巖土工程有限元方法的應(yīng)用問(wèn)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(yàn)法等具有更為良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此，本文以巖土工程中有限元數(shù)據(jù)分析方法四個(gè)層次為開(kāi)篇，重點(diǎn)探究應(yīng)用問(wèn)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(jì)算機(jī)、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(yàn)、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(jí)計(jì)算機(jī)、模擬分析器、多功能試驗(yàn)機(jī)、數(shù)據(jù)二次開(kāi)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(gè)層次

第一，巖土工程有限元數(shù)據(jù)分析法，可以作為高級(jí)計(jì)算器使用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是直接為某一個(gè)具體的巖土工程設(shè)計(jì)提供服務(wù)，重點(diǎn)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(jì)算該工程在嚴(yán)苛工況下的應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而掌握該工程巖土的特點(diǎn)、應(yīng)力分布特征、形態(tài)破壞可能性等，進(jìn)一步驗(yàn)證、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)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(lèi)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(duì)這些不利因素進(jìn)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(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)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(yàn)機(jī)使用。即利用有限元方法探索具體巖土工程穩(wěn)定機(jī)制、工程措施加固機(jī)制等。如預(yù)應(yīng)力錨固機(jī)制數(shù)值試驗(yàn)、凍土路基通風(fēng)管降溫機(jī)制數(shù)值試驗(yàn)；隧洞襯砌裂縫成因的數(shù)值試驗(yàn)；地鐵凍結(jié)法施工的凍結(jié)機(jī)制與設(shè)計(jì)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(jì)算的最終目標(biāo)，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)形成更具智能化、快速化、簡(jiǎn)便化的新型數(shù)值分析方法，直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)與施工、監(jiān)理與業(yè)主人員，是一種全新的設(shè)計(jì)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(wèn)題研究

（1）有限元方法作為高級(jí)計(jì)算器的應(yīng)用問(wèn)題

高級(jí)計(jì)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(jì)中卻無(wú)法確切發(fā)揮功用，甚至產(chǎn)生計(jì)算參數(shù)不準(zhǔn)確、計(jì)算結(jié)果不可靠、模型不適配等問(wèn)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(wèn)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(qiáng)度約在0.7MPa～0.9MPa，某巖土黏聚力約在60kPa～80kPa等[2]。相對(duì)于實(shí)際工程中施工措施、方法等帶來(lái)的不確定性，這一類(lèi)精度已較為合理。同時(shí)，在數(shù)值模型適配方面，無(wú)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(wèn)題相比，這類(lèi)影響較小[3]。

另一方面，巖土工程的施工方法、施工措施等對(duì)巖土工程的影響較大，甚至可以完全改變巖土體強(qiáng)度、穩(wěn)定特性，對(duì)巖土體強(qiáng)度、剛度等甚至可以影響幾倍、幾十倍。如通過(guò)預(yù)先加固地基或圍巖的方法讓一個(gè)飽和軟黏土或松散土隧順利成洞；通過(guò)分層開(kāi)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(guò)基樁強(qiáng)夯措施，在淤泥型地基之上建立機(jī)場(chǎng)。因此，當(dāng)有效元數(shù)據(jù)分析作為高級(jí)計(jì)算器使用時(shí)，取得的數(shù)據(jù)僅作為參考，實(shí)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(wèn)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(duì)復(fù)雜的巖土工程中多場(chǎng)景、多尺度、多因素進(jìn)行綜合性、系統(tǒng)性的模擬分析。由于應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)對(duì)的問(wèn)題較多，因此本節(jié)使用實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

以錦屏左壩肩邊坡峒室群為例，針對(duì)其相互作用力數(shù)據(jù)模擬進(jìn)行分析。由于錦屏一級(jí)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(yán)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(jìn)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(kāi)挖位置進(jìn)行置換、計(jì)算、分析。針對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中洞群相互影響的穩(wěn)定性問(wèn)題、硐室灌漿問(wèn)題、對(duì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題等進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的數(shù)據(jù)分析與模擬，從而準(zhǔn)確計(jì)算邊坡開(kāi)挖對(duì)鄰近洞群的影響、爆破開(kāi)挖洞室對(duì)相鄰峒室的影響、峒室開(kāi)挖后發(fā)生灌漿對(duì)邊坡的影響等，最終為整體工程順利展開(kāi)提供了有效的設(shè)計(jì)依據(jù)[5]。

（3）有限元方法作為多功能試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用問(wèn)題

當(dāng)有限元方法作為多功能試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用時(shí)，更加凸顯自身的廣泛適用性以及強(qiáng)大功能，尤其適宜于相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)研究，不僅以“無(wú)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(lái)研究自然邊坡失穩(wěn)機(jī)制的成因、量化規(guī)律等，有效揭示巖土工程應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)影響規(guī)律。但是，在實(shí)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(wú)普適性的問(wèn)題?；诖?，以地鐵人工凍結(jié)法施工的設(shè)計(jì)指標(biāo)研究為例，進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。

針對(duì)高含水不穩(wěn)定地層通過(guò)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(jì)還有待規(guī)范。近年來(lái)，通過(guò)不斷研究，利用有限元方法對(duì)凍結(jié)施工中這一問(wèn)題的影響因素、變化規(guī)律等進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值試驗(yàn)，最終分析結(jié)果包括：第一，利用飽和粉砂土進(jìn)行人工凍結(jié)時(shí)，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(shí)，土層含水率比值約為45%；當(dāng)凍脹系數(shù)為8%時(shí)，土層含水比值達(dá)到約62%。第三，當(dāng)凍結(jié)壁厚度從13cm增加至28cm時(shí)，土層含水比值會(huì)從59%提升至71%[6]。

（4）有限元方法作為設(shè)計(jì)研究分析方法的應(yīng)用問(wèn)題

在巖土工程中，普遍存有前期勘探資料不足、設(shè)計(jì)過(guò)程過(guò)于依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)、開(kāi)挖后資料雖然得到補(bǔ)充但無(wú)法快速進(jìn)行科學(xué)分析與評(píng)價(jià)等問(wèn)題。基于這些問(wèn)題，工程人員會(huì)更為依賴(lài)“經(jīng)驗(yàn)”進(jìn)行施工進(jìn)度、支援保護(hù)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(jì)、施工人員如何根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程數(shù)據(jù)計(jì)算，有效定量、優(yōu)化圍巖結(jié)構(gòu)、支護(hù)結(jié)構(gòu)等，是長(zhǎng)期以來(lái)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(jì)、施工人員融合為一個(gè)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(zhuān)業(yè)的分析人員首先進(jìn)行相應(yīng)分析，建立全面、科學(xué)的數(shù)據(jù)庫(kù)；其次，綜合多位專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)作為邊界樣本數(shù)據(jù)[7]。最后，利用強(qiáng)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(tái)。例如，針對(duì)某圍巖穩(wěn)定數(shù)值完成反演分析時(shí)，主要針對(duì)變形情況、應(yīng)力分布、強(qiáng)度參數(shù)等元素進(jìn)行數(shù)值分析反演，地下洞群的開(kāi)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(yǔ)

總而言之，將有限元法應(yīng)用于巖土工程中，分析對(duì)象從彈性材料，漸漸擴(kuò)展至塑性、黏彈性、粘塑性、復(fù)合性等類(lèi)型的材料，從結(jié)構(gòu)分析漸漸擴(kuò)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(jì)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(huì)得到進(jìn)一步完善。

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