(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

一、引言

隧道沉降變形分析和邊坡穩(wěn)定性分析是巖土工程中評(píng)價(jià)隧道安全性和邊坡穩(wěn)定性的重要問(wèn)題。目前，關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的分析方法主要有滑移線法、極限分析法和極限平衡法(LEM)。而關(guān)于隧道圍巖變形的分析方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、理論分析法和模擬試驗(yàn)法。這些方法都沒(méi)有考慮到土層的本構(gòu)關(guān)系，不能反映研究對(duì)象的受力狀態(tài)。而有限元方法則可以克服這個(gè)缺點(diǎn)。

二、有限元方法在邊坡分析方面的應(yīng)用

在邊坡穩(wěn)定性分析方面，有限元法不僅可以考慮邊坡的初始破壞，而且可以考慮失穩(wěn)發(fā)展。此外，在有限元分析中還可以考慮影響邊坡穩(wěn)定性的更為復(fù)雜的因素，如降雨過(guò)程、復(fù)雜的邊界條件、不同的施工程序?qū)吰路€(wěn)定性的影響等。與極限平衡法相比，有限元方法不需要假定滑動(dòng)面的形狀就可以得到安全系數(shù)(FOS)。強(qiáng)度折減法(strength reduction method,SRM)和增強(qiáng)極限強(qiáng)度法(enhanced limit strength method,ELSM)是目前邊坡穩(wěn)定性的主要有限元方法。ELSM通過(guò)數(shù)學(xué)優(yōu)化來(lái)識(shí)別臨界滑動(dòng)面，通過(guò)搜索最小安全系數(shù)來(lái)確定臨界滑動(dòng)面。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者采用有限元方法研究邊坡穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定性分析中最重要的因素是獲得穩(wěn)定可靠度。強(qiáng)度折減法確定邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵問(wèn)題是如何根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷邊坡是否達(dá)到極限破壞狀態(tài)。目前，關(guān)于FOS的標(biāo)準(zhǔn)主要有三種。第一個(gè)準(zhǔn)則是迭代計(jì)算時(shí)解不收斂。趙尚毅等人[1]以邊坡失穩(wěn)為例分析了該判據(jù)的合理性，但該判據(jù)在某些情況下較大，誤差也較大。第二準(zhǔn)則采用塑性貫入法分析邊坡破壞。鄭宏等人[2]證明了強(qiáng)度折減法，為用等效塑性應(yīng)變來(lái)判斷邊坡的臨界狀態(tài)提供了理論依據(jù)。但對(duì)塑性區(qū)破壞來(lái)說(shuō)，這是必要的，而不是充分的，邊坡的穩(wěn)定性不能準(zhǔn)確地確定。第三個(gè)準(zhǔn)則是基于特征點(diǎn)的位移。陳力華等人[3]認(rèn)為三種失穩(wěn)判據(jù)是一致的。他們提出，邊坡的整體破壞是由于塑性區(qū)從坡腳到坡頂?shù)臒o(wú)限塑性流動(dòng)造成的。此時(shí)特征點(diǎn)的位移會(huì)相應(yīng)增大，導(dǎo)致解的發(fā)散。因此，他們認(rèn)為這三種失穩(wěn)判據(jù)在理論上是相似的。

圖1 邊坡應(yīng)力云圖

圖2 邊坡位移云圖

三、有限元方法在隧道分析方面的應(yīng)用

在隧道圍巖變形分析方面，有限元法不僅可以考慮到復(fù)雜的邊界條件，還考慮到土層的綜合屬性。與模型實(shí)驗(yàn)法相比，有限元法能考慮更為復(fù)雜的地層條件。隧道圍巖變形有限元分析多采用的是模量軟化法，約束收斂法和剛度遷移法。這些方法旨在求得隧道圍巖的力學(xué)量值，一般是位移，應(yīng)力，應(yīng)變等方面的量值。分析這些量值的大小和變化規(guī)律，從不同方面評(píng)價(jià)隧道圍巖變形情況。并根據(jù)對(duì)不同變量的在。在這其中，位移相關(guān)的量值是比較常用的分析指標(biāo)，比如：極限位移、位移速率、收斂比等。路德春等人[4]研究了土壓力拱效應(yīng)的影響，并得出土壓力拱效應(yīng)與隧道沉降圍巖變形的作用關(guān)系。汪彪等人[5]探討了不同的地質(zhì)條件與工況下，隧道掘進(jìn)對(duì)隧道圍巖變形的影響。以位移量和收斂比為指標(biāo)分析，認(rèn)為隧道變形主要受到深度，圍巖級(jí)別，半徑的影響較大；受掘進(jìn)進(jìn)尺的影響較小。

圖3 隧道應(yīng)力云圖

圖4 隧道位移云圖

四、總結(jié)

本文討論了有限元方法在分析邊坡穩(wěn)定性與隧道圍巖變形方面的應(yīng)用情況。介紹了強(qiáng)度折減法及其參數(shù)FOS在邊坡穩(wěn)定性分析的重要作用；介紹了剛度遷移法等有限元計(jì)算方法在隧道圍巖變形分析所起到的作用與成果。說(shuō)明了有限元方法在巖土工程中發(fā)揮著探索工程規(guī)律，分析影響作用的功能，對(duì)現(xiàn)實(shí)的工程具有重要的指導(dǎo)意義。