技术分享 | 边坡工程中有限元分析应用讲解
一、引言
我国幅员辽阔，地质构造复杂，三分之二的国土为山地，边坡工程在基础建设中，非常常见。而由边坡工程局部或整体破坏引发的工程事故及其所造成的生命财产损失备受社会关注，究其原因，除与建设施工时的众多因素有关外，还与当前的边坡设计的技术和手段相对落后有着一定的关系。
边坡设计中的理论、经验和方法经过国内外多年的发展，相对成熟，但由于岩土工程的复杂性，和较大程度的依赖实验和经验，也出现了一些传统极限平衡法不好分析而带来的局限性，这些问题，是需要通过有限元分析来补充。
二、边坡工程中有限元分析的必要性
在探讨这个问题之前，首先来看一个具体的工程实例。这是某坝址枢纽区右岸边坡。该边坡高约100m，宽200m。受断裂构造影响，边坡内岩体破碎，裂隙发育，风化作用剧烈，全风化岩体与强风化岩体相间分布。边坡岩体在一定深度范围内卸荷、松驰，形成一个软弱夹层，该软弱夹层在上部岩体重力作用下产生向河流方向上的蠕变。
图2-1 右岸剖面图
首先使用极限状态法进行滑弧搜索，图2-2为自动搜索圆弧滑面得出的结果，可以看到，最危险滑弧的安全系数为1.256。
图2-2 自动搜索圆弧滑面
再对该工程进行有限元计算，结果如图2-3、图2-4。可以看到，位移最大的位置出现在边坡的上部，安全系数为1.126，与极限状态法自动搜索圆弧滑面得到的安全系数不同，而且滑面的位置也不同。
图2-3 总位移云图
图2-4 等效塑性应变云图
我们现在用极限状态法，采用矩形范围圆心搜索圆弧滑面的方式进行计算，这次搜索出来两个极值点位置，一个跟之前极限状态法自动搜索的位置相同，而另一个结果与有限元分析的结果一致，和有限元分析结果一致的位置，安全系数更小，是控制滑面。
图2-5 矩形范围搜索圆弧滑面
对于出现这种情况，是滑弧搜索方式的不同，产生的差异。其中自动搜索，是大家使用频率最高的方法，这种方法方便省事，但是搜索到某个圆心点，其安全系数相对于周围圆心点的安全系数小，也就是出现了一个极值点，就会停止继续搜索。前面那个工程，自动搜索到了1.256这个滑弧，就是一个极值点，就停止搜索。但其实还有更小安全系数的位置没有搜索到。这种情况常见于地层比较复杂的边坡计算中，而利用有限元法分析进行校核计算，漏算的概率就大大降低了，对于经验不足或地质复杂的地区边坡设计来说，是十分必要的。
图2-6 最小安全系数及其周围的安全系数
1 现状
我们在日常软件服务时发现，很多用户不使用有限元分析软件，除了单位采购软件种类限制外，还有其他一些问题，影响大家使用。主要有以下几个方面：
重复建模工作极限平衡理论因为是规范中采用，并且可以计算出实际的安全系数，比较直观，所以这个方法是必须要进行计算的。而如果再采用有限元法计算一次，就要重新再建一次模型，增加了一倍的工作量。有的时候一个工程典型分析断面不止一个，每一个断面的支护方案也不止一套，这个工作量其实很大。所以，好多设计人员除了很重要的边坡工程会先用极限平衡法进行计算后，会再用有限元分析法复算一遍，其他的一般工程就不再这么做了。
本构模型选择问题
市面上的有限元软件，大多都是通用分析软件，支持的本构模型很多，每一种本构模型所用到的参数和应用场景不尽相同，对于不熟悉有限元计算的工程师来说，选取本构模型就是一个技术活。
国产化问题
市面上的岩土有限元分析软件，大多都是国外引进的，虽然经过汉化包装，但是很多有识的设计院，响应国家号召，也是一直在倡导寻找国产可替代的分析软件。一款方便快捷、上手容易、针对性强，分析结果可靠、完全自主研发、自主知识产权的软件就应该是优先被考虑的。理正边坡综合治理软件就是这样的一款更符合我们国内工程师使用习惯的软件。
2 理正边坡综合治理软件介绍
针对于工程师在使用分析软件的问题，理正公司开发了“理正边坡综合治理软件”，这款软件满足了工程师们在边坡稳定分析中的多种需求。
支持导入图纸和直接建模，方便快速
治理方案支持导入设计好的治理方案图纸，也支持直接在平台点选构件进行设计。
图3-4 勘察BIM接口导入边坡综合治理
图3-5 三维地质BIM接口导入边坡综合治理
理正边坡综合治理软件选用了岩土工程最常用的线弹性模型、摩尔库伦模型，使工程师能更简便的使用软件，避免选择本构模型选择困难，降低使用门槛。软件的经过多工程的校验，结果可用。下面这个例题是与目前国内使用较为广泛的plaxis软件进行的对比分析。
A．工程例题
图3-6 工程例题
D．计算对比结果
经过详细的计算对比，理正边坡综合治理软件在位移、应力、应变的云图表现上与plaxis软件基本一致。这一结果验证了理正边坡综合治理软件的计算安全性，并表明其具备替代国外广泛应用产品的能力。
综上所述，应用有限元分析，对于复杂地质的高边坡稳定分析，是十分有必要的，通过对比计算来补充传统方法的不足，使得设计更全面，更安全。而理正边坡综合治理软件，打通了勘察设计的数据链，不但大大降低了使用门槛，快速易用，使更多的设计师能够应用有限元分析来进行结果比对，提高工程安全，并带来更好的经济效益和社会效益。