岩土工程中的数值模拟方法与应用

摘要：岩土工程作为基础工程的重要分支，其复杂性源于土体的非线性行为、各向异性特征及应力路径依赖性等因素。在实际工程中，传统分析方法往往难以应对这些多变因素，数值模拟技术因此被广泛引入并发挥着越来越关键的作用。通过有限元、离散元、有限差分等方法，可以有效模拟复杂地质环境下的变形破坏过程，指导设计与施工。本文围绕岩土数值模拟的原理、建模流程、软件工具与典型应用，系统阐述其在岩土工程中的技术路径与工程价值。

关键词：岩土工程；数值模拟；变形分析

一、岩土工程数值模拟的基础理论与建模思路

（一）岩土体本构关系的选取对模拟精度的决定性影响

岩土材料作为一种具有复杂力学性质的天然介质，其应力应变特征决定了模拟计算的可靠性。在建立模型前，必须充分掌握岩土体的应力路径、残余强度、剪胀性、结构性和蠕变特性等基本参数，进而选取能够描述其真实力学行为的本构模型。弹塑性模型适用于变形控制为主的工程场景，黏弹塑性模型则更适用于长期荷载作用下的蠕变分析。模型选择需结合室内试验数据反复校验，对应力路径敏感问题尤其需要考虑加载方向与加载速率的影响。只有实现本构模型与现场地层响应的一致性，数值模拟的计算结果才具备实际工程指导意义。

（二）边界条件与初始状态设定对计算稳定性的关键作用

在岩土数值建模过程中，合理的边界条件设定是确保计算稳定性与结果可信度的必要条件。边界条件需要根据实际工程几何尺寸、构造特点及施工步骤进行科学设定，过小的模型范围可能造成边界效应放大，干扰应力传递与变形分布。上下边界一般采用固定位移边界或应力边界，侧向边界则根据地层特征决定是否允许水平移动。初始地应力的设定通常基于重力荷载计算，并根据层间摩阻与地下水位分布进行矫正。准确反映初始状态，有助于避免不合理的初期变形积累，保障后续计算结果在物理意义上的解释力。

（三）岩土数值模拟工具的参数敏感性与分析精度控制

数值模拟涉及大量输入参数，这些参数的选取与误差控制直接决定模拟精度。参数的获取通常依赖现场勘探与实验数据，难以避免不确定性，因此开展敏感性分析成为优化模拟流程的重要手段。通过单因素扰动试验，识别模型响应最敏感的参数，并对这些关键参数进行精度控制和变异范围限定，可提高模拟模型的稳健性。在实际工程中，通过不断调整敏感参数并与实测结果对比校正，可以逐步优化模型构建质量，缩小模拟预测与实际响应之间的偏差，实现数值方法在工程实践中的可靠适用。

二、岩土工程中数值模拟技术的工程应用路径

（一）边坡稳定分析中的数值方法应用机制与优势体现

在高陡边坡或复杂地貌条件下，传统极限平衡法往往难以准确识别潜在滑移面及其演化趋势。数值模拟技术通过对土体连续介质或非连续介质的建模，能够模拟应力集中、剪切带形成与滑移面扩展全过程。采用有限元方法构建边坡结构模型，并结合不同强度折减因子进行稳定性分析，可动态预测滑坡可能性与危险区域。在软弱夹层分布广泛或地质构造复杂区域，结合非线性本构模型，可更真实还原坡体响应机制，辅助工程师制定合理支护与排水方案。此外，通过对降雨入渗、地下水变化等工况的耦合模拟，提升了对环境荷载影响下边坡失稳风险的识别能力，为灾害预警与应急响应提供定量依据。

（二）隧道掘进过程中的地层扰动预测与变形控制

地下隧道工程施工过程中，围岩失稳与地表沉降是常见技术难题。通过数值模拟可对隧道开挖引发的地层重分布、支护结构反应以及二次衬砌承载行为进行全过程追踪。模拟中引入分步开挖工况与时序支护措施，能够清晰展现不同施工策略下围岩变形的发展规律。通过设置合理的监测点与变形阈值，对模拟结果进行校准，从而为现场施工工序调整与支护参数优化提供依据。对于穿越软弱地层、水敏性地层或富水区域的隧道，数值模拟还能提前预判开挖引发的涌水突泥风险，指导预加固或封堵处理技术的实施。最终通过模型验证现场监测数据，实现模拟与实测结果的闭合，提高隧道工程设计的安全性与经济性。

（三）地基承载力分析与变形预测中的模拟策略演进

地基作为建筑物承载的基础，其承载力计算和变形控制关系到上部结构的安全与使用性能。在传统经验公式难以适应复杂土层或不规则荷载分布情况下，数值模拟提供了多种建模路径，可实现对沉降过程、侧向变形、应力传递路径的可视化分析。通过建立包含建筑物、地基与桩基相互作用的综合模型，能够评估荷载传递深度、地基变形模式与差异沉降趋势。对于软土区地基，结合静力固结和动力固结模型，模拟长时间荷载作用下的沉降与次固结行为，使设计参数更具现实依据。特别是在高层建筑群布置密集、荷载相互干扰的城市环境中，数值模拟可辅助分析不同建筑间变形协调关系，避免因差异沉降导致的结构损伤或不均匀应力集中问题。

（四）基坑工程数值模拟在支护结构优化与风险控制中的实践效果

深基坑工程具有空间约束强、施工扰动大、支护系统复杂的特点，数值模拟为其全过程安全控制提供了强有力的工具支撑。在建模过程中，通过多层土体划分、施工步骤设置与地表荷载施加，能够模拟支护墙体受力变化、支撑体系反力分布及坑底隆起趋势。模拟结果可辅助判断支护结构的强度冗余与变形控制水平，并据此优化支撑间距、锚杆布设与止水帷幕深度等设计参数。在降雨、地下水位波动、邻近建筑施工干扰等特殊荷载作用下，数值模型亦可开展情景分析，提前识别关键薄弱区与潜在变形集中部位。通过模拟与实测数据的耦合校准，工程人员能够动态调整支护策略，合理安排施工顺序，降低工程事故风险并提升管理水平。数值模拟已成为基坑工程中从方案设计到施工监测全过程管理的重要环节。

结束语：岩土工程中的数值模拟不仅是一种辅助分析工具，更是提升设计精度与工程安全性的关键路径。在对复杂地质条件、非线性变形行为及施工扰动影响的处理过程中，数值模拟展现出强大的可视化、可调节与多场耦合分析能力。通过科学设定模型参数、合理选取本构关系、动态调整施工工况，可使模拟结果更加贴近工程实际，为优化结构设计与风险管理提供坚实支撑。推动数值模拟技术在岩土工程中的深度应用，是实现工程质量控制与科学决策的重要技术手段。

参考文献

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[2]王成峰，张亮.基于数值模拟的深基坑支护设计与分析研究[J].岩土力学，2023，43（06）：1865-1872.