邓燕东

摘要： 在进行施工建设中，往往需要开掘，对于这种情况要考虑到地下水渗流对边坡造成的影响，从而对边坡进行加固。本文便是通过目前世界范围内广泛使用的限元法来对边坡坡形的变化问题做出解决，同时对以往中此类问题的解决方法给出分析以及结论，并将数学分析的方法与ABAQUS软件模拟进行结合使用，这是对以往处理方法的改进，能够帮助我们更清晰、更精确的分析出边坡因为地下水渗流而造成的边坡形变情况。以便我们在精确的数据统计情况下对形变问题做出合理解决。

Abstract： In the construction， it is often necessary to dig， for this situation the impact of groundwater seepage on the slope should be taken into account， so as to strengthen the slope. This paper deals with the problem of slope change through the finite element method which is widely used in the world， at the same time gives the analysis and conclusion of the solution to the problem in the past， and combines the method of mathematical analysis and ABAQUS software simulation， which is the improvement of the previous treatment methods， can help us more clearly and accurately analyze the slope deformation caused by groundwater seepage， so that we make a reasonable solution on the deformation in the case of accurate data statistics.

关键词： 地下水位；边坡；安全系数；位移

Key words： groundwater level；slope；safety factor；displacement

中图分类号：U416.1+4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）24-0146-02

0 引言

通过实际考察发现，基坑边坡不稳的情况往往是由多种因素共同影响所造成的，在这些影响因素中，地下水的影响是最为严重的。这就涉及到对基坑的排水处理问题，否则会造成基坑不稳，更严重的甚至会引发工程事故。所以说对于施工建设中的基坑排水问题处理是关乎整个工程建设的大问题。分析出地下水是以何种形式进行渗透，加强对基坑边坡的加固以及分析地下水渗流对基坑边坡稳定性的影响，对于工程建设意义重大。

1 国内外对于渗流理论的研究

1.1 结合工程—实验方法的初期阶段

一九五六年Henry Darcy通过观察分析出水对于均质砂的渗透规律，并以此总结出Darcy定律，宣告着人们对于渗透理论的研究开始，并为渗透理论奠定了基础，随着科研的进步，这种理论渐渐展现出它的不足，稳定渗流理论仅是描述了静态下水的渗透，并未以时间作为参考线，这使得该理论存在一定的局限性。这属于古典渗流理论范畴。

1.2 以解析数学方法研究的发展阶段

一九零四年起，人们开始使用微积分方程来计算地下水流对于边坡的影响，直到一九二八年，O.E.Meinzer发现地下水是不稳定的，并且在承压的部分会含有更多的水分，一九三五年C，V，Theis创造了对于不稳定渗水的计算公式，这些计算方法的更新都意味着人们对渗水有了更深的研究，对渗水而造成的边坡不稳定奠定了计算基础。直到今天，人们对于地下水渗流有了更多的数学计算方法，并在工程建设中被广泛使用。

1.3 通过数学模拟深化研究

随着数字模拟技术的发展，人们逐渐将这种方法应用于各个领域，在研究地下水渗流中也有应用，通过这种方法，人们能了解到渗流对于边坡影响的各种细节，并以此来寻找其与边坡稳定之间的规律，这使得人们在研究地下水渗流作用中取得了巨大成果。

2 对于地下水渗流引起的基坑稳定性研究现状

在世界范围内，人们在这方面的研究，已经取得了很好的成绩，但国内并未有太多研究结果，沈珠江和张誠厚使用耦合变形分析对边坡的水渗流进行了相关研究，在一九九六年罗晓辉对定常及非定常情况下水渗流对边坡影响展开相关研究，而相对于国内，国外的相关研究已经趋于成熟。

3 强度折减有限元法

随着电子技术的广泛应用，人们可以应用有限元计算技术来研究边坡的稳定性。

3.1 强度折减的概念

在当今社会人们常使用的方法是使材料支撑度不变，提高负载，求出支撑度的临界系数，或者负载不变减少材料的支撑度，这两种方法的实质是相同的。强度折减方法是在一九七五年被提出，其内容为：在支撑度恒定状态下，边坡的抗剪度和实际剪应力的比值。

3.2 强度折减法的原理

其方法原理是把边坡土质的支撑度C和Φ比上折减系数F，算出比值C′和Φ′，然后将比值使用有限元的方法再进行计算，假如边坡土质合格，则F就是边坡的稳定系数极小值，这是土质支撑力的临界点；C′和Φ′可通过以下公式求得：C′=C/F；Φ=arctan（tanΦ/F）。

4 ABAQUS软件分析基坑边坡稳定性

ABAQUS软件一种常用的工程建设分析软件，他可以对不同建设工程中复杂的几何边缘进行建模，无论是线性或非线性问题，ABAQUS软件都能进行建模分析。

ABAQUS软件的使用范围甚广，能解决不同条件下的结构问题，其处理结果简单易懂，当加大边坡的承压力时，观察土质边坡是否发生破坏，若未发生破坏则继续加压，直至土质边坡产生形变，此时土质边坡所承受的压力即为其承压的临界点。将ABAQUS软件应用于土质边坡承重的研究中，能够更快捷更方便地发现问题所在点，从而找出解决办法。在处理土质变形的问题中使用该软件能够得到更清晰的分析结果。

5 渗流场和应用力场耦合的有限元分析

土质结构中若存在水分，则会形成水压，从而造成土质颗粒的不平衡，影响土质结构，这对于工程建设是非常不利的。所以减少建设地周围的地下水位，改变土质应力，加强土质边坡结构，这对于基坑的稳定性以及工程建设是非常重要的。

要研究水位变化对于应力场的影响，高度重视水位对应力场造成的变化，记录数据，通过有限元的方法进行分析。

自一九六零年起，各领域的学者已经开始应用耦合分析的方法来进行土质工程的研究，尤其是在进行水坝建设的过程中，耦合分析法被广泛使用，这对于保证水坝的坚固度、使用寿命以及工作效率有很大的影响。

在不能完全观察清楚水流动态的情况下，要采取假想水流的方法来进行研究，通过假想来模拟真正水流的动态，假想水流法兼备下列性质：

第一，通过切面的水流量应该与实际流量相符，而实际流量是可以通过测算得出的。第二，假想水流的切面压力应该与实际相符，通过检测可得到真实切面水压。假想水流在流动过程中所受阻力应与真实情况相符。

符合以上要求的假想水流，才能做到模拟真实，我们将假想水流简称为渗流，把假想水流所通过的区域命名为渗流场。

①渗流种类：

1）稳定渗流：这种是针对于水头以及水流速度，不因时间而变化的情况。2）非稳定渗流：这是区别与稳定渗流的一种情况，其水头和水流速度均以时间的变化而变化。

②水力梯度。

在出现水流的区域往往不同点的水压存在差别，水流根据水压的不同从压力较高区域流向低压区域，我们将这种区域间的压力差称之为水力梯度。

③渗流量。

渗流量即单位时间内通过水流渗透切面的水流量，我们将之称为渗流量。

④渗透力。

渗透力简单来说就是通过渗透面的水压，在水流通过土质结构颗粒空隙的时候，会对土质结构形成相应压力，它的大小与土质结构所产生的阻力相同，我们将这种有由于土质结构对渗透水流所产生的压力称之为渗透力。

⑤渗流场与应力场耦合分析。

在进行工程建设中，往往需要降低施工区域水位，在这个过程中渗透力、水力梯度以及其它因素也会随之而改变，这种变化会导致土质结构的渗流场和应力场随之改变，面对这种变化，使用渗流场与应力场的耦合分析方法往往会得到更有效的结果。

6 基坑降水渗流场的耦合性状分析

在水坝建设，工程深挖的问题都能够使用渗流场的耦合分析来进行解决只有在问题相对容易处理的情况下，我们才会采取其他措施来进行问题的解决，例如稳流状况。对于许多的工程建设，存在两种解决方法，一种是使用假设水流的方法，将复杂的实际问题简化，从而更简单地对问题进行处理；另一种是通过计算机手段对各种影响因素进行模拟。模拟常使用固定单元模拟或边界单元模拟的方法，目前使用最为广泛的是固定单元模拟的方法。

基坑降水所形成的渗流场以及应力场是一种不均匀、不平滑的土质切面，对于这种难以解决的问题，通常要进行ABAQUS软件模拟。

7 地下水渗流作用下的边坡稳定性分析

在进行工程挖掘时往往会遇到某些地方地下水位较高的情况，并且高水位会形成较大的渗透力，这会对挖掘区域的应力场造成影响，所以在进行计算的时候要考虑水压、土压以及边坡的侧压力，如果情况严重甚至会造成地表下沉。通过分析以往的施工建设事故案例发现，大部分事故都是由于渗流所引起的，因此做好渗流情况的处理对于施工建设的意义重大，尽可能在进行施工之前，对区域内的各种因素进行勘察，以求施工的安全性，减少事故的发生几率。

现今社会对于渗流分析使用最为广泛的是数学建模的方法，其方法主要有有限差分法和限元法，在处理坡面条件相对简单的情况可以使用有限差分法，但在面对坡面条件相对复杂的情况时就要使用限元法来进行解决。本文是结合使用ABAQUS软件和数学分析的方法对于边坡稳定情况进行问题的解决，使用这种方法的优点在于方法简洁、结果明了。

8 结束语

通过本文总结，可以使读者清晰地了解对于水渗流情況下的边坡稳定情况，以及这种情况的以往解决办法和现今的解决办法，以往的处理办法主要是针对稳定水流的情况，随着数学分析的发展以及电子技术的进步，我们有了更理想、更先进的解决办法，即强度折减有限元法以及应用ABAQUS软件模拟的方法。对于边坡的变形规律，我们可以通过软件模拟来清楚的再现边坡的变化，从而做到提前防护，施工保护以及时候维护。通过各种先进技术的优势，在未来的施工环境将会更加安全。

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