发布时间：2022-04-23所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘 要：岩土工程数值分析方法对于研究复杂的岩土介质与多变的施工措施是一种得力的方法，比传统的解析方法、室内试验方法、模拟试验方法、现场试验方法等具有无可替代的优越性。按岩土工程数值方法的历史发展、作用及发展方向，将其分为 4 个层次：作为一种高级计算器
摘 要：岩土工程数值分析方法对于研究复杂的岩土介质与多变的施工措施是一种得力的方法，比传统的解析方法、室内试验方法、模拟试验方法、现场试验方法等具有无可替代的优越性。按岩土工程数值方法的历史发展、作用及发展方向，将其分为 4 个层次：作为一种高级计算器，直接为某个具体岩土工程的设计服务，对该岩土工程在各种极端设计工况下进行安全性、稳定性的计算分析;作为一种强大的、无与伦比的模拟分析器，对复杂工况条件下复杂岩土工程的各种不利因素的相互作用、相互影响、耦合效应等进行模拟分析;作为一种无成本、可重复的多功能试验机，探索具体岩土工程的稳定机制或某工程措施的加固机制;作为岩土工程数值方法的终极目标，对数值分析方法进行二次开发——研发智能化、快速化、简便化的新型数值分析工具。对这 4 个层次进行了讨论，并对每个层次进行举例说明。
关 键 词：数值分析方法;施工措施;预应力锚索;快速智能
1 引 言
岩土工程数值分析方法对于研究分析复杂的岩土介质与多变的施工措施是一种非常有效的方法，比传统的解析方法、室内试验方法、模拟试验方法、现场试验方法等具有无可替代的优越性，然而对它的认识与应用，却褒贬不一。它在国内的发展受到诸多制约，主要表现在两个方面：第一，大多数青年学者热衷于它，但他们不愿去施工现场，也不愿搞辛苦的现场试验，因此不了解工程中岩体是否有控制性的节理、断层等结构面;不了解施工中的超前注浆、二次挂网喷护的力学机制与工作条件;不了解掌子面推进不同时机，支护作用之不同，插筋式锚杆与注浆式锚杆受力的差异等等，从而造成许多数值分析的结果往往与实际出入较大，对工程设计起不到主要作用，甚至毫无用处。第二，数值分析方法是一些老年学者的“心病”，他们搞不懂，因此敬而远之，或者用一些老掉牙的借口拒之，例如计算参数取不准，模型取不合适，计算的结果不可靠等等，从而造成当今岩土工程的设计仍然以经验为主，以简单的公式计算为主要验算手段，也造成许多岩土工程规范对数值分析方法的歧视、偏见及远离。
笔者 20 年前在《当前岩石力学数值方法的思考》[1]一文中分析了数值方法的优、缺点及其发展方向，经过近二十多年的研究发展，岩土工程数值分析方法“呼声高、信誉低”的现状已有了极大的改变，取得了长足的发展。笔者按岩土工程数值分析方法的历史发展、作用及发展方向等，将其分为以下 4 个层次进行讨论：
第 1 层次：岩土工程数值分析方法作为一种高级计算器，直接为某个具体岩土工程设计服务，对该岩土工程在各种极端设计工况下进行安全性、稳定性的计算分析，分析计算该工程在不利工况下的应力场、变形场，了解该岩土工程的变形特点，应力分布特征及其可能的破坏形态，验证用经验或简化方法设计的方案的可靠性与合理性。
第 2 层次：作为一种强大的、无与伦比的模拟分析器，通过对复杂工况条件下复杂岩土工程的各种不利因素的相互作用、相互影响、耦合效应等进行模拟分析，如土石坝的渗流场与应力场的耦合分析[2−3]，高温差引水隧洞的二次开挖应力、温度应力、内水压力耦合分析[4−5]，边坡渗流场、开挖应力场、预应力加固应力、注浆应力等耦合分析[6−8]，冻土路基的水−热−力耦合分析[9−10]，煤矿瓦斯的水-热-力耦合分析[11−12]，核废料的水−热−力−化学耦合分析等。
第 3 层次：作为一种无成本、可重复的多功能试验机，探索具体岩土工程的稳定机制或某工程措施的加固机制，如边坡大变形成因的数值试验[13]、预应力锚固机制数值试验[14−17]、冻土路基通风管降温机制数值试验[18−20]、地铁冻结法施工的冻结机制与设计指标研究[21−22]、隧洞衬砌裂缝成因的数值试验[23−25]等等。
第 4 层次：作为岩土工程数值方法的终极目标，对数值分析方法进行二次开发——研发智能化、快速化、简便化的新型数值分析工具，以简单、快速、智能的 3 大特点直接面向现场设计与施工、监理与业主人员的设计研究新理念。以下分别就这 4 个层次进行详细说明讨论。
2 各种岩土工程极端工况下稳定性与安全性的计算分析
作为数值分析方法最早、最基本的功能，其在国内岩土工程设计与施工中的应用发展仍不能让人满意，主要是工程界对其有一种陈腐的观点：计算参数取不准，模型不合适，计算的结果不可靠等等。笔者经过 30 年的数值分析与岩土工程设计，体会最深的是：影响岩土工程数值分析结果可靠性的最主要因素不是“参数”、“模型”等因素，而是很少被大部分数值分析人员所重视的施工方法与施工措施。笔者认为：
(1)所谓岩土力学参数取不准，实际上任何一个在工地工作几年的工程师大概都可以比较准确地告诉你，该工程的岩体抗剪强度的取值范围在某一个较小的范围之内，如 0.7～0.9 MPa 之间，某某土的黏聚力 c 值可能在 60～80 kPa 之间等等。类似这样的精度相对于施工措施的不确定性程度而言已经很高了。
(2)所谓数值模型取不准，实际上不少学者都采用过数值方法进行数值计算，无论采用哪种数值方法或不同的本构模型，如 Mohr-Coulomb 模型、 Misses 模型、Druck-Prage 模型、修正 Misses 模型等，这些模型对岩土工程的总影响几乎都不超过 10%～20%，甚至更小，与由施工措施所造成的岩土体力学性质的变化来说，这种影响已经非常小了。
(3)施工方法及其施工措施对岩土工程的影响可以完全改变岩土体的强度与稳定性特性，与以上两个因素相比，其对岩土体的强度、刚度的影响可达几倍、甚至几十倍。比如：一个根本无法成洞的饱和软黏土或松散土隧道，却可以通过预先加固地基或围岩的方法使隧道得以成洞;一个高陡的开挖后无法稳定的岩质边坡，却可以通过分层开挖及时预应力锚固使之成稳定坡;一个淤泥地基上建机场，可以桩基或强夯等等使其顺利建造，因此，我们强调在数值分析中，对施工过程、施工方法、施工措施的模拟重视程度要胜于对其力学模型或参数的选取。
3 复杂岩土工程问题的多场、多尺度、多因素模拟分析
在第 2 层次，岩土工程数值方法作为一个无法替代的及多功能的模拟器对复杂岩土工程问题的多场、多尺度及多因素进行详尽的模拟分析。在这个阶段，所面对的问题，常规的工程经验、类比方法已经无能为力了，只能应用数值分析方法。本文通过以下 4 个实例进行简单说明。
实例 1：新疆布仑口水电站引水隧洞高温洞段的数值模拟分析[4−5]。
在新疆布仑口-公格尔水电站引水隧洞施工中发现掌子面处的最高环境温度达 100 ℃以上，高地温问题给工程设计、施工、运行都造成了极大不利影响。与新疆水利水电勘察设计院的设计人员应用数值仿真方法模拟在施工期各通风条件下与运行期各过水条件下分别分析了围岩与支护结构、衬砌结构在初始地应力、开挖二次应力场、通风降温温差应力场、支护应力场、过水高温差温度耦合应力场、内水压力应力场等等复杂工况下的围岩稳定性与支护结构安全性，并得到了现场原型试验的验证，最终确定了高温洞段的支护方案。
实例 2：锦屏左坝肩边坡洞室群相互作用的数值模拟分析[6−8]。
由于锦屏一级 300 多米的高拱坝的左右岸边坡岩体变模参数相差 6～7 倍，特别是坝区左岸拱肩槽槽坡及下游坡，受坡体内存在的深度卸荷裂隙、f5 和 f42-9 断层、煌斑岩脉(X)等不良地质结构面的影响，不仅使其整体刚度不够，而且使得拱肩槽开挖以及所形成的上游边坡、槽坡、下游边坡的稳定性处于不利状态。锦屏左坝肩边坡开挖如图 1 所示。笔者团队与成都水电院的主设人员采用大型三维有限元仿真模拟了左岸拱肩槽边坡开挖与 60 多条加固洞的开挖与置换过程，对施工期边坡与洞群开挖相互影响下的稳定性及硐室灌浆对边坡稳定的影响图 1 左坝边坡开挖 Fig.1 Excavation of left dam side slope 以及边坡爆破开挖对硐室的影响等等进行了细致的数值模拟分析，有限元模拟网格图如图 2 所示，结果表明：①边坡开挖对邻近洞群的影响;②洞室爆破开挖、灌浆对边坡的影响;③洞室爆破开挖对相邻洞室的影响;④边坡爆破开挖对洞室的影响以及洞室边坡爆破对边坡预应力锚索的影响等，为保证工程安全顺利施工提供全面地、可靠地设计依据。
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实例 3：青藏铁路冻土路基水-热-力耦合数值模拟分析[9−10]。
214 国道位于青藏高原东部，其中鄂拉山至清水河段，海拔均在 4 200 m 以上，存在着较大面积的多年冻土，公路穿越多年冻土 313.30 km。笔者与陈飞熊[26]通过对冻土多孔多相微元体的平衡方程、各相成分之间的变形协调方程推导得出冻土体(考虑土骨架与冰颗粒之间冻胀力的冻土介质)有效应力原理、正冻土单元的连续性方程及各相成分的能量转换与传递方程，在此基础上提出了全面考虑正冻土中骨架、冰、水三相介质的水-热-力真正耦合的理论框架，并开发了相应的经过验证的三场耦合分析系统 3G2001。笔者应用该分析系统对 214 国道石峡试验冻土路基的温度场、变形场和应力场等进行了系统量化分析。其中计算的剖面图如图 3 所示。假定水分场饱和，并有外界(上边界和下边界)水分补给。变形场的边界条件是：下边界为位移约束边界，两侧为法向位移约束边界。
4 具体岩土工程问题的稳定机制与加固机制研究
在这个层次，岩土工程数值方法已经不再只是作为一个高级计算器或多功能的模拟器(第 2 层次)，而是一种广泛的、功能强大的试验研究手段与工具，它可以系统地研究自然边坡失稳机制的几个主要影响因素的量化规律;也可以系统地“无成本” 地研究地下洞室围岩稳定性的几个主要因素的量化影响规律;可以研究某个加固措施的加固机制;某个隧洞工程的失稳机制或破坏;某隧洞衬砌的裂缝机制与处治方案等。只要找出该岩土工程问题的目标函数及几个主要影响因素的数值模型，就可通过数值试验的方法，揭示出各主要影响因素对该岩土工程的应力场、变形场的影响规律，揭示其工程的安全稳定机制或加固机制。
此阶段的数值分析方法应用，许多青年学者掌握不好，这个阶段不是通过大量的数值分析来证明一个众所周知的工程常规得到定性结果，而是针对某工程的具体条件与参数得到一个具体的分析结果，但这是毫无普适性的结果，只是定量分析结果，而不是“量化规律”!
笔者通过早期完成的 5 个数值试验研究的实例进一步说明数值试验方法的作用与原理。
4.1 预应力锚固机制数值试验[14−17]
预应力锚固技术是一项先进的岩土工程加固技术，其优越性已被广大设计人员所认可，并被广泛应用于节理岩体边坡、岩体断层、软弱带的支护与加固工程中，但对其加固机制的认识却一直停滞在宏观经验及定性分析的基础上。
笔者通过对岩质边坡预应力锚固机制进行系统的数值试验，探讨了预应力加固的机制：
(1)预应力对岩体应力状态的改善机制当边坡岩体没有加固时，边坡岩体的应力分布处于一个不利状态，即主应力在顺坡向较大、在垂直坡向最小。当边坡施加预应力后，垂直坡面方向的主应力提高，使岩体中的最大剪应力减小，改善了边坡岩体的应力状态，等价于提高了岩体抗剪强度。
(2)增韧止裂机制
① 最大拉伸应变理论
施加预应力后，表层岩体普遍有了一定的压应力储备。各岩体单元中，断层、节理面上压应力普遍提高，在外荷载下均不易出现拉应力。
② Griffith 脆性断裂理论
在群锚预应力作用下，岩体中的初始裂隙闭合、贴紧，裂缝尖端应力场集中现象得到了缓解，岩体断裂扩展因子降低。
③ 岩桥机制
施加预应力后，预应力对岩桥抗剪强度能力有提高作用。
4.3 某坝前边坡大变形成因的数值试验
在 2009 年某水电站水库初期蓄水后，发现 GP 错落体及岸坡段发生多处变形现象，自 2009 年水库初期蓄水以来，GP 岸坡持续变形且无停止的迹象，截至2010年7月平台前缘局部测点水平变形已超过 20 m，垂直变形接近 19 m。令设计人员普遍关注的是：错落体的变形是如何诱发的，变形机制是什么，变形模式是什么，进一步蓄水后或降雨工况下岸坡是否仍能保持稳定等一系列问题。鉴于该工程的复杂性：地质条件不清，而变形的空间性、时间性资料较丰富，笔者团队首次采取多层次、多阶段、多因素反演分析方法对该岸坡变形诱发因素与破坏机制进行深入地、系统地数值仿真试验与反演分析研究，数值分析网格示意图如图 8 所示，研究揭示了该岸坡变形机制和触发因素为：在库水位抬升对水位以下岩体产生不均匀的渐进的湿化、软化作用下，岩体产生不均匀变形，牵引中下部高程岩体沿岩层分界线及强弱风化线发生大变形，进而为结构面较发育和岩性较差的错落体平台提供变形空间，使得错落体平台前缘发生倾倒变形，随着库水位升高岩体湿化、软化范围和程度逐渐扩大，致使该岸坡的变形进一步加剧，平台变形也进一步加剧。——论文作者：李 宁，杨 敏，李国锋
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