位移增量法反分析邊坡結(jié)構(gòu)面參數(shù)

文 豪，郭運(yùn)華

（1.國電大渡河公司流域檢修安裝分公司，四川樂山 614900；2.武漢理工大學(xué)道橋中心，湖北武漢 430070）

0 引 言

原型監(jiān)測成果的反饋分析是優(yōu)化邊坡支護(hù)設(shè)計、施工的第一手資料。反饋信息要求及時、準(zhǔn)確，因此發(fā)展準(zhǔn)確、快速的監(jiān)測和反分析方法意義重大。目前，邊坡變形觀測方法中能在短時期獲得反分析必須數(shù)據(jù)的有:（1）三角測量和精密水準(zhǔn)測量；（2）滑坡記錄儀；（3）裂縫觀測；（4）多點位移監(jiān)測；（5）鉆孔撓度計；（6）鉆孔傾斜儀等。同時發(fā)展的穩(wěn)定性評價方法有定性分析、定量分析、剛體極限平衡、數(shù)值分析、非確定性分析等，并得到了大量成功的應(yīng)用。

根據(jù)原型監(jiān)測的前期成果，利用均勻設(shè)計的方法快速反分析邊坡內(nèi)部地質(zhì)條件及裂隙參數(shù)，為后期優(yōu)化設(shè)計提供反饋信息。

1 影響邊坡變形的因素

反分析過程首先需確定引起位移變化的主要影響因素，并根據(jù)主要矛盾選擇合適的反分析對象。一般來說，地質(zhì)不連續(xù)面、邊坡的幾何形狀和地下水的某種組合條件為對巖質(zhì)邊坡安全穩(wěn)定性的最大威脅，分析過程主要考慮以下幾方面。

1.1 邊坡幾何形狀的影響

邊坡幾何形狀主要體現(xiàn)為坡角、坡高及馬道的設(shè)置。目前邊坡設(shè)計主要采用坡比法，即根據(jù)邊坡圍巖分級按小于30 m坡高的設(shè)定來確定坡比，超過30 m高的邊坡采用馬道將邊坡分割為幾個邊坡來考慮。實際施工開挖過程中，邊坡幾何形狀總在不斷變化中，因此邊坡幾何形狀及其變化過程也會對邊坡的變形造成直接影響。

1.2 不連續(xù)面分布及強(qiáng)度參數(shù)的影響

巖質(zhì)邊坡不連續(xù)面的產(chǎn)狀直接影響邊坡的破壞形式，受切割面控制的邊坡常見有以下幾類破壞形式：（1）圓弧形破壞模式主要發(fā)生在大量隨機(jī)分布節(jié)理裂隙交叉切割、巖體完整性極差的情形中；（2）平面破壞模式發(fā)生在切割面順坡向發(fā)育情形中；（3）楔體破壞模式發(fā)生在幾組不連續(xù)面切割情形中。

結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)主要與貫通性、表面粗糙度及充填膠結(jié)情況有關(guān)。邊坡支護(hù)灌漿作業(yè)的充填膠結(jié)對結(jié)構(gòu)面C值改善明顯。對于沿結(jié)構(gòu)面破壞的邊坡形態(tài)，結(jié)構(gòu)面參數(shù)的改善對邊坡穩(wěn)定性提高和控制最大變形具有重要意義。

1.3 支護(hù)形式的影響

錨桿對不連續(xù)面的加固作用主要體現(xiàn)為增加損傷巖體的斷裂韌性。預(yù)應(yīng)力錨索的加固作用主要體現(xiàn)為主動提供的抗滑力和錨索注漿時漿液充填不連續(xù)面使不連續(xù)面的強(qiáng)度參數(shù)得到提高。

此外，還存在地下水的賦存狀態(tài)的影響等。

2 位移增量法反演邊坡結(jié)構(gòu)面參數(shù)

如前所述，在查明引起邊坡變形主要影響因素的前提下，利用邊坡變形監(jiān)測成果的某一施工過程與監(jiān)測物理量之間的對應(yīng)關(guān)系，可以反推邊坡的結(jié)構(gòu)面參數(shù)與變形規(guī)律。反演過程的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確再現(xiàn)邊坡地質(zhì)原型，盡量保證反分析解的唯一性，原理如下：

設(shè)初始范圍為Ω0的巖（土）體在經(jīng)歷n個施工階段后的計算域為Ωn，位移、應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)分別為un、εn、σn等（上標(biāo)n表示第n個工況），現(xiàn)在對其進(jìn)行一組新的施工作業(yè)，即進(jìn)入第n+1個工況，記該組作業(yè)完成后的計算域為Ωn+1，作用在該計算域上的體力為pn+1，面力邊界上的面力為tn+1。計算域Ωn+1內(nèi)部當(dāng)前工況的初始應(yīng)力為上一工況的應(yīng)力Ωn，它和作用在當(dāng)前計算域上的外力pn+1、tn+1不相平衡，計算域Ωn+1將產(chǎn)生新的位移直至達(dá)到新的平衡態(tài)，得到一個新的平衡應(yīng)力場σn+1，則有下式成立：

式中[B]為應(yīng)變矩陣，[N]為形函數(shù)矩陣。

在邊坡巖體力學(xué)性能、開挖支護(hù)參數(shù)確定的前提下，根據(jù)施工過程與變形增量的對應(yīng)關(guān)系，可以對結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)行計算求解，并確立反演的目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：（x）=（K、G、?、c）；fi（x）為圍巖在第i個測點量測方向上的計算相對位移值；ui為該測點量測方向上發(fā)生的相對位移實測值N為測點數(shù)。目標(biāo)函數(shù)值最小時的參數(shù)取值為最接近真實巖體參數(shù)的取值。

正反分析過程需要大量計算逼近，合理的試驗設(shè)計方案是提高效率的關(guān)鍵，均勻設(shè)計方法可以滿足及時性的要求，精度也能滿足工程運(yùn)用。

3 工程實例

某溢洪道泄槽段沿古河道和Ⅳ級階地邊緣布置，偏靠山坡內(nèi)側(cè)。底板和邊墻置于花崗巖上，邊坡巖體中未發(fā)現(xiàn)控制邊坡穩(wěn)定性的斷層等軟弱面分布，節(jié)理裂隙5組，其中第①組N50°～70°W/NE、SW∠60°～85°裂隙組與坡面近于平行并傾坡外，當(dāng)開挖形成臨空面時，該組結(jié)構(gòu)面與其他結(jié)構(gòu)面切割組合，在局部可能產(chǎn)生一定規(guī)模的變形失穩(wěn)。實測過程曲線、監(jiān)測儀器布置及位移分布曲線如圖1、圖2所示。

圖1 監(jiān)測儀器布置與位移分布曲線示意圖Fig.1 Distribution of monitoring instruments and displacement graphs

圖2 實測過程曲線及施工時間關(guān)系Fig.2 Relationship between measured value and construction time

實測成果顯示，底板保護(hù)層開挖引起應(yīng)變突變，M6以上錨索施工完成后，裂隙1引起的位移增量明顯減小，但裂隙2引起的位移增量仍繼續(xù)增長，并呈現(xiàn)失穩(wěn)態(tài)勢。M6以下錨索施工完成后，變形逐步穩(wěn)定。根據(jù)各監(jiān)測點位移突變點的位置關(guān)系，找到兩條關(guān)鍵裂隙產(chǎn)狀，與前期地質(zhì)調(diào)查第①組裂隙組產(chǎn)狀吻合，因此可以判斷邊坡變形失穩(wěn)主要由第①組裂隙引起，確定將此組裂隙力學(xué)參數(shù)?作為反分析求解對象。采用錨索灌漿施工前底板保護(hù)層開挖的位移突變反分析原始結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)?，邊坡巖體力學(xué)參數(shù)采用現(xiàn)場試驗值沿風(fēng)化線深度方向插值獲得。

表1 巖體參數(shù)現(xiàn)場試驗值Table 1:Results of site test on rock properties

采用9組均勻試驗設(shè)計方案進(jìn)行正反分析，試驗方案及計算結(jié)果如表2所示。

表2 計算方案及結(jié)果Table 2:Calculation scheme and results

計算結(jié)果顯示第三組計算方案最接近真實值，為 25.3°～28.8°。接近現(xiàn)場試驗結(jié)果 26°～35°的下限，與鉆孔揭示的裂隙中充滿渾濁水情況符合。計算位移與實測位移分布對比如表3所示。

為驗證反演參數(shù)的合理性，將后續(xù)施工過程計算結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比，如表3所示。計算位移等值線圖及各測點位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 計算位移等值線圖與測點埋設(shè)部位示意圖Fig.3 Calculated displacement contour lines and embedding positions of the instruments

邊坡原設(shè)計錨索布置分2部分：1 840～850 m 高程2排5×5 m1 000 kN；2 820～840 m高程3排5×5 m1 000 kN。實測圖曲線顯示位移加速，出現(xiàn)失穩(wěn)跡象；利用上述反分析成果進(jìn)行正分析也顯示邊坡不能有效控制位移，故發(fā)出預(yù)警。優(yōu)化設(shè)計后增設(shè)800～820 m高程3排5×5 m1 000 kN，施工完成后位移得到有效控制，避免了位移過大可能導(dǎo)致856 m高程省級公路中斷的危險。

4 討 論

位移反饋分析往往在施工過程中完成，根據(jù)反饋信息優(yōu)化設(shè)計要求反饋分析及時、準(zhǔn)確。正反分析過程往往需要大量計算，采用均勻設(shè)計可以大大減少運(yùn)算量，解得精度可以滿足工程要求。由于正反分析往往采用位移增量法，與現(xiàn)場儀器埋設(shè)實測位移增量相似，可行性較高，但對解的唯一性難于保證；同時由于邊坡地質(zhì)情況的復(fù)雜性，模型的簡化需要豐富的地質(zhì)調(diào)查經(jīng)驗，綜合模量方法對文中實例適用性受限制。同時在錨索施工灌漿普遍存在超灌的情況下，灌漿對結(jié)構(gòu)面的影響不明確，因此提高反饋分析成果的精確性尚待進(jìn)一步研究。

表3 計算相對位移增量值與實測相對位移增量對比Table 3:Calculated relative displacement increment and measured values

5 結(jié) 語

準(zhǔn)確的原型調(diào)查和快速均勻設(shè)計正反分析大大提高了反分析的速度，減少了計算量，使及時提出供優(yōu)化設(shè)計參考的反饋信息多了一種手段，本文采用的這一方法在工程中具有實用價值。

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