淺析巖土工程邊坡不確定性的分類及對策

蘇健

摘 要：本文對巖土工程邊坡不確定性的分類進行分析，并提出了減少這些不確定性影響的對策，使其廣泛應用于邊坡巖土工程實踐中。

關鍵詞：巖土工程；邊坡；不確定性；分類；對策

1、不確定性的分類

在巖土工程應用中，不確定性的主要因素歸納為以下3個方面：

1.1 巖土參數

巖土參數就是邊坡的巖土物理力學指標。它的不確定性很容易理解，這些參數依據時空而有顯著變化，即具有空間變異性和時間變異性。盡管我們在勘察階段采取縮短土樣存放時間、嚴格密封等多種方法可以減少時間因素帶來的影響，但我們無法克服巖土體的空間變異性必須要用統計的方法處理巖土的空間變異性和離散性。空間變異性是巖土工程所特有的，我們只有盡可能地描述它，而不能實質性地減少它。最終得到的參數也只能是通過統計學方法得到的理論值參考值，而非真值。

1.2 巖土模型

模型是原型的理想化替代物，它反映原型的主要特征。對于邊坡巖土分析，模型并不是唯一的，模型的不確定性由此而來。在巖土工程實踐中發展起來的分析模型，就其實用性和復雜程度來說，是與人的認識水平和分析能力直接相關的。邊坡巖土工程設計發展趨勢是越來越多的考慮實際坡體結構的特點和性能，這就必然要求巖土工程使用越來越復雜的模型，在確定了模型后，關鍵還在于選取合理的數值計算方法，如：有限單元法、有限差分法、極限分析法、通用條分法、滑移線法、邊界元法、離散元法、拉格朗日元法、流形元法、非連續變形分析法、半解析法等，各種方法都有其優缺點及適用條件，可以單獨使用，也可以聯合使用。而實踐中，設計者大都選擇與實際巖土特征類似的經典巖土體計算模型及數值計算方法。

2、邊坡巖土工程不確定性的對策

2.1 常用的對策

2.1.1 經驗設計

巖土工程以前經歷過完全依靠經驗設計的階段，而且直到現在，工程經驗特別是地方經驗仍然在巖土工程設計中占有十分重要的地位。巖土工程問題中，有很多因素是不確定的，因此很難進行準確的分析，我們只能通過經驗再加上工程的具體獨有的特點，從而設計出一套解決方案。巖土工程師多年的實踐經驗可以在一定程度上減少巖土參數和巖土計算模型不確定性因素的影響。

2.1.2 安全系數

在巖土工程設計中，很早就采用了安全系數這樣一個非常重要的概念，它可以有效地部分解決巖土參數、巖土計算模型不確定性因素的影響。但采用多大的安全系數往往成為問題的關鍵，特別是就2種不同的巖土計算模型來說，如果取相同的安全系數，其安全程度并不一定相同，這也增加了設計者把握的難度。例如鐵路和公路相關設計規范中，對于計算滑坡下滑力分別采用了不平衡推力法的顯式和隱式表達式，如果取相同的安全系數，計算得出的下滑力并不一樣。

2.1.3 不足之處

以上是常用的2種減少巖土不確定性影響的方法，但也可以看出，經驗性的、保守的、感性直觀的因素是目前邊坡工程設計中普遍存在的一種現象，它可以表現為過分保守地確定巖土體力學參數、構建相對保守的巖土計算模型，采用相對保守的安全系數，較多地考慮其它危險因素等等。當設計者對巖土有關的不確定性了解很少時，這樣考慮問題是合理的。但是，隨著我國現代化建設事業的不斷發展，工程建設逐步由低標準向高標準發展，這種方法目前已不適應現代化大型工程建設的需要，現在的巖土工程需要考慮本項目工程建設以外的自然環境、社會意義等因素的影響，所以要進行更加科學的分析與決策。

作者根據多年的實踐經驗提出了邊坡巖土工程先進的設計模式：動態設計與施工。

2.2 推薦對策——動態設計與施工

邊坡巖土工程的巖土模型選取、力學分析較為復雜，尤其是對于地質條件稍微復雜的地區來說，其分析計算的難度就更大，當邊坡施工過程開始后，一些原來較為模糊的地質條件就會逐漸地明晰，甚至還會出現設計時并未勘明的地質情況。如果還按照原設計圖按部就班地施工，很有可能造成不可挽回的嚴重后果。

動態設計與施工方法使邊坡巖土工程具有彈性，即使整個巖土工程具有可改變的余地。對于邊坡巖土工程，按照單一的地質勘察、分析設計、按圖施工這樣的思路是不科學的，這實際是一種靜態的設計施工過程，并不能對施工過程中出現的變化情況作出反應，而這正是目前很多部門在設計時采取的方法，其缺陷是明顯的。由于邊坡巖土工程在實際施工中經常會出現各種新情況，因此，必須對原有的設計進行適當調整后再施工。這種動態的設計施工處理方法能對實際情況作出及時反應，使設計更加適合現場真實情況。并且，我們還可以在施工過程中進行現場監測以便估計施工現場的的安全性并用判斷是否要修改先期設計。動態設計與施工本身就是根據不斷獲得的信息來消除設計與施工方面的不確定性。

對于邊坡巖土工程來說，設計往往具有超前性，而施工則直接體現了現實性。二者之間不可避免地要產生矛盾，為解決矛盾就需要把施工中不斷獲得的新信息經處理后傳遞給設計，以此不斷修改、完善設計，直至最終解決矛盾。為此，提出邊坡巖土工程的動態設計施工模式，如圖1所示。

圖1 邊坡巖土工程動態設計與施工的基本程序

在各級邊坡施工過程中，將觀察信息和鉆探信息及時同最近設計的依據相比較，判斷是否有較大的誤差；同時，及時分析整理監測信息，以此作為判斷設計合理性的重要依據。經過比較，若發現施工中的反饋信息同最近的設計依據有較大出入或監測結果表明設計具有不合理性時，均應修改設計，于是在下一級坡施工時就可采用修改設計的結果；若本級邊坡施工中獲得的信息均比較合理，則仍按最近的設計進行下一級坡的施工。如此反復螺旋式循環操作，直到各級坡都施工完成。需要說明的是，在整個坡體施工完成后，進行施工后的監測仍是必要的，因為這是檢驗設計施工效果的重要判據。

因此，在施工過程中獲取有效的信息對于邊坡工程的變更設計和后續的施工都有重要的指導作用。

3、結束語

綜上所述，動態設計與施工方法在邊坡巖土工程中具有廣泛的運用前景。巖土工程設計是否合理，與所采用的工程措施能否適應工程地質條件有關，在施工過程中建立必要的信息收集系統，根據開挖和其它工程所揭示的工程地質條件對設計的巖土力學力學模型和相關參數不斷修正完善，真正實現動態設計與施工，這樣才更適應邊坡巖土工程的特點，能更安全、高效地完成工程的設計施工，所以說“動態設計與施工”是消除邊坡巖土工程不確定性的有效對策。

參考文獻：

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