巖土工程有限元方法的應(yīng)用問題新探

余婷

摘要：巖土工程有限元方法是研究復(fù)雜巖土介質(zhì)、多樣施工措施等方面的重要方法之一，相比傳統(tǒng)解析法、模擬試驗法等具有更為良好的應(yīng)用優(yōu)勢。因此，本文以巖土工程中有限元數(shù)據(jù)分析方法四個層次為開篇，重點探究應(yīng)用問題，為相關(guān)工作者提供有效參考，從而優(yōu)化有限元數(shù)據(jù)分析法。

關(guān)鍵詞：巖土工程；有限元方法；數(shù)值分析

1.引言

計算機、有限元仿真等技術(shù)的不斷發(fā)展，使有限元數(shù)據(jù)分析法更多應(yīng)用于物理模型試驗、研究條件惡劣的環(huán)境。其中，有限元方法應(yīng)用于巖土工程中，主要具有高級計算機、模擬分析器、多功能試驗機、數(shù)據(jù)二次開發(fā)四方面作用。

2.巖土工程中有限元數(shù)據(jù)分析方法四個層次

第一，巖土工程有限元數(shù)據(jù)分析法，可以作為高級計算器使用。簡單來說，就是直接為某一個具體的巖土工程設(shè)計提供服務(wù)，重點分析該工程在各種極端工況下如何提升工程施工安全性、穩(wěn)定性，計算該工程在嚴苛工況下的應(yīng)力場、變形場數(shù)據(jù)，從而掌握該工程巖土的特點、應(yīng)力分布特征、形態(tài)破壞可能性等，進一步驗證、簡化設(shè)計方案，提升可靠性、科學(xué)性、系統(tǒng)性。

第二，巖土工程有限元數(shù)據(jù)分析法，可以作為模擬分析器使用。通常，在各類型工況條件下的復(fù)雜巖土工程中，各種不利因素相互影響、存有耦合效應(yīng)。有限元數(shù)據(jù)分析對這些不利因素進行模擬分析，為工程提供有效的數(shù)據(jù)參考。如土石壩滲流場、應(yīng)力場的耦合分析；凍土路基、核廢料的水—熱—力耦合分析。

第三，巖土工程有限元數(shù)據(jù)分析法，可以作為一種多功能試驗機使用。即利用有限元方法探索具體巖土工程穩(wěn)定機制、工程措施加固機制等。如預(yù)應(yīng)力錨固機制數(shù)值試驗、凍土路基通風(fēng)管降溫機制數(shù)值試驗；隧洞襯砌裂縫成因的數(shù)值試驗；地鐵凍結(jié)法施工的凍結(jié)機制與設(shè)計指標(biāo)研究等。

第四，巖土工程有限元數(shù)據(jù)分析法，可以作為巖土工程數(shù)值分析、計算的最終目標(biāo)，通過二次開發(fā)形成更具智能化、快速化、簡便化的新型數(shù)值分析方法，直接應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)計與施工、監(jiān)理與業(yè)主人員，是一種全新的設(shè)計研究理念[1]。

3.巖土工程中有限元數(shù)據(jù)分析方法應(yīng)用問題研究

（1）有限元方法作為高級計算器的應(yīng)用問題

高級計算器作為有限元數(shù)據(jù)分析方法最基本的要求，在巖土工程設(shè)計中卻無法確切發(fā)揮功用，甚至產(chǎn)生計算參數(shù)不準(zhǔn)確、計算結(jié)果不可靠、模型不適配等問題。影響巖土工程數(shù)據(jù)分析結(jié)果的并非僅僅是參數(shù)、模型等因素。

一方面，巖土工程中力學(xué)參數(shù)問題隨多年工程建設(shè)已經(jīng)得到解決，將諸多參數(shù)控制在較小的范圍內(nèi)。如工程巖體抗剪強度約在0.7MPa～0.9MPa，某巖土黏聚力約在60kPa～80kPa等[2]。相對于實際工程中施工措施、方法等帶來的不確定性，這一類精度已較為合理。同時，在數(shù)值模型適配方面，無論是采用Misses模型、Mohr-Coulomb模型，還是Druck-Prage模型，整體數(shù)據(jù)結(jié)果占影響巖土工程總量的15%左右，甚至更低。同樣與不當(dāng)?shù)氖┕ご胧┰斐蓭r土力學(xué)性質(zhì)變化問題相比，這類影響較小[3]。

另一方面，巖土工程的施工方法、施工措施等對巖土工程的影響較大，甚至可以完全改變巖土體強度、穩(wěn)定特性，對巖土體強度、剛度等甚至可以影響幾倍、幾十倍。如通過預(yù)先加固地基或圍巖的方法讓一個飽和軟黏土或松散土隧順利成洞；通過分層開挖、預(yù)應(yīng)力錨固等措施，使較為高陡的巖質(zhì)邊坡轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定坡；通過基樁強夯措施，在淤泥型地基之上建立機場。因此，當(dāng)有效元數(shù)據(jù)分析作為高級計算器使用時，取得的數(shù)據(jù)僅作為參考，實際工程依舊是有效的施工方法、施工措施等模擬結(jié)果[4]。

（2）有限元方法作為模擬分析器的應(yīng)用問題

有限元數(shù)據(jù)分析方法作為巖土工程中多功能模擬器的功用較為多樣，可對復(fù)雜的巖土工程中多場景、多尺度、多因素進行綜合性、系統(tǒng)性的模擬分析。由于應(yīng)用過程中應(yīng)對的問題較多，因此本節(jié)使用實例進行說明。

以錦屏左壩肩邊坡峒室群為例，針對其相互作用力數(shù)據(jù)模擬進行分析。由于錦屏一級高拱壩左右岸邊坡巖體變模參數(shù)相差約6.5倍、高約300m，且壩區(qū)左岸拱肩槽槽坡、下游坡體內(nèi)存在深度卸荷裂隙，以及F5、F42-9斷層等嚴重不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此整體剛度較低，拱肩槽極其形成的槽坡、上游邊坡、下游邊坡的穩(wěn)定性極差?；诖?，相關(guān)工作人員利用大型三維有限元仿真系統(tǒng)進行了多角度模擬，將左岸拱肩槽邊坡與其他60多條加固洞的開挖位置進行置換、計算、分析。針對開挖過程中洞群相互影響的穩(wěn)定性問題、硐室灌漿問題、對邊坡穩(wěn)定性問題等進行了系統(tǒng)、全面的數(shù)據(jù)分析與模擬，從而準(zhǔn)確計算邊坡開挖對鄰近洞群的影響、爆破開挖洞室對相鄰峒室的影響、峒室開挖后發(fā)生灌漿對邊坡的影響等，最終為整體工程順利展開提供了有效的設(shè)計依據(jù)[5]。

（3）有限元方法作為多功能試驗機的應(yīng)用問題

當(dāng)有限元方法作為多功能試驗機應(yīng)用時，更加凸顯自身的廣泛適用性以及強大功能，尤其適宜于相對應(yīng)的設(shè)計研究，不僅以“無成本”形態(tài)，系統(tǒng)地研究影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的因素與變化規(guī)律，還用來研究自然邊坡失穩(wěn)機制的成因、量化規(guī)律等，有效揭示巖土工程應(yīng)力場、變形場影響規(guī)律。但是，在實際應(yīng)用中，往往存在使用有限元方法所獲數(shù)據(jù)結(jié)果并無普適性的問題?；诖耍缘罔F人工凍結(jié)法施工的設(shè)計指標(biāo)研究為例，進行簡單說明。

針對高含水不穩(wěn)定地層通過水平凍結(jié)技術(shù)提升加固效果、封水性能等，但是這一技術(shù)與立井凍結(jié)工程有顯著差異，在凍土力學(xué)方面，人工凍結(jié)法中凍結(jié)壁設(shè)計還有待規(guī)范。近年來，通過不斷研究，利用有限元方法對凍結(jié)施工中這一問題的影響因素、變化規(guī)律等進行了系統(tǒng)的數(shù)值試驗，最終分析結(jié)果包括：第一，利用飽和粉砂土進行人工凍結(jié)時，凍結(jié)管直徑應(yīng)高于0.8cm、間距小于12cm，鹽水溫度應(yīng)低于零下20C0。第二，當(dāng)融沉系數(shù)處于4%時，土層含水率比值約為45%；當(dāng)凍脹系數(shù)為8%時，土層含水比值達到約62%。第三，當(dāng)凍結(jié)壁厚度從13cm增加至28cm時，土層含水比值會從59%提升至71%[6]。

（4）有限元方法作為設(shè)計研究分析方法的應(yīng)用問題

在巖土工程中，普遍存有前期勘探資料不足、設(shè)計過程過于依賴經(jīng)驗、開挖后資料雖然得到補充但無法快速進行科學(xué)分析與評價等問題。基于這些問題，工程人員會更為依賴“經(jīng)驗”進行施工進度、支援保護等調(diào)整，極易引起工程事故，巖土工程整體存在較大盲目性。因此，工程設(shè)計、施工人員如何根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行工程數(shù)據(jù)計算，有效定量、優(yōu)化圍巖結(jié)構(gòu)、支護結(jié)構(gòu)等，是長期以來討論的課題之一。

利用有限元數(shù)據(jù)分析方法，將分析人員與工程設(shè)計、施工人員融合為一個體系，并以智能、高效、漸變的數(shù)據(jù)分析軟件作為統(tǒng)一基礎(chǔ)。讓專業(yè)的分析人員首先進行相應(yīng)分析，建立全面、科學(xué)的數(shù)據(jù)庫；其次，綜合多位專家經(jīng)驗、現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)作為邊界樣本數(shù)據(jù)[7]。最后，利用強大的有限元數(shù)據(jù)分析方法、神經(jīng)元理論等綜合構(gòu)建更加適宜于當(dāng)前巖土工程的分析平臺。例如，針對某圍巖穩(wěn)定數(shù)值完成反演分析時，主要針對變形情況、應(yīng)力分布、強度參數(shù)等元素進行數(shù)值分析反演，地下洞群的開挖單元三維網(wǎng)格如圖2所示，直觀分析該結(jié)構(gòu)和廠房高度的變化。

4.結(jié)語

總而言之，將有限元法應(yīng)用于巖土工程中，分析對象從彈性材料，漸漸擴展至塑性、黏彈性、粘塑性、復(fù)合性等類型的材料，從結(jié)構(gòu)分析漸漸擴大到非結(jié)構(gòu)分析，是當(dāng)前巖土工程重要的數(shù)據(jù)分析計算方法之一。目前依然存有一定的局限性，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，有限元方法水平必會得到進一步完善。

參考文獻：

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[6]姜徐彬，王立忠，洪義.基于擴展有限元方法的基坑突涌研究[J].低溫建筑技術(shù)， 2019， 41（04）：88-92+119.

[7]唐迪，王琨.淺談巖土工程的數(shù)值分析方法[C].北京力學(xué)會.北京力學(xué)會第二十五屆學(xué)術(shù)年會會議論文集.北京力學(xué)會：北京力學(xué)會， 2019：874-875.