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摘要：围海堤是海涂围垦工程的重要组成部分，围海堤边坡稳定是建设与管理中需要重点解决的问题之一。沿海地区地基均为软土，具有承载力低、变形大的特点，围海堤在自重和水压力等荷载作用下容易发生局部或整体失稳，因此围海堤的边坡稳定是工程施工工程中的重要环节[1]。本文主要对围海堤边坡的稳定性采用有限元强度折减法进行模拟分析，同时考虑不同因素对边坡稳定的影响。
关键词：边坡稳定 承载力 失稳 有限元强度折减 模拟分析
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
1 有限元强度折减法
有限元法有着不受边坡形状和坡体材料限制的优点，由此产生了多种计算方法[2]。一般来讲，有限元法通过分析计算得出边坡的抗滑稳定安全系数，以此来对边坡的稳定性作出评价。这种方法可以分为两类：第一类是在对滑动面应力进行分析的基础上所建立的，即滑动面应力分析法，它是根据弹塑性计算方法，借助有限元方法边坡内土体的应力场进行分析，然后根据数学计算方法和极限平衡法来计算得到临界滑动面及得出相应的抗滑稳定安全系数；第二类是结合弹塑性有限元方法和强度折减技术所形成的边坡稳定分析方法，即强度折减法。
采用有限元强度折减法分析边坡稳定性的一个关键问题，是如何根据有限元计算结果来判别边坡是否处于破坏状态。目前的失稳判据主要有两类：第一类是在有限元计算过程以数值计算的收敛性作为边坡失穩判据；第二类以广义塑性应变或等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡破坏的标志。
在有限元计算中，所选取的破坏准则、所采用的有限元计算模型、计算单元类型、计算边界范围等多种因素可能对数值计算结果及其收敛特性产生不同程度的影响，目前也缺乏有效的方法来消除这些因素的影响。大量计算实例表明，以有限元数值计算的收敛性作为失稳判据能够满足工程要求，PLAXIS 有限元软件采用的边坡失稳标准为非线性有限元静力计算不收敛，折减后的边坡达到不稳定状态，此时的折减系数即为边坡的稳定系数[3]。
2 边坡稳定性分析
本文采用摩尔—库仑弹塑性模型（Mohr-Coulomb 模型）来模拟分析地基土体的应力应变关系，有限元网格划分采用 15 节点单元的三角形单元。依托工程围海堤占地范围较大，路幅宽度超过 100m，因此在建立模型时取左右堤脚向外延伸 30m 以考虑土体的应力及变形情况；堤身填高 5.5m（预留沉降 50mm），模型取基底标高-24m，已到达基底持力层强风化砂岩层处。渗透边界条件为两侧为透水边界，底部砂岩为不透水边界。位移边界条件为两侧为水平约束，竖向位移自由；底部砂岩为水平、竖向同时约束。PLAXIS 采用排水线单元来模拟塑料排水板，默认排水板上超孔压为零，排水线间距设为 1.5m。同时模型中采用土工格栅单元模拟土工布及土工格栅，设置碎石垫层作为水平排水通道。建立有限元模型如图1所示。
图1 围海堤有限元模型示意图
由于 PLAXIS 不能指定搜索滑动面出现区域，所以为了更好的分析两侧不同边坡的稳定性，分别在轴对称建立模型的基础上取数值模型的半幅进行边坡稳定分析，并与平面应变条件下的整体模型边坡稳定分析结果相印证。取图1中有限元模型的半幅在同样的施工步骤下进行堤身填筑，在施工完成后考虑长期固结的情况下进行边坡的有限元强度折减分析。
位移增量是在 PLAXIS 强度折减过程中产生的附加位移，并不是实际坡体发生破坏时所产生的滑动位移，位移及应变趋势很好的展现了边坡的破坏机理。
可以看出，模型中围海堤内侧因为反压平台填筑高度较低且宽度较大，从而剪应变集中在一级反压平台坡脚位置与二级反压平台以下堤身填土与碎石排水通道交界区域，塑性破坏区域从反压平台坡脚向土体内部延伸，但在强度折减作用下，并没有形成明显的塑性贯通区域，反压平台坡脚处及二级平台位置以下土体发生破坏，反压平台及以下填土发生失稳，表现为二级平台坡脚下发生沉陷，而反压平台填土向上拱起。
围海堤右侧最大剪应变主要集中在施工道路形成的反压平台的坡脚位置以下的淤泥土层中，随着折减系数的增大，坡脚塑性区逐渐与坡体内部开展的塑性区连通，并向反压平台顶面发展，形成图中所示的破坏带，反压平台内部土体向坡脚位置发生较大位移从而整体成为最危险滑动面。
PLAXIS 中以破坏面中的某一节点的总乘子—位移曲线来表示边坡的安全系数，以位移来表示土体发生破坏的情况，而呈直线发展的总乘子数值即代表相应状态下最终的安全系数，因此根据分析结果得出堤身边坡内外侧的安全系数。最终得到右幅边坡安全系数为 1.912，左幅边坡安全系数为3.122。即对围海堤整体来讲，可能发生边坡滑动的位置为外侧反压平台坡体。从结果来看，围海堤边坡稳定性较好。
在分析中采用分部施工的数值模拟方法，因此分别计算得到各施工步完成后堤身整体的安全系数。分析结果表明，整个施工过程中影响边坡稳定的位置仅发生在外侧反压平台的坡体中，而随着堤身填筑的进程，海堤整体边坡安全系数一直处于上升趋势，即说明依托工程围海堤施工过程中边坡稳定性一直能够得到保障，施工能够得到顺利有序的进行。
3 结论
边坡稳定性分析可以说是岩土力学与工程中最重要的理论与实践课题之一，也是经典土力学最早试图解决而至今仍未圆满解决的课题。对于围海堤的施工建设，其边坡的稳定性更是工程整体质量的重要保障。在处理边坡稳定问题的各种理论方法中，有限元强度折减法越来越得到青睐，而运用此方法对实体工程进行边坡稳定性数值模拟分析无疑是一种行之有效的手段。
本文运用有限元强度折减法对依托工程围海堤施工过程中的边坡稳定性进行了分析计算，并对围海堤边坡稳定性产生的影响做了简单的分析。
对于围海堤堤身及堤基土体应力场和渗流场相互作用、相互制约的耦合关系，国内外众多学者一直进行着相关的分析研究。可以说其理论系统已基本完备，而具体在围海堤设计施工过程中如何运用和对施工过程加以指导和优化，是今后长期内仍需要考虑的问题。
参考文献
[1]林华钢,草塘湾海堤边坡稳定分析.陕西水利.2011.
[2]赵杰.边坡稳定有限元分析方法中若干应用问题研究[大连理工大学硕士论文].大连：大连理工大学,2006.
[3]刘金龙,栾茂田,赵少飞等.关于强度折减有限元方法中边坡失稳判据的讨论.岩土力学,2005,26(8):1345-1348.
关键词：边坡稳定 承载力 失稳 有限元强度折减 模拟分析
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
1 有限元强度折减法
有限元法有着不受边坡形状和坡体材料限制的优点，由此产生了多种计算方法[2]。一般来讲，有限元法通过分析计算得出边坡的抗滑稳定安全系数，以此来对边坡的稳定性作出评价。这种方法可以分为两类：第一类是在对滑动面应力进行分析的基础上所建立的，即滑动面应力分析法，它是根据弹塑性计算方法，借助有限元方法边坡内土体的应力场进行分析，然后根据数学计算方法和极限平衡法来计算得到临界滑动面及得出相应的抗滑稳定安全系数；第二类是结合弹塑性有限元方法和强度折减技术所形成的边坡稳定分析方法，即强度折减法。
采用有限元强度折减法分析边坡稳定性的一个关键问题，是如何根据有限元计算结果来判别边坡是否处于破坏状态。目前的失稳判据主要有两类：第一类是在有限元计算过程以数值计算的收敛性作为边坡失穩判据；第二类以广义塑性应变或等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡破坏的标志。
在有限元计算中，所选取的破坏准则、所采用的有限元计算模型、计算单元类型、计算边界范围等多种因素可能对数值计算结果及其收敛特性产生不同程度的影响，目前也缺乏有效的方法来消除这些因素的影响。大量计算实例表明，以有限元数值计算的收敛性作为失稳判据能够满足工程要求，PLAXIS 有限元软件采用的边坡失稳标准为非线性有限元静力计算不收敛，折减后的边坡达到不稳定状态，此时的折减系数即为边坡的稳定系数[3]。
2 边坡稳定性分析
本文采用摩尔—库仑弹塑性模型（Mohr-Coulomb 模型）来模拟分析地基土体的应力应变关系，有限元网格划分采用 15 节点单元的三角形单元。依托工程围海堤占地范围较大，路幅宽度超过 100m，因此在建立模型时取左右堤脚向外延伸 30m 以考虑土体的应力及变形情况；堤身填高 5.5m（预留沉降 50mm），模型取基底标高-24m，已到达基底持力层强风化砂岩层处。渗透边界条件为两侧为透水边界，底部砂岩为不透水边界。位移边界条件为两侧为水平约束，竖向位移自由；底部砂岩为水平、竖向同时约束。PLAXIS 采用排水线单元来模拟塑料排水板，默认排水板上超孔压为零，排水线间距设为 1.5m。同时模型中采用土工格栅单元模拟土工布及土工格栅，设置碎石垫层作为水平排水通道。建立有限元模型如图1所示。
图1 围海堤有限元模型示意图
由于 PLAXIS 不能指定搜索滑动面出现区域，所以为了更好的分析两侧不同边坡的稳定性，分别在轴对称建立模型的基础上取数值模型的半幅进行边坡稳定分析，并与平面应变条件下的整体模型边坡稳定分析结果相印证。取图1中有限元模型的半幅在同样的施工步骤下进行堤身填筑，在施工完成后考虑长期固结的情况下进行边坡的有限元强度折减分析。
位移增量是在 PLAXIS 强度折减过程中产生的附加位移，并不是实际坡体发生破坏时所产生的滑动位移，位移及应变趋势很好的展现了边坡的破坏机理。
可以看出，模型中围海堤内侧因为反压平台填筑高度较低且宽度较大，从而剪应变集中在一级反压平台坡脚位置与二级反压平台以下堤身填土与碎石排水通道交界区域，塑性破坏区域从反压平台坡脚向土体内部延伸，但在强度折减作用下，并没有形成明显的塑性贯通区域，反压平台坡脚处及二级平台位置以下土体发生破坏，反压平台及以下填土发生失稳，表现为二级平台坡脚下发生沉陷，而反压平台填土向上拱起。
围海堤右侧最大剪应变主要集中在施工道路形成的反压平台的坡脚位置以下的淤泥土层中，随着折减系数的增大，坡脚塑性区逐渐与坡体内部开展的塑性区连通，并向反压平台顶面发展，形成图中所示的破坏带，反压平台内部土体向坡脚位置发生较大位移从而整体成为最危险滑动面。
PLAXIS 中以破坏面中的某一节点的总乘子—位移曲线来表示边坡的安全系数，以位移来表示土体发生破坏的情况，而呈直线发展的总乘子数值即代表相应状态下最终的安全系数，因此根据分析结果得出堤身边坡内外侧的安全系数。最终得到右幅边坡安全系数为 1.912，左幅边坡安全系数为3.122。即对围海堤整体来讲，可能发生边坡滑动的位置为外侧反压平台坡体。从结果来看，围海堤边坡稳定性较好。
在分析中采用分部施工的数值模拟方法，因此分别计算得到各施工步完成后堤身整体的安全系数。分析结果表明，整个施工过程中影响边坡稳定的位置仅发生在外侧反压平台的坡体中，而随着堤身填筑的进程，海堤整体边坡安全系数一直处于上升趋势，即说明依托工程围海堤施工过程中边坡稳定性一直能够得到保障，施工能够得到顺利有序的进行。
3 结论
边坡稳定性分析可以说是岩土力学与工程中最重要的理论与实践课题之一，也是经典土力学最早试图解决而至今仍未圆满解决的课题。对于围海堤的施工建设，其边坡的稳定性更是工程整体质量的重要保障。在处理边坡稳定问题的各种理论方法中，有限元强度折减法越来越得到青睐，而运用此方法对实体工程进行边坡稳定性数值模拟分析无疑是一种行之有效的手段。
本文运用有限元强度折减法对依托工程围海堤施工过程中的边坡稳定性进行了分析计算，并对围海堤边坡稳定性产生的影响做了简单的分析。
对于围海堤堤身及堤基土体应力场和渗流场相互作用、相互制约的耦合关系，国内外众多学者一直进行着相关的分析研究。可以说其理论系统已基本完备，而具体在围海堤设计施工过程中如何运用和对施工过程加以指导和优化，是今后长期内仍需要考虑的问题。
参考文献
[1]林华钢,草塘湾海堤边坡稳定分析.陕西水利.2011.
[2]赵杰.边坡稳定有限元分析方法中若干应用问题研究[大连理工大学硕士论文].大连：大连理工大学,2006.
[3]刘金龙,栾茂田,赵少飞等.关于强度折减有限元方法中边坡失稳判据的讨论.岩土力学,2005,26(8):1345-1348.