位移增量法反分析邊坡結構面參數(shù)

文 豪，郭運華

（1.國電大渡河公司流域檢修安裝分公司，四川樂山 614900；2.武漢理工大學道橋中心，湖北武漢 430070）

0 引 言

原型監(jiān)測成果的反饋分析是優(yōu)化邊坡支護設計、施工的第一手資料。反饋信息要求及時、準確，因此發(fā)展準確、快速的監(jiān)測和反分析方法意義重大。目前，邊坡變形觀測方法中能在短時期獲得反分析必須數(shù)據的有:（1）三角測量和精密水準測量；（2）滑坡記錄儀；（3）裂縫觀測；（4）多點位移監(jiān)測；（5）鉆孔撓度計；（6）鉆孔傾斜儀等。同時發(fā)展的穩(wěn)定性評價方法有定性分析、定量分析、剛體極限平衡、數(shù)值分析、非確定性分析等，并得到了大量成功的應用。

根據原型監(jiān)測的前期成果，利用均勻設計的方法快速反分析邊坡內部地質條件及裂隙參數(shù)，為后期優(yōu)化設計提供反饋信息。

1 影響邊坡變形的因素

反分析過程首先需確定引起位移變化的主要影響因素，并根據主要矛盾選擇合適的反分析對象。一般來說，地質不連續(xù)面、邊坡的幾何形狀和地下水的某種組合條件為對巖質邊坡安全穩(wěn)定性的最大威脅，分析過程主要考慮以下幾方面。

1.1 邊坡幾何形狀的影響

邊坡幾何形狀主要體現(xiàn)為坡角、坡高及馬道的設置。目前邊坡設計主要采用坡比法，即根據邊坡圍巖分級按小于30 m坡高的設定來確定坡比，超過30 m高的邊坡采用馬道將邊坡分割為幾個邊坡來考慮。實際施工開挖過程中，邊坡幾何形狀總在不斷變化中，因此邊坡幾何形狀及其變化過程也會對邊坡的變形造成直接影響。

1.2 不連續(xù)面分布及強度參數(shù)的影響

巖質邊坡不連續(xù)面的產狀直接影響邊坡的破壞形式，受切割面控制的邊坡常見有以下幾類破壞形式：（1）圓弧形破壞模式主要發(fā)生在大量隨機分布節(jié)理裂隙交叉切割、巖體完整性極差的情形中；（2）平面破壞模式發(fā)生在切割面順坡向發(fā)育情形中；（3）楔體破壞模式發(fā)生在幾組不連續(xù)面切割情形中。

結構面強度參數(shù)主要與貫通性、表面粗糙度及充填膠結情況有關。邊坡支護灌漿作業(yè)的充填膠結對結構面C值改善明顯。對于沿結構面破壞的邊坡形態(tài)，結構面參數(shù)的改善對邊坡穩(wěn)定性提高和控制最大變形具有重要意義。

1.3 支護形式的影響

錨桿對不連續(xù)面的加固作用主要體現(xiàn)為增加損傷巖體的斷裂韌性。預應力錨索的加固作用主要體現(xiàn)為主動提供的抗滑力和錨索注漿時漿液充填不連續(xù)面使不連續(xù)面的強度參數(shù)得到提高。

此外，還存在地下水的賦存狀態(tài)的影響等。

2 位移增量法反演邊坡結構面參數(shù)

如前所述，在查明引起邊坡變形主要影響因素的前提下，利用邊坡變形監(jiān)測成果的某一施工過程與監(jiān)測物理量之間的對應關系，可以反推邊坡的結構面參數(shù)與變形規(guī)律。反演過程的關鍵在于準確再現(xiàn)邊坡地質原型，盡量保證反分析解的唯一性，原理如下：

設初始范圍為Ω0的巖（土）體在經歷n個施工階段后的計算域為Ωn，位移、應變和應力狀態(tài)分別為un、εn、σn等（上標n表示第n個工況），現(xiàn)在對其進行一組新的施工作業(yè)，即進入第n+1個工況，記該組作業(yè)完成后的計算域為Ωn+1，作用在該計算域上的體力為pn+1，面力邊界上的面力為tn+1。計算域Ωn+1內部當前工況的初始應力為上一工況的應力Ωn，它和作用在當前計算域上的外力pn+1、tn+1不相平衡，計算域Ωn+1將產生新的位移直至達到新的平衡態(tài)，得到一個新的平衡應力場σn+1，則有下式成立：

式中[B]為應變矩陣，[N]為形函數(shù)矩陣。

在邊坡巖體力學性能、開挖支護參數(shù)確定的前提下，根據施工過程與變形增量的對應關系，可以對結構面參數(shù)進行計算求解，并確立反演的目標函數(shù)如下：

式中：（x）=（K、G、?、c）；fi（x）為圍巖在第i個測點量測方向上的計算相對位移值；ui為該測點量測方向上發(fā)生的相對位移實測值N為測點數(shù)。目標函數(shù)值最小時的參數(shù)取值為最接近真實巖體參數(shù)的取值。

正反分析過程需要大量計算逼近，合理的試驗設計方案是提高效率的關鍵，均勻設計方法可以滿足及時性的要求，精度也能滿足工程運用。

3 工程實例

某溢洪道泄槽段沿古河道和Ⅳ級階地邊緣布置，偏靠山坡內側。底板和邊墻置于花崗巖上，邊坡巖體中未發(fā)現(xiàn)控制邊坡穩(wěn)定性的斷層等軟弱面分布，節(jié)理裂隙5組，其中第①組N50°～70°W/NE、SW∠60°～85°裂隙組與坡面近于平行并傾坡外，當開挖形成臨空面時，該組結構面與其他結構面切割組合，在局部可能產生一定規(guī)模的變形失穩(wěn)。實測過程曲線、監(jiān)測儀器布置及位移分布曲線如圖1、圖2所示。

圖1 監(jiān)測儀器布置與位移分布曲線示意圖Fig.1 Distribution of monitoring instruments and displacement graphs

圖2 實測過程曲線及施工時間關系Fig.2 Relationship between measured value and construction time

實測成果顯示，底板保護層開挖引起應變突變，M6以上錨索施工完成后，裂隙1引起的位移增量明顯減小，但裂隙2引起的位移增量仍繼續(xù)增長，并呈現(xiàn)失穩(wěn)態(tài)勢。M6以下錨索施工完成后，變形逐步穩(wěn)定。根據各監(jiān)測點位移突變點的位置關系，找到兩條關鍵裂隙產狀，與前期地質調查第①組裂隙組產狀吻合，因此可以判斷邊坡變形失穩(wěn)主要由第①組裂隙引起，確定將此組裂隙力學參數(shù)?作為反分析求解對象。采用錨索灌漿施工前底板保護層開挖的位移突變反分析原始結構面力學參數(shù)?，邊坡巖體力學參數(shù)采用現(xiàn)場試驗值沿風化線深度方向插值獲得。

表1 巖體參數(shù)現(xiàn)場試驗值Table 1:Results of site test on rock properties

采用9組均勻試驗設計方案進行正反分析，試驗方案及計算結果如表2所示。

表2 計算方案及結果Table 2:Calculation scheme and results

計算結果顯示第三組計算方案最接近真實值，為 25.3°～28.8°。接近現(xiàn)場試驗結果 26°～35°的下限，與鉆孔揭示的裂隙中充滿渾濁水情況符合。計算位移與實測位移分布對比如表3所示。

為驗證反演參數(shù)的合理性，將后續(xù)施工過程計算結果與實測結果進行對比，如表3所示。計算位移等值線圖及各測點位置關系如圖3所示。

圖3 計算位移等值線圖與測點埋設部位示意圖Fig.3 Calculated displacement contour lines and embedding positions of the instruments

邊坡原設計錨索布置分2部分：1 840～850 m 高程2排5×5 m1 000 kN；2 820～840 m高程3排5×5 m1 000 kN。實測圖曲線顯示位移加速，出現(xiàn)失穩(wěn)跡象；利用上述反分析成果進行正分析也顯示邊坡不能有效控制位移，故發(fā)出預警。優(yōu)化設計后增設800～820 m高程3排5×5 m1 000 kN，施工完成后位移得到有效控制，避免了位移過大可能導致856 m高程省級公路中斷的危險。

4 討 論

位移反饋分析往往在施工過程中完成，根據反饋信息優(yōu)化設計要求反饋分析及時、準確。正反分析過程往往需要大量計算，采用均勻設計可以大大減少運算量，解得精度可以滿足工程要求。由于正反分析往往采用位移增量法，與現(xiàn)場儀器埋設實測位移增量相似，可行性較高，但對解的唯一性難于保證；同時由于邊坡地質情況的復雜性，模型的簡化需要豐富的地質調查經驗，綜合模量方法對文中實例適用性受限制。同時在錨索施工灌漿普遍存在超灌的情況下，灌漿對結構面的影響不明確，因此提高反饋分析成果的精確性尚待進一步研究。

表3 計算相對位移增量值與實測相對位移增量對比Table 3:Calculated relative displacement increment and measured values

5 結 語

準確的原型調查和快速均勻設計正反分析大大提高了反分析的速度，減少了計算量，使及時提出供優(yōu)化設計參考的反饋信息多了一種手段，本文采用的這一方法在工程中具有實用價值。

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