岩土反分析

岩土反分析（精选4篇）

岩土反分析 篇1

0 引言

岩体的形成是一个极其复杂的过程,其存在大量节理、裂隙、孔隙、地下水等,致使岩体成为一种由多介质构成的不连续体。由于岩土材料物理特性如力学特性非常复杂,要想用解析手段预测地下洞室、隧道、高速公路、大坝与桥梁基础等多种地下结构物的力学动态,就必须建立精度很高的本构关系式。本构关系越复杂,要输入的参数就越多,且不论这些参数在室内或现场测试多么困难,相应于诸多的力学参数,其中的人为因素也必然很大。因此,反分析方法应运而生,成为目前解决复杂岩土问题的主要方法之一,见图1。

1 岩土工程反分析方法概念

在求解岩土工程问题中,通常根据工程基本情况确定几何条件、荷载条件、边界条件;通过地质勘探和室内外试验确定地质条件、本构模型、力学参数等;通过解析法、半解析法或数值法,求解结构或岩土介质的物理量(如应力、应变、位移等),这一求解过程称为正分析。所谓反分析法,则是以现场量测到的反映系统力学行为的某些物理信息量(如位移、应变、应力或荷载等)为基础,通过反演模型(系统的物理性质模型及其数学描述,如应力与应变关系式),反演推算得到该系统的各项或一些初始参数(如初始应力、本构模型参数、几何参数等)的方法。反分析的最终目的是建立一个更接近现场实测结果的理论预测模型,以便能较正确地反映或预测岩土结构的某些力学行为。

2 模型力学参数的反分析

1)确定性反分析。

岩土介质力学参数反分析方法可分为两种:

a.逆反演法,即直接按量测位移求解逆方程得到参数。这一方法所求的力学参数不同,应用的本构模型不同,均需重新推导计算方程;

b.正反演法,即先给出参数的试探值,再通过迭代运算和误差函数的优化技术得到参数的最佳值;这一方法所采用的计算过程和计算方法与正分析完全一致,无需改变平衡方程,就可进行线性或非线性问题的分析。

2)非确定性反分析。

岩土工程所研究的系统是一个高度复杂的非确定系统。首先,岩土材料本身带有其固有的时间和空间域上的可变性和不确定性,它受到材料的物理性质、荷载大小与性质、温度、时间、加载速度以及应力历史和加载路径等多种因素的综合影响;其次,现场量测到的信息也并非原状岩土的客观值,而是自然岩土系统与人为量测系统之间相互作用的信息,其本质是不确定的和随机的。此外,反分析所采用的反演模型无一不是在考虑工程因素、岩体特性及其他未知、随机因素意义下的“综合”半经验数学表达式。因而反分析自始至终都是“灰色”或“等效”含义下的方法,则其所反演得到的参数也只是一种“灰参数”或“等效参数”或“综合参数”,已与原含义不尽相同,其物理概念已不复存在。此时得到的待求参数的意义,仅在于利用该值进行计算,可以得到与实际情况比较一致的分析结果。

在实际系统中,岩土工程施工必然会引起周边岩土体的移动变形,但变形的大小则是不确定的,它除受到上述诸多因素影响外,还受到施工工艺、施工参数等因素的影响。这些因素中不但包含随机性(如岩土性质本身的可变性,参数测试和预测的不准确性等),也包含有模糊性,从而促成了岩土体变形的随机模糊特性,所以,如果无视量测信息的不确定性和反演模型的非确定性,将可能导致分析结果的离散。引入随机和模糊等数学理论来处理岩土工程中随机、模糊因素,也就成为岩土工程研究发展的必然趋势。

3 位移反分析法的数值法

岩土工程反分析可以分为应力反分析法、位移反分析法及应力与位移的混合反分析法。由于位移信息较易获取,因此位移反分析法应用最为广泛。如果按计算方法划分,位移反分析法又可分为解析法和数值法。解析法的优势在于概念明确、计算速度快,但只适应求解简单几何形状和边界条件下的线粘弹性和无支护洞室问题。数值法则主要用于解决复杂工程性态和非线性问题。因此,数值法对于复杂的岩土工程更具有普遍的适应性。就数值法的求解过程而言,它可以划分为逆解法、直接法、正反耦合法、图谱法、神经网络法和模糊法等。

逆解法是采用与“正分析”相反的解析过程,反推得到逆方程,从而解得待求反演参数。上述求解过程的必要条件是实际量测的位移数据的个数不少于欲求未知量的个数。且当量测的位移个数大于未知量个数时,需采用优化方法以期求得最佳值。该法的优点是计算速度快,可一次求解出所有待定参数,但适用于线弹性等比较简单的问题。

直接法是直接采用“正分析”的过程和格式,利用最小误差函数通过迭代优化,逐次修正待定参数的试算值,直至逼近最优值。这种应用迭代逼近和最优化的方法,可利用现有的正算程序,适应性强,可用于线性及各种非线性的复杂岩土问题的反分析,是目前工程应用的主要方法。不足之处在于计算前需给出各待定参数的取值区间和试算值,且当未知量较多时,收敛速度慢,解的稳定性差。

正反耦合法是基于区域分裂法的原理将直接法和逆解法相结合的算法。即将岩体弹性区域和塑性区域分开计算,弹性区域上用反算法,塑性区域上用正算法,再利用区域分裂法通过弹性区域与塑性区域之间的重叠部分将两者结合起来,从而使整个计算区域的问题得以解决。就岩土工程而言,大部分发生的是弹性变形,将弹、塑性区域划分开来,则反算的非线性有限元数目可以大大减少,这对减少计算工作量、提高分析效率有着积极的意义。但由于其收敛的前提条件是每步计算的结果必须唯一,而目前尚不能很好地解决反分析解的唯一性问题,因此该法在实际计算中常常难以收敛。

图谱法是一种通过位移反分析求初始应力水平分量和弹性模量的实用图解位移反分析法。该法将岩体视为弹性介质,通过有限元计算得到相应于不同弹性模量下的位移与初始应力水平分量的关系图,根据实测位移值利用上述关系图建立一系列图谱和图表,由相似原理反推初始地应力水平分量和弹性模量。这种方法结合计算机检索,可以方便地解决线弹性反分析问题,且具有较好的精度。但其结果对输入较为敏感,且仅适用于弹性介质。

神经网络法是采用神经网络的系统辨识理论,根据岩土工程力学正分析的理论和方法,先建立系统输入和输出的正分析求解样本,再用神经网络对这些样本进行系统的逆辨识学习,从而得到反分析的解。但神经网络中被辨识系统的基本特性属于完全辨识问题,亦即“黑箱问题”。而工程上的辨识问题多为“灰箱问题”。因此它在求解学习过程中,无法对已有的先验信息加以区别和利用。

模糊法是将常规的反分析方法与模糊有限元法结合起来考虑岩土工程反分析问题中的不确定性的一种反分析形式。它还可以通过模糊分析得到反演参数的敏感性系数及反演结果的可靠度。由于模糊分析首先要确定隶属函数,但这在模糊理论中仍是一个尚有争议的领域。因而该法在实际应用时,隶属函数的确定含有较大的人为因素。

4 位移反分析直接法目标函数

由于直接法是目前工程应用的主要数值分析方法,以下做主要介绍。对弹塑性问题反分析,由于力学模型比较复杂,模型参数也较多,且不同的具体模型其参数个数不尽相同,因此多采用优化反分析方法。可利用原有弹塑性问题正分析计算的原理,充分模拟介质塑性性态的发展历程,力学意义明确,并可利用各种成熟的正分析程序或普遍适用的优化程序等特点。这种方法在理论上都可考虑选用任意形式的屈服准则和流动法则,包括对硬化、软化、理想弹塑性模型及横观各向同性材料形态的模拟等,范围可涉及正分析计算能够考虑的所有因素。

在优化反分析中,把一些实测值(如位移、应力等)与相应的数值分析计算值之差的平方和作为目标函数F,即:

其中,P为模型参数;m为实测值总数;S*i为第i点实测值,如位移、应力等;Si为相应的数值分析计算值。

上式中Si是随着介质的力学参数{P}n的不同值而变化;n为独立变化的需要通过反分析确定的参数总数。可以认为,Si是参数{P}n的函数,因此,目标函数F为参数{P}n的函数。这样反分析计算转化为求一目标函数的极小值问题。当目标函数F得到极小值时,其所对应的参数{P}n就是反分析所需要得到的最优参数(Pi)opt,即:

(Pi)opt=Pi。

当F[(P)opt]=min[F(P)]时,为了平衡大小值之间作用和消除不同物理量的量纲,目标函数应采用下面的形式,即:

计算表明:对同一问题不同的目标函数形式,会有不同的反演结果。用实测位移反分析将可以得到很好的计算位移,但计算内力可能较差。相反的,用内力反分析可以得到较好的内力和位移。从这个意义上讲,在有条件的情况下,监测项目应尽量安排内力的监测以便获得更好的反分析结果。

在监测项目中同时有内力和位移值时,其目标函数的建立也有待研究,显然采用不同的物理量会有不同的反分析效果,因此在目标函数中对不同的物理量赋予不同的权数,可望达到更好的反演效果,即:

其中,Wj为目标函数的权数;L为不同实测物理量的个数。

通常以上目标函数是介质力学参数{P}n的复杂的非线性函数,一般无法采用解析法求解,上述方程可采用数学规划法求解。

5 需进一步研究的问题

由于岩土工程的复杂性,解析法的求解难以实现,因此,数值反分析法就成为解决这一工程问题的有效手段。反分析的发展又为数值分析封闭系统“观测—反分析—正分析(预测)—观测”的形成起到了有力的推动作用。而非确定性模型的研究为岩土工程全过程的综合动态分析奠定了良好的基础。但岩土工程非确定反分析有必要进一步深入研究。

1)目前主要是建立以位移量测误差的概率性质为基础的准则函数的非确定性反分析研究。其数值计算多采用的是确定性有限元方法,因而反演得到的参数不能全面反映结构本身(如材料性能、结构尺寸等)的非确定性。如果能使随机有限元方法与反分析方法有机结合,并进而实现系统模型辨识与可靠性预测的封闭,将促使岩土工程的研究踏上一个新台阶。

2)从现有的方法来看,反分析的结果多为待求参数的均值,而其方差的反演由于对一些项的求异较困难,故对于非线性模型,目前难以得到方差的估计值。因此,获取非线性模型待求参数的方差,促使随机反演与预测的完美结合,应是今后值得深入研究的课题。

3)在反分析研究的发展上,应考虑研究与应用并举。一方面扩宽理论研究,建立统一的随机反分析模型;另一方面需加强应用领域的开发,使现场工程技术人员能够得到界面友好、操作简单的应用软件。

4)对观测信息、先验信息及理论信息的统计特性及相互关系进行深入研究,为优化算法提供依据。

5)开拓非确定性反分析在模糊、耗散、混沌、分形领域的研究,以及位移场与渗流场和温度场的耦合研究。

摘要：通过查阅大量关于岩土工程方面的反分析文献资料,简要叙述了岩土工程反分析的概念,主要方法,并且介绍了目前具有代表性的反分析模型及各自的特点和适用性,同时阐述了在岩土工程非确定性反分析研究的发展方向,以期解决复杂岩土问题。

关键词：数值分析,岩土工程,反分析,随机分析

参考文献

[1]杨林德.岩土工程问题的反演理论与工程实践[M].北京:科学出版社,1996.

[2]龚晓南.土工计算机分析[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[3]杨林德.岩土工程反演理论[J].地下工程技术,1989(1):27-28.

[4]袁勇,孙均.岩体本构模型反演分析识别理论及其工程应用[J].岩石力学与工程学报,1993(5):31-32.

[5]陈斌,卓家寿.岩土工程反分析的非确定性模型研究与发展[J].水利水电科技进展,2001(7):11-13.

[6]张能林.地下工程三维非线性有限元正反分析系统的研究[D].南京:河海大学学位论文,1994.

[7]冯夏庭,张治强,杨成祥.位移反分析的进化神经网络方法研究[J].岩石力学与工程学报,1999(2):54-55.

岩土反分析 篇2

摘要：关于《举例分析岩土工程勘察方法》的岩土工程论文免费下载：鄂尔多斯市规定填方区建筑物必须采用桩基础形式，填土必须进行强夯处理。勘察单位对填方地基的勘察工作须按照桩基设计的要求进行，岩土工程师应对场地土进行认真分析，勘察报告中提供的侧阻、端阻等参数应力求准确。

关键词：岩土工程勘察;桩基础;强夯;侧阻;端阻

0、概述

随着经济的发展，鄂尔多斯市工程建设规模逐年扩大，大规模住宅小区、高层建筑大量出现，由于鄂尔多斯的特殊地形，对工程质量的要求提到了一个新的高度，鄂尔多斯市分布有大面积的构造剥蚀丘陵地形，丘陵间侵蚀冲沟及丘斜坡地形，沟坡大部陡倾，局部缓倾。因工程建设的需要，需进行场地平整，而场地平整后改变了原地貌，无法分辨填方区与挖方区。而大量工程勘察工作粗糙，勘察报告未能反应真实的地质条件，未能提供准确的岩土参数，造成设计依据不足。近年来该地区新建建筑出现裂缝而无法投入使用的事件时有发生。建设行政主管部门及建设、勘察、设计、施工各方均已对该类工程引起高度重视。规定该场地必须采用桩基础，填土必须进行强夯。同时加强对勘察设计文件的审查工作。在此笔者对参与的鄂尔多斯某小区岩土工程勘察工作做一小结。

1、工程概况

本住宅小区位于鄂尔多斯市东胜区铁西新区包括45幢住宅楼，层数为3-9层。建筑场地即属于构造剥蚀丘陵地貌，冲沟发育，沟坡陡倾，经场地平整，地面标高1450.26-1457.69m，填方主要物质成份以风化细砂岩为主，含有泥岩，细砂等。填方区场地地基处理方案为“强夯+桩基”，即首先对填土分层进行强夯处理，然后再进行桩基施工。桩基设计方案采用钻孔灌注桩基础形式，桩径500mm，以强风化细砂岩为桩端持力层，桩端进入持力层2.5m。单桩承载力440-490kN。勘察期间正在进行填方工作，尚未进行强夯处理。强夯处理施工结束后，进行了检测工作，检测报告显示强夯处理达到了设计要求。然后进行桩基施工，在桩基施工过程中，由于在强风化岩中钻进困难，未能保证桩端进入持力层(强风化细砂岩)2.5m。为检验桩基安全性，委托我公司重新对填方区采用桩基础的楼座进行勘察。

2、岩土工程勘察

首次勘察期间钻孔间距按20-30m布置，个别楼座钻孔间距达32m，挖方区该间距可满足设计要求，而填方区地层变化较大，填土层厚度不均，个别楼座钻孔间距则偏大。二次勘察将间距控制在24m以内，从而较准确地反应地层的变化情况。填方区场地内地层分布情况如下：填土：灰黄、褐红色，稍湿，以强风化细砂岩为主，含有细砂、泥岩，厚度不均，强夯后达到中密状态。填方区采用桩基础的楼座填土厚度13-16m。②细砂：黄色，稍密状态，冲积作用形成，分布不连续，见于冲沟底部，层厚1.0-2.5m。③泥岩：褐红色，硬塑、坚硬，分布不连续，层厚0.6-2.5m。④细砂岩：全风化-强风化，褐红色、黄绿色，稍湿，主要成份为长石、石英及岩屑，泥质胶结，岩芯采取率60%-90%。RQD较差-差，质量等级V级。勘察区属于丘陵贫水水文地质单元区，勘察期间未见地下水，根据区域水文地质资料，场地地下水为碎屑岩类孔隙-裂隙水，含水层为砂岩，水力梯度小，主要补给来源为大气降水，水位及水量受季节性变化影响较大，水量贫乏。填方区改变了原地貌，改变了原地表水的补给排泄条件，丰水期，地表水入渗后在冲沟底部汇聚，形成为临时性地下水位。各土层物理力学指标见表1。

原勘察单位勘察报告中提供的物理力学性质指标与表1的`差异在于填土层质量密度为1.41g/cm3、侧阻为20kPa，细砂层侧阻为30kPa，泥岩层侧阻为60kPa，强风化细砂岩为80kPa、端阻为1800kPa，各地层桩的极限侧阻及端阻均小于上表中数据，各层其余数据与表1相近。

3、单桩承载力计算

本工程桩长设计为15.6m、17.0m两种，该深度内细砂层厚度约为1.0m，桩入强风化细砂岩2.5m，其余均为填土层。按原勘察单位提供的参数计算单桩承载力分别为547 kN、569kN，桩端进入持力层)强风化细砂岩)达到1.3m及1.0m，单桩承载力可以达到490kN，安全系数为2。若桩端进入持力层(强风化细砂岩)不足，则单桩承载力不满足设计要求。按我公司提供的参数计算单桩承载力分别为1131 kN、1197kN，桩端进入持力层强风化细砂岩的深度满足规范要求的1.5d时，单桩承载力分别达到911kN、977kN，安全系数分别为3.7、4.0，满足设计要求。原勘察报告中提供的土层质量密度小，原因是勘察期间填土层尚未进行强夯，因而较为松散的缘故。侧阻及端阻小则属于勘察设计人员保守所致。

4、结论

通过本工程的勘察工作，笔者认为，鄂尔多斯地区地层较为简单，但勘察工作却不可忽视。对于填方区采用强夯+桩基的方案是可行的，岩土工程勘察应针对桩基布置钻孔，钻孔间距应按规范要求为12-24m。岩土工程师应对勘察资料、试验数据认真分析，勘察报告应力求提供准确的桩基设计参数，保守和冒险都是不可取的。

参考文献

[1]《岩土工程勘察规范》(GB50021-)(版)，中国建筑工业出版社，

[2]《建筑桩基技术规范》(JGJ94-)，中国建筑工业出版社，008

关于岩土的原位测试技术分析 篇3

【摘要】岩土工程在现代社会发展与建设过程中发挥着重要的作用，岩土工程各项技术的运用，对于保障岩土工程质量，发挥岩土工程的功能与价值是至关重要的，原位测试作为现代岩土工程勘察的一项重要技术，同时也是岩土工程地基质量检测的重要手段，其在实际应用中具有着一定的优势，加强对其的分析与研究，结合现代化技术的应用不断完善其技术水平，具有着十分重要的意义。

【关键词】岩土工程；原位测试；技术

原位测试是相对于传统岩土工程试验现场取样实验室试验检测而言的，其测试的主要环境是岩土的原始位置，这样的方式对于提高测试效率，减少试验检测受环境变化影响，准确检测施工质量及效果等都具有着很大的优势，随着现代科学技术的融入与应用，岩土工程原位测试技术也得到了快速的发展，为促进原位测试作用的充分发挥，提高我国原位测试的技术水平，本文将针对当前主要的岩土原位测试技术展开分析与探究。

一、原位测试的特点

1.优势。由于原位测试是在岩土工程检测目标的现场原位进行试验的，这就必然会省去原本室内试验检测所需要的取样环节，也能够更加快速的确定岩土的基本物理指标及信息，检测效率更高。其次，室内试验检测利用原位取样、室内试验的方式，试验构成中无法完全杜绝岩土体所处相对环境变化的影响，原位测试试验则可避免这一问题，也能够达到较高的可靠性。最后，现代原位测试的主要技术，如静力触探、动力触探等都能够实现连续快速的确定土层剖面及物理指标，波速测试可以大面积确定地基加固效果，而传统的室内试验测试方法则根本难以达到这样的目标。

2.不足。首先，由于原位测试的应力条件具有着一定的复杂性，如针对特定参数进行测试，难以直观计算得出，在选择计算模型和确定边界条件时将不得不采取一些简化假设，这就有可能出现不同程度的误差，影响岩土体测试结果的理想程度。其次，岩土原位测试在预测岩土随荷重条件变化的参数变化趋势方面难以发挥作用。再次，由于原位测试本身在时间及经费上的消耗较大，出于成本考虑往往不适合过多进行试验，这也使得原位测试所获取的参数相对数量不足，也给统计分析带来一定的困难。最后，土体原位测试参数与土的工程性质之间的关系，仍然是建立在大量统计经验关系之上的，对于不同性质的土体，不同部门确定的经验关系会有很大差异。

二、沿土原位测试的主要技术分析

1.地基静荷载原位测试。地基静荷载测试试验主要是为了测试地基的变性特性以及承载力，并通过计算获得地基土的固结系数而进行的，较为常用的地基静荷载原位测试试验可分为平板试验和螺旋板试验两种载荷试验。由于这种试验方法能够在现场原位直观的观察实验过程与结果，因此，也具有着较高的可靠性，并能够为其他检测手段的运用提供基础标准与数据支持。但相对而言，地基静荷载试验的应用要受到周期较长及压板效应等因素的影响，且由于试验工作量及所需设备材料较多，整体试验成本相对较高。地基静荷载原位测试试验所需设备往往应实际测试需要及条件差异而有所不同，较为常见的测试设备有压重加荷台试验装置，而反力系统、观测系统、加荷系统、承压板等试验装置也在测试试验中发挥着重要的作用。

2.静力触探原位测试。静力触探原位测试试验主要是通过静力触探仪设备，利用机械装置将测试探头匀速压入被测土体当中，根据探头阻力的数据检测与收集，获得土体的相关参数。目前应用的主要静力触探仪设备大都包括三个部分，分别为压入土体进行探测的触探头、负责数据显示与记录的量测记录仪表、负责将触探头压入土体中的贯入系统，由这三个主要部分结合发挥作用，来完成实验测试。静力触探原位测试试验在实际应用中主要特点在于其设备灵活轻便、便于携带，并且试验成本相对较低，对于不同环境条件下的测试工作都能够很好的适应。在进行静力触探试验时，做好对贯入力的控制是十分重要的，贯入力施加应以贯入杆受力性质及实际土体条件为基准，如贯入力不足会导致触探头不能压入到理想深度，贯入力过大则可能导致探杆发生弯折。

3.声波测试技术。声波检测技术主要应用于一些常规检测试验方法无法获得理想测试效果，或受到时间及条件限制不能有效应用的测试项目，声波测试技术主要是通过对剪切波在土体中传播速度的检测及数据分析，并与其它可应用便携式设备所获取的测试数据结果相结合，以此来对岩土性质、状况等进行准确快速的评价。一般应用过程中，需要在被测岩土体范围的两侧分别设置激发源、加速度传感器、计算采集系统等设备，测试时利用锤子敲击激发源，并通过另一侧的传感器收集相应信号传输至计算采集系统，经过计算加工处理形成以对相互反向的波形，以此来获取剪切波与试验段土体中的传播时间与传播速度。该技术的应用优点在于无需复杂的操作，且不用进行钻孔，在获得相应数据与力学指标的同时，不影响工程表面作业与通行，仪器为便携式，利于携带，检测速度快等。但会受到试验段岩土体内部结构均匀程度及成分的多样性等因素影响，还有待于进一步的技术完善，以提高测试可靠性。

4.膨胀土原位膨胀力测试。一般对于膨胀土膨胀力的测试方法主要包括三种，即常体积法、回压法、压力—膨胀量曲线法，由于不同测试方法的特点，在测试结果方面也会存在一定的差异性，一般情况下，回压法测试结果容易偏大，而压力—膨胀量曲线所测得的结果容易偏小，常体积法所测得数据相对更为接近实际膨胀量参数值，因而应用中也相对更为广泛。但这三种测试方法以往都只能在室内进行，要实现原位测试还需要对相应方法进行改进，如针对压力—膨胀曲线法进行一定的改良，可以实现在岩土工程现场区域进行的原位膨胀力测试试验，目前该方法已经在我国许多岩土工程膨胀土检测中获得了应用，并未工程建设与质量检测提供了重要的数据与材料。

总结

随着我国岩土工程建设量的不断增加，对原位测试技术的应用需求也随之不断加大，而现代自动化技术与原位测试技术中的结合应用与不断完善，很大程度上推动了原位测试技术的发展，也有效地简化了原位测试技术的操作流程，提高了测试结果的可靠性，这也为现代岩土工程施工技术水平的提升提供了强大的动力，加强对原位测试技术的发展与推广应用具有着积极而深远的意义。

参考文献

[1]邢皓枫，马福云，徐超.原位测试课程建设探索[J].高等建筑教育，2011（02）.

[2]陈志辉.土体原位测试技术新进展[J].中国水运（下半月），2011（06）.

岩土参数反算在工程应用中的分析 篇4

目前用来分析岩土工程稳定性的方法有很多, 如数值分析法、极限平衡法等。在对岩土体进行稳定性分析时, 准确的强度参数是至关重要的。工程中经常用土工试验来获取内摩擦角φ、黏聚力c等强度参数。该方法得出的试验结果可靠, 且适用于大多数岩土体。但对构造复杂的土体, 如碎石土等, 若用土工试验来获取其参数, 所耗时间长, 且难度较大。并且有些土体强度参数的空间变异性较大, 得到的试验结果离散, 很难得到准确的计算参数[1,2]。在此情况下, 通过采用参数反演手段来获取岩土体强度参数已得到广泛的应用[3]。准确分析和评价边坡稳定性的关键是如何正确选取土工参数, 进而会影响到边坡工程的安全。而这些土工参数中, 滑动面岩土体的重度γ, 其选用值的误差对边坡稳定性的影响远小于粘聚力c、内摩擦角φ。因此, 滑坡岩土体抗剪强度参数c、φ的取值成为影响边坡稳定性分析结果可靠度的关键, 研究确定c、φ值的方法对边坡工程的稳定性分析与加固设计具有重大的实际意义。

1 原理分析

1.1 反算分析法

在国内外边坡稳定性分析通常采用极限平衡条分法, 主要有瑞典法、Janbu法、简化Bishop法和传递系数法等, 其中传递系数法在滑面边坡的应用最为广泛。传递系数法不计力矩平衡条件, 只考虑力的平衡, 简单易行, 而且与其他极限平衡方法的计算结果相差不大, 能基本满足边坡工程实践的需求。反演分析采用的边坡稳定性分析模型不同, 反算得到的强度参数值也会有所不同。

1.1.1 反分析基本前提

反演分析的可靠性主要取决于边坡稳定状态和边界条件的准确性。反演分析的基本前提: (1) 结合实际情况选定边坡稳定性系数值; (2) 勘察滑动面位置及滑动形式; (3) 总结分析造成边坡失稳或坡体变形的外力因素。

1.1.2 反分析求解过程

对于确定的滑坡断面, 先假定稳定系数Fs已知, 利用传递系数法可以求取c、φ值的对应关系。但c、φ值是两个不确定参数, 对于单一断面的一个极限平衡方程, c、φ值具有不确定性, 必须先假定c或φ中一个, 再求解另一个未知数, 这样可求出无数组c、φ值的解, 但却无法获得反映滑坡滑动时真实状态的唯一解。为了同时反算出c、φ值, 可在滑坡体中寻找两个或多个处于极限平衡状态的断面, 建立不少于两个极限平衡方程联立求解。通常情况下, 为了提高反算结果的可信度, 可同时结合土工试验、工程类比或敏感性分析等方法来确定强度参数的取值。

联立滑坡的两个或多个断面进行求解, 可能会出现两条或多条平行直线方程的情况, 以致无法求解。因此, 多断面极限平衡方程联立反算的基本条件是选取的多个滑坡断面必须相似。相似条件包括: (1) 地质条件相似, 滑坡的类型和形式、滑带土的物质组成以及含水状态要相似; (2) 滑坡的运动过程和状态相似。

将坡体将滑而未滑那一瞬间视为滑坡的极限平衡状态, 在未发生滑动时, 其稳定系数Fs=1。采用传递系数法列出滑坡断面的极限平衡方程, 求解出多个断面的一系列不同c、φ值组合, ?用图解法绘制多个断面的c-φ曲线, 交点即为反算的强度参数值。

1.2 基于传递系数法的反算分析

传递系数法 (即不平衡推力法) 是滑坡稳定性分析使用最广泛的方法之一。传递系数法假定滑坡体为整体滑动, 各条块的条间力以集中力表示, 作用在分界面中点, 其作用方向与上一条块的底面平行。在对滑坡范围内滑动方向和速度大体一致的滑体进行计算时, 可将它们视为一个计算单元, 并选择其中的典型滑坡断面进行分析。根据不同地层性质和滑面坡度的差异, 将整个滑体划分为若干竖直条块。由力的平衡条件可知, 从第一个条块连续向前逐条向下推求, 直至最后一个条块的推力为零, 该方法通常有隐式解法和显式解法两种[4]。传递系数法有三个假定条件: (1) 滑体不可压缩并作整体下滑; (2) 条块间只传递推力不传递拉力; (3) 取垂直滑坡主轴方向单位宽度 (一般为1m) 的岩土体作为计算断面, 不考虑条块两侧的摩阻力[2]。

取滑坡体的第i个条块为研究对象, 条块i的受力图如图2所示。

由力平衡条件, 可得第i条块的条间力Pi表达式:

其中,

ψi为传递系数, 可简化计算为:

上述式子中的c和tanφ均为滑面实际强度参数, 强度不再发生变化。采用下滑力超载稳定系数, 即下滑力Ti前乘了稳定系数Fs;然而传递系数ψi可简化成一个常数, 且与Fs无关。即设Fs=1, 由此推出安全系数的显式表达式为:

上式是《公路路基设计规范》中常用的公式。在滑坡处于极限平衡状态下, 传递系数ψi的表达式中可假设Fs=1。基于传递系数法进行边坡滑动面强度参数反算分析时, 计算量庞大, 可利用MATLAB数学软件进行计算, 这样可以大大提高计算效率[5]。

2 实例计算

2.1 边坡概况

永龙界ZK56+860~ZK56+940段边坡岩体较破碎松散, 覆盖较厚强风化层。边坡开挖成型后, 受降雨影响, 坡体有两处小面积滑塌, 滑带岩土体主要为表层粘土 (夹杂少量碎石) 、强风化层软岩、泥质页岩等。以下为该路的2处典型滑坡示意图:

该边坡位于断层碎裂带边缘, 地质状况复杂, 受地质构造及外界条件影响很大, 边坡整体稳定性较差。岩质边坡地处断层碎裂带边缘, 受地质构造影响显著, 岩体完整度较差, 块状偏小, 岩体风化较严重, 抗剪切强度较小。岩体以节理、裂隙发育的强风化砂质页岩和粉质粘土中夹强风化页岩块石两大类为主, 强风化层厚度大, 岩质较软, 整体结构松散。根据现场滑坡的形态特征、滑带岩土体及结构特征和勘探的地质资料, 选取ZK56+860~ZK56+940段边坡为研究对象, 该处边坡坡体中碎石土较多, 土体强度参数的空间变异性较大, 对室内直剪试验结果产生较大的离散性, 很难获取准确的参数。影响边坡稳定性的因素较多, 如岩土体的基本物理力学性质、边坡的几何特征、岩体的结构面参数等。它们对边坡稳定性都有不同程度的影响。由于这些影响因素难以量化, 在进行边坡的稳定性分析时, 很难考虑到它们的影响。而反算分析方法的思想就是把这些难以量化的因素综合考虑在“等效参数”中, 因此采用了基于传递系数法来反算滑动面岩土体的抗剪强度参数, 为边坡工程分析发展提出了一种新的方法。

2.2 参数分析

假定边坡处于极限平衡状态, 采用传递系数法对ZK56+860~ZK56+940边坡岩土体参数进行敏感性分析。依据勘测资料提供的c、φ取值范围, 形成不同的组合系列, 利用MATLAB软件计算对应的稳定性系数Fs, 计算结果如表1、表3所示。

由上图可通过拟合曲线得到y=k1x+b公式, 得出不同内摩擦角的情况下对边坡稳定性影响的敏感度k1, 如下表2所示:

由上图可通过拟合曲线得到y=k2x+b公式, 得出不同粘聚力的情况下对边坡稳定性影响的敏感度k2, 如下表4所示:

由图5、图6可知, 滑动面岩土体的c和φ值对稳定性系数Fs的影响均较大, 比较表2与表4可知, 斜率k2>k1, 表明对于ZK56+860~ZK56+940边坡滑坡体, 稳定性系数Fs对φ值的影响更敏感, 且随内摩擦角φ的变大, 稳定性系数Fs增加速率更快。因此, 在进行反演分析时可先假定c值, 然后再通过MATLAB软件的极限平衡稳定分析程序来反算φ值。

2.3 反算参数的确定

根据边坡稳定性传递系数法的稳定系数计算公式, 利用MATLAB软件编写了边坡稳定性分析电算程序, 考虑“自重+水”的工况, 对ZK56+860~ZK56+940边坡进行滑动面抗剪强度参数c和φ值的反演计算。由以上的边坡参数敏感性分析可知c值的敏感度较低, 根据室内试验数据可确定c值的范围, 将c值进行区间分段, 其中选取c值分别为13、14、15、16、17、18、19、20k Pa, 在滑坡的极限平衡状态及边界条件下, 运用传递系数法反算φ值。当稳定系数Fs=1.0时, 分别反算出ZK56+860~ZK56+940边坡1#和2#滑坡体在不同c值条件下的φ值。计算结果如表5、6所示。

联立ZK56+860~ZK56+940边坡1#和2#两个滑坡体极限平衡方程, 求解该边坡滑动面抗剪强度参数反演计算值。如图7中两条c-φ曲线的交点坐标c=15k Pa, φ=24.48°即为该边坡滑动面抗剪强度参数反演计算值。

3 结论

本文介绍了获取滑动面岩土体抗剪强度参数的反算分析法, 以ZK56+860~ZK56+940边坡两处滑坡体为研究对象, 基于传递系数法对该滑坡体的抗剪强度参数进行了反演计算, 得到合理参数。通过分析影响边坡稳定性参数内摩擦角φ和黏聚力c对边坡稳定性的影响得出, 内摩擦角φ较黏聚力c对边坡的影响更为敏感。在反演计算中, 假定稳定系数Fs=1.0时, 分别反算不同c值条件下的φ值, 联立两处滑坡体极限平衡状态方程, 得出抗剪强度参数为c=15k Pa, φ=24.48°, 为龙永高速后续边坡开挖施工行为及防护加固时机选择提供指导性建议。

摘要：由于岩土体的复杂性和室内外试验的不确定性, 在选定物理力学参数时存在许多实际困难, 综合考虑各种因素的影响, 基于传递系数法来反算边坡稳定性强度参数, 选取合理的计算参数对边坡稳定性进行分析。数值分析结果表明, 岩土体强度参数内摩擦角φ和黏聚力c对边坡稳定性影响较大, 且内摩擦角φ较黏聚力c对边坡稳定性更为敏感。反算分析方法对完善岩体工程问题的设计理论起到重大的指导作用。

关键词：反算分析法,传递系数法,边坡稳定性,强度参数

参考文献

[1]沈永飞.边坡位移反分析及其工程应用研究[D].重庆大学, 2010.

[2]童志怡.岩质边坡滑动面力学参数的取值理论和方法研究[D].中国科学院研究生院 (武汉岩土力学研究所) , 2009.

[3]孙志彬.Mohr-Coulomb准则下基于滑动面深度的边坡参数反分析方法[M].岩土力学, 2014, 4.

[4]贾恒国.抗滑桩设计计算的程序实现[D].太原理工大学, 2010, 5.