基于彈塑性有限元的深挖路塹碎裂巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

秦 浩，陳千尋，張 華

（1.西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039；2.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039；3.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610106）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和西部大開發(fā)，西部地區(qū)高等級(jí)公路相繼開工建設(shè)。西部地區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，前期的工程勘察和試驗(yàn)工作有限，對(duì)工程對(duì)象的復(fù)雜地質(zhì)條件始終難以把握[1]。邊坡工程需要因地制宜地進(jìn)行設(shè)計(jì)，工程地質(zhì)條件和施工設(shè)計(jì)的不同促成了邊坡的特殊性，對(duì)于具有復(fù)雜地質(zhì)條件的邊坡，利用以往經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行常規(guī)的穩(wěn)定性分析不能得出合理充分的結(jié)論。因此，如何對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行有效合理的穩(wěn)定性分析已成為西部地區(qū)工程建設(shè)中的重要問題。

邊坡工程的穩(wěn)定性受控于其巖土體的基本特性和人為改造程度。巖土體具有多變性和不均質(zhì)性，隨著施工的進(jìn)行會(huì)發(fā)生一系列動(dòng)態(tài)變化影響邊坡穩(wěn)定性，在對(duì)邊坡進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要依據(jù)已有信息預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)。信息化施工利用施工中逐步揭示的工程地址信息，結(jié)合數(shù)學(xué)、力學(xué)分析方法對(duì)施工過程應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算分析，并依據(jù)分析結(jié)果對(duì)工程進(jìn)行及時(shí)設(shè)計(jì)調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)效果[2 ? 4]。在信息化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將實(shí)際工程中的監(jiān)測(cè)和理論分析結(jié)合起來，對(duì)工程巖體的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)性分析，為施工方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)及邊坡穩(wěn)定性分析提供依據(jù)[5]。

傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定分析主要使用極限平衡法，但極限平衡法會(huì)對(duì)問題進(jìn)行簡(jiǎn)化與假定，與實(shí)際情況之間有不同程度的差異[6]。在常用的數(shù)值計(jì)算方法中，離散元法能考慮塊體旋轉(zhuǎn)、脫離等情況[7]，在處理散體結(jié)構(gòu)的“散”“動(dòng)”特性上有較好的效果，但計(jì)算精度并不比有限元法高很多。而有限元法能從區(qū)域整體上掌握巖體受力、變形規(guī)律，適用于各種復(fù)雜形狀，在大規(guī)模工程穩(wěn)定性分析上具有離散元法不可比擬的計(jì)算效率優(yōu)勢(shì)[8]。在有限元法的研究上，Griffithe 等[9]通過有限元法研究了邊坡的變形特征、破壞特征和穩(wěn)定性。鄭穎人等[10]對(duì)有限元強(qiáng)度折減法在邊坡分析中的破壞判據(jù)、計(jì)算精度和影響因素進(jìn)行了研究，并用此法對(duì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。楊建平等[11]利用有限元方法模擬工程裂隙巖體加載破壞過程，對(duì)計(jì)算巖體強(qiáng)度參數(shù)取值進(jìn)行了研究。

雖然數(shù)值模擬技術(shù)在邊坡穩(wěn)定性分析中給出了較高的精度，得到廣泛應(yīng)用，但是在計(jì)算過程中需要解決的包括地質(zhì)力學(xué)模型、力學(xué)參數(shù)等關(guān)鍵問題上還無法給出準(zhǔn)確的答案[12]。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)良的數(shù)據(jù)擬合能力和建模能力在非線性數(shù)值計(jì)算中表現(xiàn)出較好的適用性，使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演巖體力學(xué)參數(shù)能獲得令人滿意的結(jié)果[13]。

本文針對(duì)碎裂巖質(zhì)邊坡，采用將有限元法和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相耦合的方法，利用施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的位移值反算有限元模型參數(shù)，獲得符合實(shí)際情況的最優(yōu)巖體參數(shù)，并利用算得的模型參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性和開挖加固效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。本研究為信息化施工設(shè)計(jì)提供了一種新方法。

1 工程概述

1.1 地質(zhì)概況及防護(hù)設(shè)計(jì)

該路塹邊坡工程地表多被第四系崩坡積層掩蓋，斜坡平均坡度約45°，順坡自上而下分為砂質(zhì)泥巖強(qiáng)風(fēng)化區(qū)、泥質(zhì)砂巖中風(fēng)化區(qū)、厚度約1 m 的凝灰?guī)r中風(fēng)化區(qū)與軟弱夾層，中間包含一個(gè)平均寬度約10 m 的斷層帶。受斷層影響，該邊坡中巖體極為碎裂，風(fēng)化嚴(yán)重，巖層裂隙發(fā)育且傾角較陡。邊坡巖層整體產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，節(jié)理面以陡傾為主并與路線斜交，巖層面陡傾且垂直于坡面（見圖1）。

圖1 施工邊坡地質(zhì)剖面圖

1.2 施工監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

施工監(jiān)測(cè)采用地表監(jiān)測(cè)和地下監(jiān)測(cè)相結(jié)合的立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以位移監(jiān)測(cè)為主。

在坡頂和平臺(tái)設(shè)置地表變形監(jiān)測(cè)設(shè)施，監(jiān)測(cè)地表變形。綜合地形地質(zhì)條件，采用測(cè)斜的方式監(jiān)測(cè)邊坡工程內(nèi)部的水平變形，在邊坡第一、第三、第五級(jí)平臺(tái)設(shè)深部位移監(jiān)測(cè)孔，3#監(jiān)測(cè)孔設(shè)于第三級(jí)平臺(tái)上，孔深29 m，5#監(jiān)測(cè)孔設(shè)于第五級(jí)平臺(tái)上，孔深27 m。

2 有限元模擬計(jì)算與參數(shù)分析

邊坡具有非線性、非均質(zhì)特性，使用有限元法進(jìn)行模擬計(jì)算邊坡位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化，能夠較接近實(shí)際地反映邊坡的破壞機(jī)制。依據(jù)工程實(shí)際情況建立有限元求解模型，將原本的連續(xù)域離散化為有限個(gè)單元，對(duì)單元結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變量進(jìn)行求解，并選取合適的準(zhǔn)則對(duì)求得的解進(jìn)行分析，判斷邊坡狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 計(jì)算原理

巖土材料同時(shí)具有彈性和塑性性質(zhì)，邊坡穩(wěn)定性分析是對(duì)邊坡變形甚至破壞的預(yù)測(cè)性計(jì)算分析，而在其變形過程中的彈性和塑性兩個(gè)階段是密切聯(lián)系的，應(yīng)用彈塑性模型為有限元模型的本構(gòu)模型。彈塑性模型計(jì)算分析是使對(duì)象整體處于彈性階段，允許局部區(qū)域進(jìn)入塑性狀態(tài)，由于塑性變形具有不可恢復(fù)性，因此采用塑性力學(xué)破壞理論描述其模型塑性變形及破壞特征[10]。相應(yīng)地，采用巖土材料常用的德魯克?普拉格準(zhǔn)則（D-P 準(zhǔn)則）判斷巖體從彈性到塑性的狀態(tài)變化能獲得可靠性較高的計(jì)算結(jié)果[14]。巖石的力學(xué)行為和參數(shù)在加荷或卸載時(shí)是不同的，可以將開挖看作是對(duì)巖石施加的一種荷載，因此整個(gè)開挖過程對(duì)每一個(gè)特定部位等同于一個(gè)反復(fù)加卸載過程[15]。對(duì)開挖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，需要對(duì)每一步開挖后邊坡應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行模擬，采用施加等效釋放荷載分析計(jì)算受開挖影響的回彈變形量，等效釋放荷載計(jì)算的正確性直接影響穩(wěn)定性分析的結(jié)果。

采用增量理論描述邊坡在施工過程中變形增量與應(yīng)力、應(yīng)變?cè)隽康年P(guān)系。巖體進(jìn)入屈服后，邊坡模型的全應(yīng)變?cè)隽縟{ε}可表示為彈性應(yīng)變?cè)隽縟{εe}和塑性應(yīng)變?cè)隽縟{εp}之和：

其中：[Dep]為與邊坡單元材料相關(guān)的彈塑性矩陣，由相應(yīng)的彈性矩陣 [D]和塑性矩陣[Dp]作差求得，[Dep]=[D]?[Dp]；{σ}為邊坡單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力分量。彈性變形服從Hook 定律：

式中：G為外部荷載進(jìn)入巖體彈塑性變形區(qū)域時(shí)巖體的塑性勢(shì)函數(shù)，G=G({σ},Ha)，Ha為巖體進(jìn)入屈服處于彈塑{性}變形狀態(tài)產(chǎn)生應(yīng)變硬化的硬化參量，λ為塑性勢(shì)函數(shù)G對(duì)應(yīng)力{σ}偏導(dǎo)得到的應(yīng)變量與塑性應(yīng)變?cè)隽康谋壤禂?shù)，λ≥0。

彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的一般表達(dá)式為

相比Tresca 準(zhǔn)則和Mises 準(zhǔn)則，D-P 準(zhǔn)則同時(shí)考慮了靜水壓力與中間主應(yīng)力對(duì)巖土體屈服強(qiáng)度的影響，更加適用于巖土材料。復(fù)雜應(yīng)力下采用Mohr-Coulomb 外角點(diǎn)外切圓準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的D-P 準(zhǔn)則判斷巖體狀態(tài)可獲得較大塑性區(qū)。

D-P 準(zhǔn)則通過屈服函數(shù)f表示為：

式中：I1為巖土材料應(yīng)力張量的第一不變量；J2為巖土材料應(yīng)變偏量的第二不變量；α，K為關(guān)于巖土體強(qiáng)度參數(shù)的常數(shù)。它們采用下式確定：

其中：φ為巖土材料摩擦角；C為黏聚力。

當(dāng)巖體從屈服進(jìn)入塑性狀態(tài)，此時(shí)巖體應(yīng)力滿足屈服函數(shù)值f=0，取與屈服函數(shù)表達(dá)式相同的塑性勢(shì)函數(shù)，塑性矩陣為：

其中，A為應(yīng)變硬化參數(shù)。

在施工過程中開挖會(huì)使部分原始邊坡內(nèi)部單元面暴露在空氣中，形成一系列邊界點(diǎn)，在施工過程中各點(diǎn)應(yīng)力在加載或卸載間反復(fù)變化，開挖后邊界點(diǎn)的應(yīng)力被解除使得巖體原始應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變。挖去單元e 使得原本處于巖體內(nèi)部的單元面成為自由表面，在計(jì)算中要將單元e 在原始應(yīng)力場(chǎng)中對(duì)相應(yīng)內(nèi)部單元面的作用力等效加載到相應(yīng)自由面上。

自然狀態(tài)下巖體的應(yīng)力場(chǎng)處于平衡狀態(tài)，當(dāng)挖去一個(gè)單元e 時(shí)，其相鄰結(jié)點(diǎn)i受到的原始應(yīng)力條件被改變，對(duì)i點(diǎn)施加單元e 產(chǎn)生的結(jié)點(diǎn)力Fi和等效荷載Xi形成新的平衡應(yīng)力場(chǎng)。

其中，[B]為單元應(yīng)變矩陣；{σ0}為開挖前單元e 的應(yīng)力分量；Ωe為挖去單元e 的體積。

如果單元e 被開挖掉，對(duì)i結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力釋放，其釋放力Ri為：

假設(shè)被開挖掉的單元為k個(gè)，則總的釋放荷載引起的等效結(jié)點(diǎn)荷載{R}為：

式中：[Ce]為單元結(jié)點(diǎn)力加載到單元體上的系數(shù)矩陣；γ為巖體沿各坐標(biāo)方向的容重分量所構(gòu)成的列陣，通常情況下，地下巖體所受荷載僅是它的自重。

2.2 有限元計(jì)算模型

邊坡工程的計(jì)算模型要反映邊坡各種結(jié)構(gòu)的空間幾何關(guān)系和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，將各種結(jié)構(gòu)面和邊界面準(zhǔn)確劃分出來，滿足工程復(fù)雜性和多樣性，縮小其不確定性。基于對(duì)施工邊坡的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)的解析，根據(jù)其地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造的幾何形態(tài)和空間關(guān)系將模型分為7 個(gè)部分，如圖2 所示，其中1和6 為泥質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化區(qū)，2 到5 分別為泥質(zhì)砂巖中風(fēng)化區(qū)、軟弱夾層、凝灰?guī)r中風(fēng)化區(qū)、斷層帶。

圖2 邊坡材料分區(qū)示意圖

計(jì)算范圍取垂直路線方向?qū)?X向)115 m，高度(Y向)取90.5 m，順公路方向長(zhǎng)(Z向)82 m。右邊界取到第五級(jí)坡面頂部向山體內(nèi)延伸50 m 處，左邊界由地形圖確定。

網(wǎng)格劃分的好壞直接關(guān)系到有限元分析計(jì)算的精度和速度。根據(jù)邊坡的工程地質(zhì)特性，從計(jì)算的精度、時(shí)間和建模工作量等方面綜合考慮，依據(jù)各分塊區(qū)的特點(diǎn)采用20 節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元及其退化形式的混合網(wǎng)格進(jìn)行有限元模擬。對(duì)于邊坡底部結(jié)構(gòu)性質(zhì)穩(wěn)定，受開挖影響相對(duì)較小，采用精度較高的六面體網(wǎng)格，而表層風(fēng)化嚴(yán)重、巖體破碎，采用四面體網(wǎng)格。

邊坡模型的邊界條件設(shè)為底部固定，在模型鄰公路面和背面施加水平向雙向約束，在垂直公路兩側(cè)施加法向約束，坡體表面設(shè)為自由面。因?yàn)橹饕诒韺铀榱褞r體開挖，只涉及邊坡表層巖體卸荷，所以將有限元開挖模擬計(jì)算的初始應(yīng)力場(chǎng)設(shè)為自重應(yīng)力場(chǎng)。未開挖狀態(tài)下的三維邊坡模型網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 邊坡網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

2.3 參數(shù)分析

巖體的巖石力學(xué)參數(shù)通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔安裝測(cè)斜管取回的巖樣進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)初步確定。采用烘干試樣進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)獲得不同圍壓下巖石的抗壓縮強(qiáng)度，結(jié)合單軸抗拉、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)計(jì)算得出內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C。各分塊巖體力學(xué)參數(shù)初步取值結(jié)果見表1。巖樣的獲取是隨機(jī)性的，只能代表相應(yīng)局部范圍的巖體物理性質(zhì)，并且從取樣到試驗(yàn)這一時(shí)段有大量的外在因素會(huì)對(duì)巖樣物理性質(zhì)造成影響；因此，通過巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得的巖體參數(shù)直接用作有限元模型的計(jì)算參數(shù)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算分析結(jié)果失真。但是通過巖石力學(xué)試驗(yàn)可以大致確定巖體參數(shù)的范圍，其初步取值結(jié)果能作為基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步計(jì)算參數(shù)的準(zhǔn)確取值分析計(jì)算研究提供支持。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)初值

3 參數(shù)反分析

由于巖石試樣采集的局限性和巖石力學(xué)試驗(yàn)的有限性，各區(qū)材料參數(shù)的選取不可避免地與實(shí)際情況有所偏離。巖體彈塑性模型力學(xué)參數(shù)包括密度ρ、彈性模量E、黏聚力C等對(duì)模型位移計(jì)算結(jié)果的影響是不同的，并不是所有的參數(shù)都需要參與參數(shù)反演，在反算前獲得各參數(shù)的位移影響度大小能確定其可反演性，輔助計(jì)算參數(shù)反分析的進(jìn)行[16]。本文利用BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立巖體參數(shù)與位移的非線性關(guān)系，通過參數(shù)敏感性分析來擴(kuò)大參數(shù)樣本數(shù)量提供給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的位移計(jì)算值和實(shí)際監(jiān)測(cè)位移值，不斷縮小兩者差距獲得逼近于實(shí)際的模型參數(shù)。

3.1 敏感性分析

計(jì)算方案為模擬從三級(jí)平臺(tái)開挖到路面這一施工周期的巖體位移變化。敏感性分析采取對(duì)每個(gè)分塊區(qū)的每個(gè)巖體參數(shù)依次進(jìn)行折減，在對(duì)任一個(gè)參數(shù)進(jìn)行折減時(shí)保持其它參數(shù)不變，以折減計(jì)算所得的位移值與初始計(jì)算所得的位移值的差值大小判定模型對(duì)各參數(shù)的敏感性[17]。折減方案如表2所示，在巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得的巖體力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)上，方案實(shí)施順序按表1 塊體序號(hào)從左到右、從上到下依次對(duì)表內(nèi)參數(shù)進(jìn)行折減，每個(gè)方案只折減一個(gè)巖體塊區(qū)的一個(gè)參數(shù)。將每個(gè)方案的參數(shù)代入彈塑性有限元模型進(jìn)行計(jì)算[18]，各方案順坡向位移變形計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

表2 參數(shù)折減方案

圖4 各方案順坡向變形計(jì)算結(jié)果

由圖4 可知，與未折減方案相比，方案2、5、6、10、14、19、22、26 表現(xiàn)為順坡向變形減小(朝向坡內(nèi))，方案1、7、11、15、18、23、27 表現(xiàn)為順坡向變形增大(指向坡外)。其余折減方案計(jì)算結(jié)果顯示順坡向變形很小。進(jìn)一步分析可得，當(dāng)1、5 區(qū)的密度ρ折減，或是2、3、4、6 區(qū)的彈性模量E折減時(shí)，坡體呈現(xiàn)順坡向變形增大的趨勢(shì)，不利于邊坡穩(wěn)定；當(dāng)2、3、4、6 區(qū)的密度ρ折減，或是1、5 區(qū)的彈性模量E折減時(shí)，坡體呈現(xiàn)順坡向變形減小的趨勢(shì)。還可以看出，內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C的所有折減方案的計(jì)算結(jié)果都表現(xiàn)出順坡向變形微小，參數(shù)敏感性弱[19]。

另一方面，分區(qū)1 為表層碎裂巖體也是邊坡主要開挖區(qū)域，而開挖必然會(huì)使得1 區(qū)的彈性模量E和黏聚力C發(fā)生改變。分區(qū)3 為軟弱夾層，處于中間層(分區(qū)2)與基巖(分區(qū)4)之間，2、3、4 區(qū)對(duì)各參數(shù)的折減反映出相同量級(jí)的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)彈性模量E折減時(shí)，3 個(gè)塊區(qū)都表現(xiàn)出順坡向位移增大的趨勢(shì)，并且表現(xiàn)出越靠近坡面區(qū)順向位移變化越大的現(xiàn)象。分區(qū)5 為斷層帶，巖體極為破碎，但是對(duì)其彈性模量E進(jìn)行折減并不會(huì)使得邊坡向不穩(wěn)定方向發(fā)展。從對(duì)內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C的計(jì)算結(jié)果看出，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)邊坡的變形影響較弱，反應(yīng)出施工邊坡抗剪強(qiáng)度高。

由參數(shù)敏感性分析結(jié)果得出，要使得施工邊坡穩(wěn)定，可通過改變其密度ρ和彈性模量E來實(shí)現(xiàn)。而工程對(duì)象屬于巖質(zhì)邊坡，通過改變巖體密度來實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定對(duì)于實(shí)際工程來說可行性低，而改變彈性模量E可通過預(yù)樁錨固實(shí)現(xiàn)。

3.2 模型參數(shù)反分析

建立反映邊坡位移變形量與計(jì)算參數(shù)非線性關(guān)系的BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將實(shí)測(cè)位移值和樣本集里的位移值代入BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行參數(shù)反算，將樣本參數(shù)代入有限元模型計(jì)算位移值，通過多次反向和正向計(jì)算分析，不斷逼近實(shí)際監(jiān)測(cè)位移值，獲得最優(yōu)有限元模型計(jì)算參數(shù)，為后續(xù)邊坡穩(wěn)定性分析提供依據(jù)[20]。

將經(jīng)過敏感性分析擴(kuò)大的參數(shù)樣本作為BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，當(dāng)輸出誤差滿足要求則訓(xùn)練結(jié)束。將實(shí)測(cè)位移值代入已訓(xùn)練好的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)各巖體參數(shù)進(jìn)行預(yù)估，再將預(yù)估得到的密度ρ、泊松比μ、彈性模量E、內(nèi)摩擦角φ、黏聚力C代入有限元模型中進(jìn)行開挖模擬計(jì)算得到相應(yīng)計(jì)算位移值，通過多次BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和有限元法耦合計(jì)算，在參數(shù)反演和正向分析中不斷縮小與實(shí)測(cè)位移值的差距，最終獲得最優(yōu)的模型參數(shù)。經(jīng)由反算得出的各巖體參數(shù)見表3。

表3 經(jīng)過反算得出的參數(shù)表

由表1 和表3 可知，彈性模量E、內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C在進(jìn)行反算前后在每個(gè)塊區(qū)變化明顯，密度ρ沒有變化。密度ρ經(jīng)過反算后，每個(gè)分塊區(qū)的值和通過巖石力學(xué)試驗(yàn)確定的初值相同，其中，5 區(qū)的密度ρ最小，為2.5 g/cm3；7 區(qū)最大，為2.78 g/cm3，4 區(qū)次之，為2.6 g/cm3。彈性模量E反算前和反算后的數(shù)值有著相當(dāng)大的差距且整體呈下降趨勢(shì)，在其數(shù)值大小上，反算前后的最小值都出現(xiàn)在5 區(qū)，最大值都出現(xiàn)在7 區(qū)，次大值在4 區(qū)；在其變化量上，1 區(qū)的變化量最大，反算后的彈性模量是反算前彈性模量的54 倍，2～7 區(qū)反算后的彈性模量是反算前彈性模量的10 倍。內(nèi)摩擦角φ反算后比之反算前降低，3 區(qū)下降5°，其余各區(qū)均下降了10°。黏聚力C反算后比之反算前，總體呈下降趨勢(shì)，在1 區(qū)下降了94%，2 區(qū)下降90%，3 區(qū)下降67%，4、5、6、7 區(qū)分別下降了59%、50%、83%、87.5%。

對(duì)比表1 和表3 各巖體參數(shù)反算前后的數(shù)值變化可得：密度ρ在反算后整體表現(xiàn)穩(wěn)定，在各區(qū)數(shù)值大小的不同反映出了不同巖質(zhì)塊區(qū)的密實(shí)度的不同。彈性模量E與反算前相比顯著減小，在模擬開挖卸荷過程的有限元參數(shù)中表現(xiàn)出相當(dāng)大的變化性，1 區(qū)為邊坡主要開挖的表層碎裂巖體區(qū)，其彈性模量E縮小最多，3、5 區(qū)分別為軟弱夾層、斷層帶，但其受工程開挖的影響與其余巖質(zhì)較好的塊區(qū)相同。在內(nèi)摩擦角φ的變化上，模擬開挖過程反算后，整體呈下降趨勢(shì)，但2、4 區(qū)之間的3 區(qū)軟弱夾層相比其他各區(qū)減少量小，5 區(qū)斷層帶內(nèi)摩擦角φ與其緊鄰的2、4、6、7 區(qū)減少量相同。在黏聚力C的變化上，模擬從一級(jí)開挖三級(jí)平臺(tái)過程使得巖體中的含水量隨著與空氣接觸量的增加而下降，表現(xiàn)為開挖區(qū)1 區(qū)C的下降最多，緊鄰開挖區(qū)的2 區(qū)次之，軟弱夾層3 區(qū)和斷層帶5 區(qū)下降最少。反映出了軟弱夾層和斷層帶的強(qiáng)度穩(wěn)定性良好，對(duì)邊坡的變形破壞影響小，而表層開挖區(qū)1 區(qū)及其緊鄰區(qū)2 區(qū)受開挖直接影響較大。

圖5 為利用反算得到的巖體參數(shù)模擬開挖過程有限元位移計(jì)算結(jié)果和實(shí)際位移測(cè)量結(jié)果曲線圖，圖中結(jié)果在走勢(shì)、形狀、突變位移大小上都表現(xiàn)出顯著的一致性，表明分析所得的巖體力學(xué)參數(shù)能夠表現(xiàn)實(shí)際巖體的物理性質(zhì)，具有準(zhǔn)確性，用于邊坡穩(wěn)定性分析預(yù)測(cè)能夠很好地貼合實(shí)際。

圖5 計(jì)算的結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果圖

另一方面，也反映出利用巖樣進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)獲取參數(shù)的局限性。各種工程措施下邊坡的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生必然的改變，巖樣本身從巖體內(nèi)取出到進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)的過程中也包含任意性和變化性，致使巖體參數(shù)具有很強(qiáng)的不確定性。耦合BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和有限元模型對(duì)巖體參數(shù)進(jìn)行反算，其本身就包含一個(gè)模擬邊坡的動(dòng)態(tài)變化過程和地質(zhì)條件揭示過程，能反映出由于開挖造成的巖體含水量減少致使抗剪強(qiáng)度減小及開挖卸荷作用下巖體的回彈變形趨勢(shì)。對(duì)比反算前的巖體參數(shù)，模擬開挖過程反算結(jié)果顯示，巖體密度ρ不變，彈性模量E、內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C整體下降，結(jié)合敏感性分析結(jié)果可知，開挖會(huì)導(dǎo)致邊坡有滑塌的趨勢(shì)。模擬結(jié)果驗(yàn)證了復(fù)雜工程地質(zhì)條件巖體力學(xué)參數(shù)智能反演的可行性[5]。

3.3 施工過程動(dòng)態(tài)模擬

將分析所得的巖體力學(xué)參數(shù)應(yīng)用于加固效應(yīng)分析及邊坡穩(wěn)定預(yù)測(cè)。圖6 為直接開挖順坡向位移計(jì)算結(jié)果，開挖坡頂位移是負(fù)向的，但在坡腳處有一個(gè)正向的位移，整個(gè)邊坡有滑塌的趨勢(shì)。圖7是在坡腳進(jìn)行預(yù)加固方案的計(jì)算位移等值線圖，結(jié)果顯示進(jìn)行預(yù)應(yīng)力樁加固對(duì)邊坡坡體產(chǎn)生的擾動(dòng)和破壞較小，坡頂和坡腳的位移變形都朝向坡內(nèi)，會(huì)引起邊坡滑塌的坡腳順坡向位移變形轉(zhuǎn)化為對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響相對(duì)較小的朝坡內(nèi)的變形。對(duì)整個(gè)開挖坡面都采用錨索框架梁加固的計(jì)算結(jié)果見圖8，根據(jù)設(shè)計(jì)施工方案，加錨力按單根錨索錨固力932.4 kN，方向與水平面呈20°夾角的加錨方式設(shè)計(jì)，此種方案同樣能抑制邊坡滑塌。

圖6 直接開挖方案順坡向位移等值線(mm)

圖7 樁預(yù)加固方案開挖前順坡向位移等值線(mm)

圖8 錨索框架梁方案開挖后順坡向位移等值線(mm)

從位移場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果可看出，直接開挖方案，在邊坡無防護(hù)狀態(tài)下直接開挖對(duì)邊坡本身穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)破壞嚴(yán)重，坡腳處產(chǎn)生順坡向位移有致使邊坡有滑塌的趨勢(shì)，不利于邊坡的穩(wěn)定。對(duì)坡腳進(jìn)行預(yù)加固方案的位移變形均指向坡內(nèi)，表明坡腳預(yù)加固可有效防止坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象和邊坡后緣拉應(yīng)力區(qū)的發(fā)生，抑制邊坡滑塌。坡腳預(yù)加固方案的位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果還反映出邊坡在原始自然狀態(tài)下整體相對(duì)穩(wěn)定，開挖卸荷作用使邊坡原始應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變從而影響其穩(wěn)定性。采用開挖坡面全錨索，使整個(gè)邊坡呈現(xiàn)預(yù)應(yīng)力受力狀態(tài)，彈性模量E增大，坡體位移變形朝向坡內(nèi)。對(duì)比坡腳預(yù)加固方案和開挖坡面全錨索框架梁方案，兩種方案都能有效抑制滑坡，達(dá)到邊坡穩(wěn)定性要求，從經(jīng)濟(jì)上考慮預(yù)樁錨固方案相對(duì)較好。

4 結(jié)論

利用彈塑性有限元模型，結(jié)合信息化施工獲取由開挖逐步揭示的地質(zhì)信息，利用有限元模型模擬邊坡開挖過程位移變形計(jì)算，對(duì)巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得的巖體力學(xué)參數(shù)初值進(jìn)行敏感性分析，并進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)反分析，當(dāng)位移計(jì)算值和實(shí)測(cè)值接近程度最大時(shí)，即獲得最優(yōu)模型參數(shù)，應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析和加固效果預(yù)測(cè)，得到了合理的計(jì)算結(jié)果，并得出以下結(jié)論。

1）采用彈塑性有限元對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性預(yù)測(cè)和加固效應(yīng)分析是有效可行的，可以有效地計(jì)算得出巖體位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的變化特征，進(jìn)而得出有破壞趨勢(shì)的位置。

2）在邊坡的施工過程中，各巖石力學(xué)參數(shù)隨之發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，其中彈性模量E變化最為顯著，黏聚力C次之，參數(shù)上的變化能反映邊坡變形的內(nèi)在物理影響機(jī)制。

3）采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合有限元模型對(duì)參數(shù)反分析，逼近實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，參數(shù)計(jì)算結(jié)果能有效反映實(shí)際情況。

4）通過計(jì)算位移值對(duì)比分析施工現(xiàn)場(chǎng)位移信息，揭示了巖體參數(shù)在施工過程中的動(dòng)態(tài)變化過程，獲得了邊坡穩(wěn)定與變形的關(guān)系，該方法適用于深挖碎裂巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析。

5）采用施工與數(shù)值模擬結(jié)合，計(jì)算分析獲得最優(yōu)模型計(jì)算參數(shù)來進(jìn)行穩(wěn)定性分析，提供了一種有效可行的信息化施工方法。