發布時間：2022-04-23所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：巖土工程數值分析方法對于研究復雜的巖土介質與多變的施工措施是一種得力的方法，比傳統的解析方法、室內試驗方法、模擬試驗方法、現場試驗方法等具有無可替代的優越性。按巖土工程數值方法的歷史發展、作用及發展方向，將其分為 4 個層次：作為一種高級計算器
摘 要：巖土工程數值分析方法對于研究復雜的巖土介質與多變的施工措施是一種得力的方法，比傳統的解析方法、室內試驗方法、模擬試驗方法、現場試驗方法等具有無可替代的優越性。按巖土工程數值方法的歷史發展、作用及發展方向，將其分為 4 個層次：作為一種高級計算器，直接為某個具體巖土工程的設計服務，對該巖土工程在各種極端設計工況下進行安全性、穩定性的計算分析;作為一種強大的、無與倫比的模擬分析器，對復雜工況條件下復雜巖土工程的各種不利因素的相互作用、相互影響、耦合效應等進行模擬分析;作為一種無成本、可重復的多功能試驗機，探索具體巖土工程的穩定機制或某工程措施的加固機制;作為巖土工程數值方法的終極目標，對數值分析方法進行二次開發——研發智能化、快速化、簡便化的新型數值分析工具。對這 4 個層次進行了討論，并對每個層次進行舉例說明。
關 鍵 詞：數值分析方法;施工措施;預應力錨索;快速智能
1 引 言
巖土工程數值分析方法對于研究分析復雜的巖土介質與多變的施工措施是一種非常有效的方法，比傳統的解析方法、室內試驗方法、模擬試驗方法、現場試驗方法等具有無可替代的優越性，然而對它的認識與應用，卻褒貶不一。它在國內的發展受到諸多制約，主要表現在兩個方面：第一，大多數青年學者熱衷于它，但他們不愿去施工現場，也不愿搞辛苦的現場試驗，因此不了解工程中巖體是否有控制性的節理、斷層等結構面;不了解施工中的超前注漿、二次掛網噴護的力學機制與工作條件;不了解掌子面推進不同時機，支護作用之不同，插筋式錨桿與注漿式錨桿受力的差異等等，從而造成許多數值分析的結果往往與實際出入較大，對工程設計起不到主要作用，甚至毫無用處。第二，數值分析方法是一些老年學者的“心病”，他們搞不懂，因此敬而遠之，或者用一些老掉牙的借口拒之，例如計算參數取不準，模型取不合適，計算的結果不可靠等等，從而造成當今巖土工程的設計仍然以經驗為主，以簡單的公式計算為主要驗算手段，也造成許多巖土工程規范對數值分析方法的歧視、偏見及遠離。
筆者 20 年前在《當前巖石力學數值方法的思考》[1]一文中分析了數值方法的優、缺點及其發展方向，經過近二十多年的研究發展，巖土工程數值分析方法“呼聲高、信譽低”的現狀已有了極大的改變，取得了長足的發展。筆者按巖土工程數值分析方法的歷史發展、作用及發展方向等，將其分為以下 4 個層次進行討論：
第 1 層次：巖土工程數值分析方法作為一種高級計算器，直接為某個具體巖土工程設計服務，對該巖土工程在各種極端設計工況下進行安全性、穩定性的計算分析，分析計算該工程在不利工況下的應力場、變形場，了解該巖土工程的變形特點，應力分布特征及其可能的破壞形態，驗證用經驗或簡化方法設計的方案的可靠性與合理性。
第 2 層次：作為一種強大的、無與倫比的模擬分析器，通過對復雜工況條件下復雜巖土工程的各種不利因素的相互作用、相互影響、耦合效應等進行模擬分析，如土石壩的滲流場與應力場的耦合分析[2−3]，高溫差引水隧洞的二次開挖應力、溫度應力、內水壓力耦合分析[4−5]，邊坡滲流場、開挖應力場、預應力加固應力、注漿應力等耦合分析[6−8]，凍土路基的水−熱−力耦合分析[9−10]，煤礦瓦斯的水-熱-力耦合分析[11−12]，核廢料的水−熱−力−化學耦合分析等。
第 3 層次：作為一種無成本、可重復的多功能試驗機，探索具體巖土工程的穩定機制或某工程措施的加固機制，如邊坡大變形成因的數值試驗[13]、預應力錨固機制數值試驗[14−17]、凍土路基通風管降溫機制數值試驗[18−20]、地鐵凍結法施工的凍結機制與設計指標研究[21−22]、隧洞襯砌裂縫成因的數值試驗[23−25]等等。
第 4 層次：作為巖土工程數值方法的終極目標，對數值分析方法進行二次開發——研發智能化、快速化、簡便化的新型數值分析工具，以簡單、快速、智能的 3 大特點直接面向現場設計與施工、監理與業主人員的設計研究新理念。以下分別就這 4 個層次進行詳細說明討論。
2 各種巖土工程極端工況下穩定性與安全性的計算分析
作為數值分析方法最早、最基本的功能，其在國內巖土工程設計與施工中的應用發展仍不能讓人滿意，主要是工程界對其有一種陳腐的觀點：計算參數取不準，模型不合適，計算的結果不可靠等等。筆者經過 30 年的數值分析與巖土工程設計，體會最深的是：影響巖土工程數值分析結果可靠性的最主要因素不是“參數”、“模型”等因素，而是很少被大部分數值分析人員所重視的施工方法與施工措施。筆者認為：
(1)所謂巖土力學參數取不準，實際上任何一個在工地工作幾年的工程師大概都可以比較準確地告訴你，該工程的巖體抗剪強度的取值范圍在某一個較小的范圍之內，如 0.7～0.9 MPa 之間，某某土的黏聚力 c 值可能在 60～80 kPa 之間等等。類似這樣的精度相對于施工措施的不確定性程度而言已經很高了。
(2)所謂數值模型取不準，實際上不少學者都采用過數值方法進行數值計算，無論采用哪種數值方法或不同的本構模型，如 Mohr-Coulomb 模型、 Misses 模型、Druck-Prage 模型、修正 Misses 模型等，這些模型對巖土工程的總影響幾乎都不超過 10%～20%，甚至更小，與由施工措施所造成的巖土體力學性質的變化來說，這種影響已經非常小了。
(3)施工方法及其施工措施對巖土工程的影響可以完全改變巖土體的強度與穩定性特性，與以上兩個因素相比，其對巖土體的強度、剛度的影響可達幾倍、甚至幾十倍。比如：一個根本無法成洞的飽和軟黏土或松散土隧道，卻可以通過預先加固地基或圍巖的方法使隧道得以成洞;一個高陡的開挖后無法穩定的巖質邊坡，卻可以通過分層開挖及時預應力錨固使之成穩定坡;一個淤泥地基上建機場，可以樁基或強夯等等使其順利建造，因此，我們強調在數值分析中，對施工過程、施工方法、施工措施的模擬重視程度要勝于對其力學模型或參數的選取。
3 復雜巖土工程問題的多場、多尺度、多因素模擬分析
在第 2 層次，巖土工程數值方法作為一個無法替代的及多功能的模擬器對復雜巖土工程問題的多場、多尺度及多因素進行詳盡的模擬分析。在這個階段，所面對的問題，常規的工程經驗、類比方法已經無能為力了，只能應用數值分析方法。本文通過以下 4 個實例進行簡單說明。
實例 1：新疆布侖口水電站引水隧洞高溫洞段的數值模擬分析[4−5]。
在新疆布侖口-公格爾水電站引水隧洞施工中發現掌子面處的最高環境溫度達 100 ℃以上，高地溫問題給工程設計、施工、運行都造成了極大不利影響。與新疆水利水電勘察設計院的設計人員應用數值仿真方法模擬在施工期各通風條件下與運行期各過水條件下分別分析了圍巖與支護結構、襯砌結構在初始地應力、開挖二次應力場、通風降溫溫差應力場、支護應力場、過水高溫差溫度耦合應力場、內水壓力應力場等等復雜工況下的圍巖穩定性與支護結構安全性，并得到了現場原型試驗的驗證，最終確定了高溫洞段的支護方案。
實例 2：錦屏左壩肩邊坡洞室群相互作用的數值模擬分析[6−8]。
由于錦屏一級 300 多米的高拱壩的左右岸邊坡巖體變模參數相差 6～7 倍，特別是壩區左岸拱肩槽槽坡及下游坡，受坡體內存在的深度卸荷裂隙、f5 和 f42-9 斷層、煌斑巖脈(X)等不良地質結構面的影響，不僅使其整體剛度不夠，而且使得拱肩槽開挖以及所形成的上游邊坡、槽坡、下游邊坡的穩定性處于不利狀態。錦屏左壩肩邊坡開挖如圖 1 所示。筆者團隊與成都水電院的主設人員采用大型三維有限元仿真模擬了左岸拱肩槽邊坡開挖與 60 多條加固洞的開挖與置換過程，對施工期邊坡與洞群開挖相互影響下的穩定性及硐室灌漿對邊坡穩定的影響圖 1 左壩邊坡開挖 Fig.1 Excavation of left dam side slope 以及邊坡爆破開挖對硐室的影響等等進行了細致的數值模擬分析，有限元模擬網格圖如圖 2 所示，結果表明：①邊坡開挖對鄰近洞群的影響;②洞室爆破開挖、灌漿對邊坡的影響;③洞室爆破開挖對相鄰洞室的影響;④邊坡爆破開挖對洞室的影響以及洞室邊坡爆破對邊坡預應力錨索的影響等，為保證工程安全順利施工提供全面地、可靠地設計依據。
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實例 3：青藏鐵路凍土路基水-熱-力耦合數值模擬分析[9−10]。
214 國道位于青藏高原東部，其中鄂拉山至清水河段，海拔均在 4 200 m 以上，存在著較大面積的多年凍土，公路穿越多年凍土 313.30 km。筆者與陳飛熊[26]通過對凍土多孔多相微元體的平衡方程、各相成分之間的變形協調方程推導得出凍土體(考慮土骨架與冰顆粒之間凍脹力的凍土介質)有效應力原理、正凍土單元的連續性方程及各相成分的能量轉換與傳遞方程，在此基礎上提出了全面考慮正凍土中骨架、冰、水三相介質的水-熱-力真正耦合的理論框架，并開發了相應的經過驗證的三場耦合分析系統 3G2001。筆者應用該分析系統對 214 國道石峽試驗凍土路基的溫度場、變形場和應力場等進行了系統量化分析。其中計算的剖面圖如圖 3 所示。假定水分場飽和，并有外界(上邊界和下邊界)水分補給。變形場的邊界條件是：下邊界為位移約束邊界，兩側為法向位移約束邊界。
4 具體巖土工程問題的穩定機制與加固機制研究
在這個層次，巖土工程數值方法已經不再只是作為一個高級計算器或多功能的模擬器(第 2 層次)，而是一種廣泛的、功能強大的試驗研究手段與工具，它可以系統地研究自然邊坡失穩機制的幾個主要影響因素的量化規律;也可以系統地“無成本” 地研究地下洞室圍巖穩定性的幾個主要因素的量化影響規律;可以研究某個加固措施的加固機制;某個隧洞工程的失穩機制或破壞;某隧洞襯砌的裂縫機制與處治方案等。只要找出該巖土工程問題的目標函數及幾個主要影響因素的數值模型，就可通過數值試驗的方法，揭示出各主要影響因素對該巖土工程的應力場、變形場的影響規律，揭示其工程的安全穩定機制或加固機制。
此階段的數值分析方法應用，許多青年學者掌握不好，這個階段不是通過大量的數值分析來證明一個眾所周知的工程常規得到定性結果，而是針對某工程的具體條件與參數得到一個具體的分析結果，但這是毫無普適性的結果，只是定量分析結果，而不是“量化規律”!
筆者通過早期完成的 5 個數值試驗研究的實例進一步說明數值試驗方法的作用與原理。
4.1 預應力錨固機制數值試驗[14−17]
預應力錨固技術是一項先進的巖土工程加固技術，其優越性已被廣大設計人員所認可，并被廣泛應用于節理巖體邊坡、巖體斷層、軟弱帶的支護與加固工程中，但對其加固機制的認識卻一直停滯在宏觀經驗及定性分析的基礎上。
筆者通過對巖質邊坡預應力錨固機制進行系統的數值試驗，探討了預應力加固的機制：
(1)預應力對巖體應力狀態的改善機制當邊坡巖體沒有加固時，邊坡巖體的應力分布處于一個不利狀態，即主應力在順坡向較大、在垂直坡向最小。當邊坡施加預應力后，垂直坡面方向的主應力提高，使巖體中的最大剪應力減小，改善了邊坡巖體的應力狀態，等價于提高了巖體抗剪強度。
(2)增韌止裂機制
�、� 最大拉伸應變理論
施加預應力后，表層巖體普遍有了一定的壓應力儲備。各巖體單元中，斷層、節理面上壓應力普遍提高，在外荷載下均不易出現拉應力。
�、� Griffith 脆性斷裂理論
在群錨預應力作用下，巖體中的初始裂隙閉合、貼緊，裂縫尖端應力場集中現象得到了緩解，巖體斷裂擴展因子降低。
③ 巖橋機制
施加預應力后，預應力對巖橋抗剪強度能力有提高作用。
4.3 某壩前邊坡大變形成因的數值試驗
在 2009 年某水電站水庫初期蓄水后，發現 GP 錯落體及岸坡段發生多處變形現象，自 2009 年水庫初期蓄水以來，GP 岸坡持續變形且無停止的跡象，截至2010年7月平臺前緣局部測點水平變形已超過 20 m，垂直變形接近 19 m。令設計人員普遍關注的是：錯落體的變形是如何誘發的，變形機制是什么，變形模式是什么，進一步蓄水后或降雨工況下岸坡是否仍能保持穩定等一系列問題。鑒于該工程的復雜性：地質條件不清，而變形的空間性、時間性資料較豐富，筆者團隊首次采取多層次、多階段、多因素反演分析方法對該岸坡變形誘發因素與破壞機制進行深入地、系統地數值仿真試驗與反演分析研究，數值分析網格示意圖如圖 8 所示，研究揭示了該岸坡變形機制和觸發因素為：在庫水位抬升對水位以下巖體產生不均勻的漸進的濕化、軟化作用下，巖體產生不均勻變形，牽引中下部高程巖體沿巖層分界線及強弱風化線發生大變形，進而為結構面較發育和巖性較差的錯落體平臺提供變形空間，使得錯落體平臺前緣發生傾倒變形，隨著庫水位升高巖體濕化、軟化范圍和程度逐漸擴大，致使該岸坡的變形進一步加劇，平臺變形也進一步加劇。——論文作者：李 寧，楊 敏，李國鋒
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