巖土工程自適應(yīng)錨位技術(shù)的有限元理論分析與應(yīng)用

楊振莉，姚顯瑞

（河北中色華冠巖土工程有限公司，河北 三河 065201）

在巖土工程施工過(guò)程中由于施工環(huán)境和地質(zhì)條件的復(fù)雜性影響，巖體工程錨固支護(hù)應(yīng)力越來(lái)越大，為了保護(hù)巖土工程施工的安全性，提出了自保護(hù)和有限元自適應(yīng)錨位技術(shù)的單元結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)方案，更好的保護(hù)巖土工程錨固結(jié)構(gòu)的安全性。通過(guò)有限元理論分析，在巖土工程施工過(guò)程中，巖體錨固技術(shù)可以有效的提高巖土體的受力強(qiáng)度，減少結(jié)構(gòu)體體積和重量，并節(jié)約建筑施工成本，提高巖土工程施工的安全性。

1 自適應(yīng)有限元理論

自適應(yīng)有限元理論可根據(jù)計(jì)算得到的誤差信息判斷解是否具有足夠的精度，即通過(guò)事后的誤差估計(jì)結(jié)果對(duì)誤差較大的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格優(yōu)化。若未達(dá)到要求精度，則計(jì)算機(jī)可自動(dòng)向滿足精度要求的方向進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)，所以自適應(yīng)有限元理論是一種可自動(dòng)將算法調(diào)整以改進(jìn)求解過(guò)程的數(shù)值方法。此時(shí)，只需要初定義描述問(wèn)題幾何特性的初始網(wǎng)絡(luò)與可接受網(wǎng)的誤差水平，計(jì)算機(jī)即可自動(dòng)產(chǎn)生滿足要求的網(wǎng)絡(luò)，其分析效率與結(jié)果可靠性得以大幅度提高。自適應(yīng)有限元涉及到的主要技術(shù)問(wèn)題有誤差估計(jì)、網(wǎng)格自適應(yīng)改進(jìn)以及瞬態(tài)問(wèn)題的時(shí)間步長(zhǎng)自適應(yīng)調(diào)整等。為解決這些問(wèn)題，自適應(yīng)有限元的分析系統(tǒng)應(yīng)擁有如下基本模塊；①足夠自由與靈活的自適應(yīng)網(wǎng)格生成模塊，可根據(jù)模型的特點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格生成，不再局限于單調(diào)的劃分方式；②評(píng)價(jià)有限元模型精度的誤差估計(jì)模塊，為評(píng)估分析精度提供了依據(jù)，是自適應(yīng)法改進(jìn)的基礎(chǔ)；③聯(lián)系新、舊網(wǎng)格的模型自適應(yīng)改進(jìn)模塊，使已劃分的舊網(wǎng)格誤差分布的信息有效反饋給新劃分的網(wǎng)格，使自適應(yīng)網(wǎng)格得以快速迭代。

2 巖土工程錨固技術(shù)分析

巖土工程錨固技術(shù)[1]可以有效的解決巖土工程中安全性的問(wèn)題，巖土錨固技術(shù)在的基坑支護(hù)和高坡治理等巖土工程中得到了廣泛的應(yīng)用。巖土錨固技術(shù)就是通過(guò)錨桿把地層和結(jié)構(gòu)物連接在一起，通過(guò)錨桿和地層之間的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的拉力對(duì)地層進(jìn)行加固，保證巖土體和結(jié)構(gòu)物的牢固穩(wěn)定。巖土錨固技術(shù)可以在地層開(kāi)挖之后立刻提供支護(hù)抗力，對(duì)地層的固有強(qiáng)度進(jìn)行保護(hù)，防止地層發(fā)生擾動(dòng)，這樣可以有效的控制地層發(fā)生變形，進(jìn)一步提高了巖土施工的安全性。巖土錨固技術(shù)可以改進(jìn)巖土體的應(yīng)力效果，保證巖土體受力的穩(wěn)定性。巖土錨桿技術(shù)可以通過(guò)巖土體強(qiáng)度和自身的穩(wěn)定能力，連接地層和結(jié)構(gòu)物形成一個(gè)共同的結(jié)構(gòu)體系。巖土錨固技術(shù)減少了結(jié)構(gòu)物的體積大小，為工程施工節(jié)約了很多的材料成本，并且提高了土地的使用效率。巖土錨固技術(shù)由于具有靈活的應(yīng)用性和快速施工性，不僅有助于對(duì)邊坡的預(yù)防和治理，而且對(duì)出現(xiàn)危害情況的巖土結(jié)構(gòu)也可以進(jìn)行及時(shí)的加固和搶修，可以有效的保護(hù)工程施工的安全性。

3 巖體工程自適應(yīng)錨位技術(shù)的有限元理論結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)研究

3.1 自適應(yīng)有限元理論結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的必要性分析

在巖體工程的實(shí)際施工中，錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)[2]的設(shè)計(jì)是保證在巖土體壓力和錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)橫向支撐力的共同作用下達(dá)到力的平衡，通過(guò)平衡條件對(duì)錨固力的有限元理論進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法簡(jiǎn)單而且在巖土工程實(shí)際的施工中得到了廣泛的應(yīng)用。巖土地下工程進(jìn)行開(kāi)挖施工的時(shí)候，周圍巖土?xí)テ胶?，巖土體內(nèi)部的應(yīng)力會(huì)再次重新分配形成次應(yīng)力，巖土的承載力小于次應(yīng)力那么周圍的巖土體將會(huì)被破壞，這是需要對(duì)周圍巖土做支護(hù)處理。采用自適應(yīng)錨位技術(shù)的支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍巖土體形成一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，可以保證周圍巖土體的穩(wěn)定安全。在巖土工程的邊坡支護(hù)工程中，在對(duì)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖施工的時(shí)候，初始的應(yīng)力發(fā)生了變化不再維持原有的平衡，巖土體內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生重新分布，這樣邊坡地層會(huì)發(fā)生變形。邊坡在每次開(kāi)挖施工中都會(huì)發(fā)生位移矢量，造成邊坡的變形發(fā)生。邊坡變形內(nèi)部因素是應(yīng)力的變化，造成巖土體松動(dòng)，降低了巖土體的穩(wěn)定性，如果不及時(shí)的建立支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，那么邊坡土層結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的破壞。在巖土工程的邊坡開(kāi)挖施工過(guò)程中，根據(jù)有限元理論巖土體應(yīng)力的變化和調(diào)整不是在瞬間完成的，要隨著時(shí)間的變化來(lái)一步一步的進(jìn)行。對(duì)錨固支護(hù)單元結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮到邊坡在長(zhǎng)期的荷載作用下的穩(wěn)定性因素。

3.2 自適應(yīng)錨位技術(shù)的有限元體系設(shè)計(jì)研究

自協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)，在有限元結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部要有一定的變形能力，保證單元結(jié)構(gòu)不發(fā)生損壞。單元結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部也要有一定的協(xié)調(diào)能力，在內(nèi)部可以對(duì)多余的荷載進(jìn)行有效的相互轉(zhuǎn)移。單元結(jié)構(gòu)體系是由相互獨(dú)立的單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，在單元結(jié)構(gòu)之間要具備一定的協(xié)調(diào)能力和變形能力。單元結(jié)構(gòu)發(fā)生位移不能對(duì)結(jié)構(gòu)體系造成影響，對(duì)單元結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)整體兼顧。單元結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)主要方法是對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行重新組建，組建的單元結(jié)構(gòu)要具有一定的位移能力和變形能力，單元結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立但又構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一整體結(jié)構(gòu)體系。單元結(jié)構(gòu)可以具有大的變形空間，單元結(jié)構(gòu)之間是相互獨(dú)立的，但是整體的結(jié)構(gòu)體系是穩(wěn)定的。

在錨拉構(gòu)件上安裝自適應(yīng)自保護(hù)塑性變形發(fā)生器，錨拉構(gòu)件在支護(hù)力保持不變的條件下，保證具有持續(xù)的變形能力，這樣就可以實(shí)現(xiàn)單元結(jié)構(gòu)體系自保護(hù)的目標(biāo)。錨固體有限元結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)原則，錨拉構(gòu)件的張力和設(shè)計(jì)圖上的受力狀態(tài)保持一致，保證錨拉構(gòu)件具有自我保護(hù)和自適應(yīng)能力，不要因?yàn)槌d而發(fā)生破壞的現(xiàn)象。自適應(yīng)有限元理論是基于錨拉構(gòu)件的塑性變形原理的，錨固有限元結(jié)構(gòu)體系可以對(duì)分布不均的應(yīng)力自行調(diào)整，這樣實(shí)現(xiàn)單元結(jié)構(gòu)體系的受力平衡。單元結(jié)構(gòu)體系的自適應(yīng)自保護(hù)的過(guò)程要盡可能的使用錨拉有限元結(jié)構(gòu)的拉力，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的安全性。巖土工程由于局部作用發(fā)生超載的情況，會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響，但是對(duì)自適應(yīng)錨位技術(shù)的有限元結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)不會(huì)造成任何的影響，因?yàn)樽赃m應(yīng)自保護(hù)單元結(jié)構(gòu)可以通過(guò)塑性變形原理方式把荷載傳遞給其它的單元結(jié)構(gòu)，這樣受力就減小了，保證了結(jié)構(gòu)體系的安全。

4 總結(jié)

巖土工程自適應(yīng)錨位技術(shù)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法，在巖土錨固結(jié)構(gòu)體系中得到很好的應(yīng)用。自適應(yīng)錨位技術(shù)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的內(nèi)力平衡，通過(guò)變形作用進(jìn)行內(nèi)力的重新分布，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)理論為基礎(chǔ)的，結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力變形的自適應(yīng)，保證巖土工程施工過(guò)程的安全性。