊坡中還存在局部碎裂帶，但現(xiàn)階段未發(fā)現(xiàn)碎裂帶有明顯的順坡滑移趨勢(shì)，即目前巖土邊坡危巖結(jié)構(gòu)仍未形成統(tǒng)一的滑動(dòng)破壞面[6]。為更加直觀地掌握巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)，本文將以此工程項(xiàng)目為例，對(duì)邊坡危巖的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。

2巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬方法

為滿足巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬需求，設(shè)計(jì)方法前，應(yīng)先對(duì)邊坡危巖數(shù)值模擬幾何空間模型進(jìn)行構(gòu)建[7]。在構(gòu)建過(guò)程中，需要收集有關(guān)巖土邊坡危巖的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)、地貌形態(tài)數(shù)據(jù)、巖石類型和性質(zhì)、土壤類型和性質(zhì)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)等。根據(jù)工程需求，本次收集巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

使用GIS（地理信息系統(tǒng)）或其他相關(guān)軟件，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，建立邊坡的幾何模型。這個(gè)模型應(yīng)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(shù)值模擬幾何空間模型的過(guò)程中，劃分模型網(wǎng)格是重要的一步。在此過(guò)程中，根據(jù)研究的需求和目標(biāo)，確定模型的范圍，可以包括整個(gè)邊坡區(qū)域，或者只是邊坡的一部分。根據(jù)模型的復(fù)雜性和研究需求，選擇合適的網(wǎng)格類型。在巖土工程領(lǐng)域，常見(jiàn)的網(wǎng)格類型包括四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格、混合網(wǎng)格等。四面體網(wǎng)格處理復(fù)雜地形和不規(guī)則物體時(shí)較為靈活，而六面體網(wǎng)格處理大規(guī)模、規(guī)則的區(qū)域時(shí)效率較高。確定需要在模型中劃分的網(wǎng)格數(shù)量。一般來(lái)說(shuō)，為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，需要在模型的關(guān)鍵區(qū)域（例如危巖體附近）使用更精細(xì)的網(wǎng)格。當(dāng)劃分網(wǎng)格時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：保證所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)都在模型范圍內(nèi)，并且彼此之間存在連接，避免產(chǎn)生畸形的網(wǎng)格。在關(guān)鍵區(qū)域使用更精細(xì)的網(wǎng)格，以保證能捕捉區(qū)域的詳細(xì)情況。

完成網(wǎng)格劃分后，檢查網(wǎng)格的質(zhì)量。包括檢查網(wǎng)格的連通性、形狀、大小等。如果發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量問(wèn)題，就需要返回網(wǎng)格劃分步驟進(jìn)行調(diào)整。在合適的部位應(yīng)用邊界條件（例如固定邊界、自由邊界等），并根據(jù)研究需求對(duì)模型進(jìn)行加載。如果發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)存在較大差異，或者模擬結(jié)果本身的分布不均勻等情況，就需要優(yōu)化網(wǎng)格。這可能包括調(diào)整網(wǎng)格的大小、形狀、密度等。如果優(yōu)化后仍不能滿足要求，就需要重復(fù)以上步驟，直到得到滿意的模擬結(jié)果為止。

完成邊坡網(wǎng)格與單元條件的劃分后，識(shí)別可能產(chǎn)生滑動(dòng)、崩塌等危險(xiǎn)的巖體，即危巖體。危巖體識(shí)別需要考慮多種因素，例如巖石的物理性質(zhì)、裂隙分布、風(fēng)化程度、節(jié)理裂隙密度和深度等。使用數(shù)值模擬軟件，例如FLAC、ANSYS、ABAQUS等，對(duì)這些危巖體進(jìn)行模擬。以巖土邊坡危巖為例，建立巖體崩塌力學(xué)模型，如圖1所示。

當(dāng)巖層中對(duì)應(yīng)的A點(diǎn)位置為破壞面時(shí)，CD面對(duì)應(yīng)的C點(diǎn)位為最大拉應(yīng)力點(diǎn)，對(duì)C點(diǎn)位置的拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

（1）

式中：σc為C點(diǎn)位置的拉應(yīng)力；M為巖體風(fēng)化面；y為最大拉力；I為拉力系數(shù)；W1、W2為對(duì)應(yīng)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(jīng)過(guò)計(jì)算后，如果出現(xiàn)σcgt;巖土邊坡抗拉強(qiáng)度的情況，那么巖體將發(fā)生拉裂行為，此時(shí)，巖土邊坡上部結(jié)構(gòu)將形成拉裂面，危巖將沿著A點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)巖體工程力矩平衡原理，可以按照公式（2）計(jì)算巖土邊坡危巖應(yīng)力穩(wěn)定系數(shù)。

（2）

式中：K為巖土邊坡危巖應(yīng)力穩(wěn)定系數(shù)；L1為巖土邊坡抗拉強(qiáng)度；L2為巖土邊坡危巖轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。當(dāng)巖土邊坡危巖應(yīng)力穩(wěn)定系數(shù)Klt;時(shí)，說(shuō)明巖土邊坡危巖存在滑坡、坍塌等安

全風(fēng)險(xiǎn)。

3巖應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1巖土邊坡危巖最大應(yīng)力分布分析

按照上述內(nèi)容，對(duì)巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。在模擬過(guò)程中，應(yīng)明確巖土邊坡危巖的最大應(yīng)力分布主要受到邊坡的形狀、大小、坡度、地質(zhì)條件和巖體結(jié)構(gòu)等多種因素的影響，邊坡的形狀和大小直接影響應(yīng)力分布。一般來(lái)說(shuō)，邊坡較大和坡度較陡都會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力分布更加不均勻。在邊坡的臨空面附近，應(yīng)力通常會(huì)集中，并且最大主應(yīng)力會(huì)平行于臨空面。地質(zhì)條件是影響應(yīng)力分布的重要因素。例如，不同的巖石類型和結(jié)構(gòu)以及地質(zhì)構(gòu)造（斷層和褶皺等），都會(huì)對(duì)最大應(yīng)力的分布產(chǎn)生影響。因此，在綜合研究后，提出使用本文設(shè)計(jì)的方法，分析巖土邊坡危巖最大應(yīng)力分布，并繪制巖土邊坡危巖最大應(yīng)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(qū)域，最大應(yīng)力分布在巖土地表且隨著深度增加，最大應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

根據(jù)工程實(shí)踐與現(xiàn)場(chǎng)勘查可知，使用本文方法進(jìn)行巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，以此種方式，得到的邊坡危巖最大應(yīng)力分布云圖與實(shí)際較為適配。

3.2開挖條件下危巖后部裂縫應(yīng)力變化

完成上述內(nèi)容的研究后，對(duì)巖土邊坡開挖條件下，危巖后部裂縫應(yīng)力變化進(jìn)行分析。在開挖條件下，危巖后部的裂縫應(yīng)力會(huì)發(fā)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(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)、邊界條件和加載條件等。一般來(lái)說(shuō)，開挖會(huì)導(dǎo)致危巖后部應(yīng)力重新分布。在開挖前，危巖處于一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)，應(yīng)力場(chǎng)是穩(wěn)定的。但是，當(dāng)進(jìn)行開挖時(shí)，原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)會(huì)被打破，應(yīng)力場(chǎng)會(huì)重新調(diào)整。在這個(gè)過(guò)程中，危巖后部的裂縫應(yīng)力可能會(huì)發(fā)生變化。

通常情況下，在開挖過(guò)程中，特別是在臨空面附近，應(yīng)力可能會(huì)重新分布并集中。這可能會(huì)導(dǎo)致危巖后部的裂縫應(yīng)力增加，從而使裂縫擴(kuò)展或產(chǎn)生新的裂縫。為進(jìn)一步掌握裂縫的應(yīng)力變化趨勢(shì)，按照本文提出的方法，對(duì)危巖開挖條件下后部裂縫應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，將危巖開挖劃分為8個(gè)工況，當(dāng)開始開挖時(shí)，危巖的應(yīng)力場(chǎng)尚未發(fā)生顯著變化，對(duì)應(yīng)的后部裂縫應(yīng)力值為0，隨著開挖工作的持續(xù)推進(jìn)，后部裂縫應(yīng)力呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)，在原有的應(yīng)力場(chǎng)中，危巖后部的應(yīng)力可能是平行于邊坡的。但是，開挖后，應(yīng)力可能會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使應(yīng)力方向更加垂直于邊坡，造成應(yīng)力值下降，但隨著開挖工作的持續(xù)推進(jìn)，裂縫應(yīng)力值上升，并與工況呈現(xiàn)一定的線性趨勢(shì)，如果持續(xù)開挖，應(yīng)力值超出巖體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力穩(wěn)定系數(shù)，在裂縫位置會(huì)出現(xiàn)危巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與坍塌情況。

4結(jié)語(yǔ)

以某巖土邊坡危巖為例，通過(guò)建立巖土邊坡危巖數(shù)值模擬幾何空間模型、模型網(wǎng)格與界面單元條件劃分、危巖應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬與巖體失穩(wěn)應(yīng)力計(jì)算，對(duì)應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬進(jìn)行研究。盡管本次設(shè)計(jì)的方法在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但截至目前，相關(guān)巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)的研究仍然存在許多挑戰(zhàn)和問(wèn)題。例如，地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性、計(jì)算模型的精度和可靠性、數(shù)值模擬的效率和精度等問(wèn)題。因此，在后續(xù)工作中，需要進(jìn)一步對(duì)巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行研究，完善數(shù)值模擬方法和技術(shù)，提高預(yù)測(cè)和預(yù)防邊坡失穩(wěn)的能力。同時(shí)，也需要加強(qiáng)國(guó)際合作和跨學(xué)科合作，促進(jìn)對(duì)邊坡應(yīng)力場(chǎng)的深入研究和理解，全面提高巖土邊坡危巖應(yīng)力場(chǎng)的研究水平，并為應(yīng)對(duì)全球性的自然災(zāi)害提供有效的技術(shù)支持。

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