1 引言
數值模擬廣泛應用在地質、土建、交通、采礦、水利等行業的咨詢設計和科學研究中。
工作至今,作者一直在設計生產單位從事地質工程的設計咨詢工作,完成和審查過多個工程項目的數值分析,包括邊坡、錨碇、地下廠房和箱樁基礎,也定期研讀公開發表的科技論文,發現隨著各種數值模擬軟件新版本的不斷推出,其建模和分析功能日益強大,解決了大量工程問題。
但實際工作中發現由于存在人為或客觀因素,致使數值分析結果和工程需求有一定的差距。以下主要分析邊坡和地下工程咨詢審查中遇到的問題。
2 現狀及存在的問題
2.1過度精細化,“大而全”,重點反而不突出
精細化的三維仿真模型,在邊界條件可控、重點研究區域明確時,不僅能清晰的反映出地質體和構筑物之間的空間關系,還可提高數值模擬結果的可靠性。但當研究對象無顯著地質缺陷體時,過度精細化模型是沒有必要的。如水電深埋地下廠房,數值分析評價的重點是地下廠房高邊墻、底板、大跨度洞頂的穩定和變形。規模較小的施工支洞、交通洞和尾水洞等非安全評價重點,建模時,可以簡化或者直接優化掉不建。
項目A:水電站進水口邊坡的三維數值分析。由于模型建的太大,超過了分水嶺,以至于顯示不出來進水口邊坡位置,需要局部放大。需要說明的是,分水嶺周圍無可影響計算結果的地質構造帶。
文獻[1]探討了“分割論”和“整體論”在地質災害防治研究的應用,分割論的方法就是對研究對象進行分析和分解,化復雜為簡單,其工作工程就是將復雜問題盡量分解成為多個相對簡單的問題,分開解決。將一個復雜過程“切割”為片段和部分,斷開其之間的鏈條,有利于考察其結果和功能,給整體一個微觀和細致的解釋。
文獻[1]觀點也可借鑒用于數值分析,邊界條件可控時,將較為復雜的模型根據工程需求分解成幾個獨立的模型;慎去建“大而全”復雜模型。減少建模的難度,提高分析計算之效率,使之針對性更強。
以目前從事的抽水蓄能發電工程為例,地下廠房洞室群構筑物多,主副廠房洞尺寸一般在300×50×25m(長×高×寬),埋深多達500米,主廠房高邊墻和拱頂變形破壞是分析研究的重點。建模難度大,具體分析時,也可以嘗試將主廠房從地下硐室群“分割”出來,只建一個精細化的“獨立”主廠房模型,盡可能接近地質鉆孔和探洞資料,精細化地層及軟弱結構面,這樣在調整優化支護結構體系時,后處理相當便捷。
如在建的重慶蟠龍抽水蓄能電站,主副廠房埋深500多米,位于砂巖和泥巖互層地區,泥巖軟弱,強度低,層面產狀近水平,分層厚度在十幾到幾百厘米之間。設計方案是借用廠房區以外的地質勘探平洞作為加固洞,通過錨索等手段控制頂拱和邊墻變形。將“錨固洞-主廠房-錨索”模型從整個地下洞室群“分離”出來,只建一個相對“小”的模型,可能更有利于建模、參數調整和后處理。
又如項目B:“某懸索橋錨碇巖土數值分析”,初步設計階段筆者曾用FLAC3D建包括鋼筋混凝土錨碇和巖土體的三維模型。計算時,先將懸索橋的主纜力分解,施加在錨碇后錨室,根據變形協調,再分析基底巖土體的變形和應力。
由于懸索橋的錨碇體是不規則的鋼筋混凝土體,前期建?;ㄙM的精力約占整個工作量60%,最終的計算效果也不甚理想。施工圖設計階段,建議業主將其委托具有類似豐富經驗的科研單位,專題承擔人通過和設計院結構工程師溝通,獲得了錨碇基地附加應力值和分布范圍,然后將“鋼筋混凝土錨碇體”和“巖土體”分離,這樣一來,只建了一個簡潔、邊界條件清晰的巖土體模型,附加應力直接施加在基底巖土體上。所建的模型幾何尺寸小、計算邊界條件可控,結果可靠,委托方也滿意。
2.2 塑形區范圍不合實際
以咨詢過的項目C:“某邊坡穩定性分析報告”為例,存在塑性區的范圍太廣、不準確室。遠離邊坡臨空面處,也出現了塑性區,和一般認知有差別。計算過程、荷載施加方式及單元劃分等引起的塑形區,和真正意義的塑性區有一定的差別,后處理時要加以甄別。
塑性區分布范圍過大、分布位置不合理這一現象,在公開發表的科技文獻中也常見。如隧道等地下工程,從一些公開發表文獻的插圖來看,塑形區范圍往往也過大,計算軟件是如何定義塑形區?塑形區代表的工程意義是什么?論文往往也缺少說明和論述。
2.3 地質調查和宏觀判斷有待加強
以咨詢過的項目D:“某橋位邊坡穩定性分析”為例,由某研究所完成,模型接近20萬單元,模型幾何形態和地形地貌吻合較好,采用“強度折減法”得出穩定系數0.9,但現場考察發現邊坡上的水田和果林無變形跡象,坡體穩定,數值計算結果和實際情況相背離。
可見,進行必要的地質調查和宏觀判斷,方可進行下一步的建模、分析、歸納、評價和預測等工作;否則,即使費時費力進行仿真分析,其成果意義可能不大。
2.4 其他
熱衷于研究巖土體的本構關系,而較少研究取樣精度、原位測試和土工試驗精度等。
3 結論
(1)幾何、力學邊界條件清晰可控時,建議優化模型的尺寸:能平面問題解決的,可不考慮三維模型;能分割成小模型解決問題的,可不考慮建復雜的大模型;能單面山谷解決問題,可以不考慮建對稱山谷模型。
選用較為貼合實際的本構關系,盡可能和國內巖土工程測試水平相匹配。
(2)加強和委托方地質、結構和施工等相關專業工程師的技術溝通,理解設計和施工意圖,提高數值分析成果的可利用性。
(3)只有在詳細的地質調查、分析、概化評價、預測等宏觀判斷前提下,了解工程意圖,數值模擬才有實際意義。
(4)熟悉行業規范和相關專業知識,有助于控制模擬成果在可信或可接受的區間之內。通過合理的簡化,通過公式或規范推薦的方法,預估數值分析能達到的效果,做到有的放矢。
參考文獻:
[1]劉傳正,地質災害防治研究的認識論和方法論[J],工程地質學報,2015,23(5)809-820
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