工程地質(zhì)信息化設(shè)計(jì)及其在交通工程中的應(yīng)用研究

楊圣華

摘 要 工程地質(zhì)信息化設(shè)計(jì)屬于工程地質(zhì)的應(yīng)用拓展，在工程設(shè)計(jì)中能夠發(fā)揮良好優(yōu)化作用。本文將主要針對(duì)工程地質(zhì)信息化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，并且以某高速公路工程舉例，對(duì)工程地質(zhì)信息化設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用深入探討，驗(yàn)證其優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞 工程地質(zhì);信息化設(shè)計(jì);交通工程;數(shù)值模擬

前言

現(xiàn)階段工程地質(zhì)學(xué)在信息化設(shè)計(jì)中已形成了豐富理論與方法體系，尤其是隨著大量大規(guī)模交通工程項(xiàng)目建設(shè)增多，工程地質(zhì)理論也得到全面深化，方法逐步更新，地質(zhì)勘查、設(shè)計(jì)、施工等一系列思想完全成型，也進(jìn)一步推動(dòng)了工程地質(zhì)信息化設(shè)計(jì)的全面發(fā)展。在過(guò)去的工程地質(zhì)工作中，其重點(diǎn)在于為工程建設(shè)提供詳細(xì)地質(zhì)資料，并不會(huì)參與到設(shè)計(jì)中去，也不會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，所以往往在復(fù)雜工程地質(zhì)條件下會(huì)出現(xiàn)地質(zhì)與設(shè)計(jì)相脫節(jié)的情況，造成工程安全事故頻出，影響工程質(zhì)量與成本[1]。而現(xiàn)代工程地質(zhì)則需要基于設(shè)計(jì)層面去開(kāi)展地質(zhì)工作，無(wú)論是前期布置還是資料收集匯總，都需要與設(shè)計(jì)相融，貫穿于設(shè)計(jì)各個(gè)階段，結(jié)合地質(zhì)詳情反饋去優(yōu)化工程設(shè)計(jì)?；诖?，本文將主要針對(duì)工程地質(zhì)信息化設(shè)計(jì)中數(shù)值模擬、巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬這兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合具體交通工程建設(shè)去分析其應(yīng)用實(shí)情。

1 工程地質(zhì)信息化設(shè)計(jì)的技術(shù)手段

（1）巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)。該技術(shù)手段主要是按照既定測(cè)量方法，以Monte-Carlor為基本原理，結(jié)合少量的巖體結(jié)構(gòu)面資料便能夠推算出巖體空間結(jié)構(gòu)面的分布特點(diǎn)，通過(guò)軟件算法能夠直接繪制出巖體空間的三維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖[2]。在網(wǎng)絡(luò)模擬輔助下，巖體的主要類(lèi)型幾何參數(shù)能夠直接獲取，為工程設(shè)計(jì)帶來(lái)重要參考。同時(shí)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)模擬的巖體結(jié)構(gòu)面線(xiàn)密度分布特征，能夠獲取到其結(jié)構(gòu)面信息，尤其是能夠在施工中不斷更新結(jié)構(gòu)面資料，從而實(shí)施更新模擬的最終結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正優(yōu)化。

（2）數(shù)值模擬技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的高速發(fā)展，大量能夠直接解決工程地質(zhì)問(wèn)題的數(shù)值模擬理論與方法得以涌現(xiàn)，該技術(shù)方法的成熟度不斷更高，也促使越來(lái)越多工程地質(zhì)地位得到妥善解決。數(shù)值模擬技術(shù)方法的透視在于能夠綜合考量各種復(fù)雜地質(zhì)條件，能將巖體工程結(jié)構(gòu)視作為整體去進(jìn)行仿真模擬，再進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)”去不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。相較于其他固體力學(xué)研究對(duì)象而言，巖體有著一定特殊性，其中有限單元法、邊界單元法、有限差分法等方法都可以用在對(duì)均質(zhì)巖體問(wèn)題方面。而數(shù)值模擬方法則能夠結(jié)合方法本身的發(fā)展，引入節(jié)理單元、強(qiáng)化非線(xiàn)性分析等手段，對(duì)不連續(xù)界面與多介質(zhì)的復(fù)雜巖體力學(xué)行為進(jìn)行分析。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升，對(duì)巖體認(rèn)識(shí)的逐步深化，單單依靠固體力學(xué)方法難以滿(mǎn)足如今的工程地質(zhì)要求，再加上工程地質(zhì)數(shù)值模擬問(wèn)題要比其他工程力學(xué)問(wèn)題復(fù)雜更多，所以急需建立更簡(jiǎn)潔的數(shù)值方法?；诖?，近年來(lái)國(guó)際上逐漸出現(xiàn)了節(jié)理單元法、塊體理論、不連續(xù)變形分析法、塊體彈簧元法等，在解決工程地質(zhì)特殊問(wèn)題方面有著不錯(cuò)效果。

2 工程地質(zhì)信息化設(shè)計(jì)在交通工程中的應(yīng)用

對(duì)于工程地質(zhì)信息化設(shè)計(jì)在交通工程中的應(yīng)用，我們以某高速公路工程為例，公路沿線(xiàn)主要發(fā)育片巖、片麻巖，斷裂高度發(fā)育，巖體破碎程度高。

（1）設(shè)計(jì)思路。為了能夠保證設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)實(shí)情況相符，將采取勘察與設(shè)計(jì)相互滲透的思路展開(kāi)工作，改變過(guò)去設(shè)計(jì)人員完全依靠勘察單位提供的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)設(shè)計(jì)的做法。具體來(lái)講，在工程地質(zhì)勘查開(kāi)展后，需要對(duì)邊坡巖體的穩(wěn)定性展開(kāi)分析，用到Monte-Carlor模擬方法，構(gòu)建巖體邊坡幾何模型，開(kāi)展結(jié)構(gòu)面力學(xué)實(shí)驗(yàn)、巖體RMR分類(lèi)與Q分類(lèi)，獲取邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)。確定好幾何模型與相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)之后，采取Sarma法與剩余推力法對(duì)所有縱剖面展開(kāi)穩(wěn)定性驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[3]。不難看出，加固設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)在于結(jié)合實(shí)情的穩(wěn)定性分析，同時(shí)加固設(shè)計(jì)對(duì)于邊坡開(kāi)挖手段高度關(guān)注，因?yàn)殚_(kāi)挖與加固本身屬于矛盾共同體，開(kāi)挖不當(dāng)一定會(huì)影響邊坡穩(wěn)定，所以在設(shè)計(jì)中一定要明確開(kāi)挖的方法與具體爆破參數(shù)。在設(shè)計(jì)中需要提到信息化施工要求，意味著設(shè)計(jì)、開(kāi)挖、加固、信息反饋需要形成整體，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工的最優(yōu)狀態(tài)。

（2）邊坡加固設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，獲知該高速公路工程的A段、B段的邊坡并不存在整體滑移的可能性，不過(guò)因?yàn)閹r體結(jié)構(gòu)面發(fā)育且風(fēng)化嚴(yán)重，所以局部受損情況一定會(huì)有，特別是如果開(kāi)挖方式不當(dāng)，不可避免會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)的情況，這也是邊坡加固設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注的地方。該交通工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需要遵從如下原則：①結(jié)合邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)，如果開(kāi)挖邊坡整體穩(wěn)定，那么只需要處理不穩(wěn)定的局部邊坡;②優(yōu)選最佳開(kāi)挖邊坡角度，保證無(wú)論是開(kāi)挖還是加固，都能盡量縮減工程量;③設(shè)計(jì)方案要具有高度可行性，施工要更加簡(jiǎn)便;④加固與開(kāi)挖需要充分結(jié)合治水工作。按照上述原則最終確定的加固方案為：其一，結(jié)合類(lèi)比法分析，采取分層開(kāi)挖、光面爆破、錨噴網(wǎng)加固、綜合治水的一體化設(shè)計(jì)與施工方案;其二，結(jié)合剩余推力法與Sarma法的計(jì)算結(jié)果，A段邊坡角度為55°，B段邊坡角度為60°，絕大部分邊坡處在穩(wěn)定狀態(tài)，即便不加固其穩(wěn)定性系統(tǒng)也高于1.25，因此錨噴支護(hù)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)要放在由于爆破應(yīng)力波對(duì)邊坡表層形成破壞后出現(xiàn)的邊坡失穩(wěn)情況，所以需要應(yīng)用砂漿短錨桿，通過(guò)錨噴網(wǎng)支護(hù)去提高穩(wěn)定系數(shù)，提升邊坡巖體穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在復(fù)雜地質(zhì)條件下采取工程地質(zhì)信息化設(shè)計(jì)是對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的合理選擇，意味著工程地質(zhì)工作與工程設(shè)計(jì)全面滲透，按照全盤(pán)化工作體制去規(guī)劃工作流程。其中，數(shù)值模擬方法作為信息化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方式，能夠?qū)r體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體模擬，經(jīng)過(guò)反分析為工程設(shè)計(jì)提供需要的應(yīng)力及計(jì)算數(shù)據(jù)。而巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與模擬作為工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與信息化的關(guān)鍵手段，能夠?yàn)閹r體結(jié)構(gòu)面的體征帶來(lái)圖像和數(shù)據(jù)的表現(xiàn)方式。這兩項(xiàng)技術(shù)手段在交通工程建設(shè)中均能實(shí)現(xiàn)良好應(yīng)用，發(fā)揮對(duì)交通工程設(shè)計(jì)優(yōu)化的作用。

參考文獻(xiàn)

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