淺析巖土工程邊坡不確定性的分類(lèi)及對(duì)策

蘇健

摘 要：本文對(duì)巖土工程邊坡不確定性的分類(lèi)進(jìn)行分析，并提出了減少這些不確定性影響的對(duì)策，使其廣泛應(yīng)用于邊坡巖土工程實(shí)踐中。

關(guān)鍵詞：巖土工程；邊坡；不確定性；分類(lèi)；對(duì)策

1、不確定性的分類(lèi)

在巖土工程應(yīng)用中，不確定性的主要因素歸納為以下3個(gè)方面：

1.1 巖土參數(shù)

巖土參數(shù)就是邊坡的巖土物理力學(xué)指標(biāo)。它的不確定性很容易理解，這些參數(shù)依據(jù)時(shí)空而有顯著變化，即具有空間變異性和時(shí)間變異性。盡管我們?cè)诳辈祀A段采取縮短土樣存放時(shí)間、嚴(yán)格密封等多種方法可以減少時(shí)間因素帶來(lái)的影響，但我們無(wú)法克服巖土體的空間變異性必須要用統(tǒng)計(jì)的方法處理巖土的空間變異性和離散性?？臻g變異性是巖土工程所特有的，我們只有盡可能地描述它，而不能實(shí)質(zhì)性地減少它。最終得到的參數(shù)也只能是通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到的理論值參考值，而非真值。

1.2 巖土模型

模型是原型的理想化替代物，它反映原型的主要特征。對(duì)于邊坡巖土分析，模型并不是唯一的，模型的不確定性由此而來(lái)。在巖土工程實(shí)踐中發(fā)展起來(lái)的分析模型，就其實(shí)用性和復(fù)雜程度來(lái)說(shuō)，是與人的認(rèn)識(shí)水平和分析能力直接相關(guān)的。邊坡巖土工程設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)是越來(lái)越多的考慮實(shí)際坡體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和性能，這就必然要求巖土工程使用越來(lái)越復(fù)雜的模型，在確定了模型后，關(guān)鍵還在于選取合理的數(shù)值計(jì)算方法，如：有限單元法、有限差分法、極限分析法、通用條分法、滑移線法、邊界元法、離散元法、拉格朗日元法、流形元法、非連續(xù)變形分析法、半解析法等，各種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，可以單獨(dú)使用，也可以聯(lián)合使用。而實(shí)踐中，設(shè)計(jì)者大都選擇與實(shí)際巖土特征類(lèi)似的經(jīng)典巖土體計(jì)算模型及數(shù)值計(jì)算方法。

2、邊坡巖土工程不確定性的對(duì)策

2.1 常用的對(duì)策

2.1.1 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)

巖土工程以前經(jīng)歷過(guò)完全依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的階段，而且直到現(xiàn)在，工程經(jīng)驗(yàn)特別是地方經(jīng)驗(yàn)仍然在巖土工程設(shè)計(jì)中占有十分重要的地位。巖土工程問(wèn)題中，有很多因素是不確定的，因此很難進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，我們只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)再加上工程的具體獨(dú)有的特點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)出一套解決方案。巖土工程師多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以在一定程度上減少巖土參數(shù)和巖土計(jì)算模型不確定性因素的影響。

2.1.2 安全系數(shù)

在巖土工程設(shè)計(jì)中，很早就采用了安全系數(shù)這樣一個(gè)非常重要的概念，它可以有效地部分解決巖土參數(shù)、巖土計(jì)算模型不確定性因素的影響。但采用多大的安全系數(shù)往往成為問(wèn)題的關(guān)鍵，特別是就2種不同的巖土計(jì)算模型來(lái)說(shuō)，如果取相同的安全系數(shù)，其安全程度并不一定相同，這也增加了設(shè)計(jì)者把握的難度。例如鐵路和公路相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)于計(jì)算滑坡下滑力分別采用了不平衡推力法的顯式和隱式表達(dá)式，如果取相同的安全系數(shù)，計(jì)算得出的下滑力并不一樣。

2.1.3 不足之處

以上是常用的2種減少巖土不確定性影響的方法，但也可以看出，經(jīng)驗(yàn)性的、保守的、感性直觀的因素是目前邊坡工程設(shè)計(jì)中普遍存在的一種現(xiàn)象，它可以表現(xiàn)為過(guò)分保守地確定巖土體力學(xué)參數(shù)、構(gòu)建相對(duì)保守的巖土計(jì)算模型，采用相對(duì)保守的安全系數(shù)，較多地考慮其它危險(xiǎn)因素等等。當(dāng)設(shè)計(jì)者對(duì)巖土有關(guān)的不確定性了解很少時(shí)，這樣考慮問(wèn)題是合理的。但是，隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，工程建設(shè)逐步由低標(biāo)準(zhǔn)向高標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展，這種方法目前已不適應(yīng)現(xiàn)代化大型工程建設(shè)的需要，現(xiàn)在的巖土工程需要考慮本項(xiàng)目工程建設(shè)以外的自然環(huán)境、社會(huì)意義等因素的影響，所以要進(jìn)行更加科學(xué)的分析與決策。

作者根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了邊坡巖土工程先進(jìn)的設(shè)計(jì)模式：動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工。

2.2 推薦對(duì)策——?jiǎng)討B(tài)設(shè)計(jì)與施工

邊坡巖土工程的巖土模型選取、力學(xué)分析較為復(fù)雜，尤其是對(duì)于地質(zhì)條件稍微復(fù)雜的地區(qū)來(lái)說(shuō)，其分析計(jì)算的難度就更大，當(dāng)邊坡施工過(guò)程開(kāi)始后，一些原來(lái)較為模糊的地質(zhì)條件就會(huì)逐漸地明晰，甚至還會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)并未勘明的地質(zhì)情況。如果還按照原設(shè)計(jì)圖按部就班地施工，很有可能造成不可挽回的嚴(yán)重后果。

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工方法使邊坡巖土工程具有彈性，即使整個(gè)巖土工程具有可改變的余地。對(duì)于邊坡巖土工程，按照單一的地質(zhì)勘察、分析設(shè)計(jì)、按圖施工這樣的思路是不科學(xué)的，這實(shí)際是一種靜態(tài)的設(shè)計(jì)施工過(guò)程，并不能對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的變化情況作出反應(yīng)，而這正是目前很多部門(mén)在設(shè)計(jì)時(shí)采取的方法，其缺陷是明顯的。由于邊坡巖土工程在實(shí)際施工中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種新情況，因此，必須對(duì)原有的設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后再施工。這種動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)施工處理方法能對(duì)實(shí)際情況作出及時(shí)反應(yīng)，使設(shè)計(jì)更加適合現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況。并且，我們還可以在施工過(guò)程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以便估計(jì)施工現(xiàn)場(chǎng)的的安全性并用判斷是否要修改先期設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工本身就是根據(jù)不斷獲得的信息來(lái)消除設(shè)計(jì)與施工方面的不確定性。

對(duì)于邊坡巖土工程來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)往往具有超前性，而施工則直接體現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)性。二者之間不可避免地要產(chǎn)生矛盾，為解決矛盾就需要把施工中不斷獲得的新信息經(jīng)處理后傳遞給設(shè)計(jì)，以此不斷修改、完善設(shè)計(jì)，直至最終解決矛盾。為此，提出邊坡巖土工程的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工模式，如圖1所示。

圖1 邊坡巖土工程動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工的基本程序

在各級(jí)邊坡施工過(guò)程中，將觀察信息和鉆探信息及時(shí)同最近設(shè)計(jì)的依據(jù)相比較，判斷是否有較大的誤差；同時(shí)，及時(shí)分析整理監(jiān)測(cè)信息，以此作為判斷設(shè)計(jì)合理性的重要依據(jù)。經(jīng)過(guò)比較，若發(fā)現(xiàn)施工中的反饋信息同最近的設(shè)計(jì)依據(jù)有較大出入或監(jiān)測(cè)結(jié)果表明設(shè)計(jì)具有不合理性時(shí)，均應(yīng)修改設(shè)計(jì)，于是在下一級(jí)坡施工時(shí)就可采用修改設(shè)計(jì)的結(jié)果；若本級(jí)邊坡施工中獲得的信息均比較合理，則仍按最近的設(shè)計(jì)進(jìn)行下一級(jí)坡的施工。如此反復(fù)螺旋式循環(huán)操作，直到各級(jí)坡都施工完成。需要說(shuō)明的是，在整個(gè)坡體施工完成后，進(jìn)行施工后的監(jiān)測(cè)仍是必要的，因?yàn)檫@是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)施工效果的重要判據(jù)。

因此，在施工過(guò)程中獲取有效的信息對(duì)于邊坡工程的變更設(shè)計(jì)和后續(xù)的施工都有重要的指導(dǎo)作用。

3、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工方法在邊坡巖土工程中具有廣泛的運(yùn)用前景。巖土工程設(shè)計(jì)是否合理，與所采用的工程措施能否適應(yīng)工程地質(zhì)條件有關(guān)，在施工過(guò)程中建立必要的信息收集系統(tǒng)，根據(jù)開(kāi)挖和其它工程所揭示的工程地質(zhì)條件對(duì)設(shè)計(jì)的巖土力學(xué)力學(xué)模型和相關(guān)參數(shù)不斷修正完善，真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工，這樣才更適應(yīng)邊坡巖土工程的特點(diǎn)，能更安全、高效地完成工程的設(shè)計(jì)施工，所以說(shuō)“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工”是消除邊坡巖土工程不確定性的有效對(duì)策。

參考文獻(xiàn)：

[1]郎曉兵.邊坡工程進(jìn)行巖土工程勘察的探討[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2011（6）：147-147.

[2]王修勝.巖土工程中基坑支護(hù)工程存在的問(wèn)題及對(duì)策[J].民營(yíng)科技，2011（07）：344.

[3]吳穎奕.試論巖土工程基坑支護(hù)的重要性[J]施工技術(shù)，，2013（06）：41.