但稍加分析后可知,其方法的基础均离不开建立工程问题模型,它是一切工作的关键所在。那么,如何建立模型? 什么样的模型才是真正能代表工程问题特性的模型呢? 这些问题正是目前正在研究与探索的,陆续有一些这方面的成果出现,其中仍有许多基础性问题,甚至在方法论层次上的问题还没有解决,还远未达到广泛应用的程度。 o}R|tOe
3 对围岩稳定分析存在的问题及方法的思考 gT7I9 (x!W
随着计算机技术与岩土本构关系研究的进展, 支护系统的数值计算法有了新的发展。用弹塑性力学理论分析围岩和支护结构的有限元程序迅速普及;边界元及边界元与有限元耦合法在隧道工程中的应用也有不少成果; 用于裂隙岩体的块体理论和离散元理论也编出了相应的程序。计算技术与数学方法的介入,使我们有可能对地下工程的一些问题进行分析与研究。但是研究的方向、途径、策略手段、工具及其操作程序的选择系统是否正确则需要我们不断探讨。 R7t
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围岩的工程特性是什么? 如何描述? 它与人工支护体的相互作用特征怎样? 这些基础问题至今仍然困扰着我们,未得到解决。诚然,计算技术与数学方法为我们提供了广阔的应用空间,其成熟程度远远大于地下工程基础理论的成熟程度,这种极大的反差本身就启示着我们研究工作的重点,这是我们不可回避的事实。因此,我认为作为以应用技术为主的工程技术人员,在处理工程技术问题中,应调整好研究问题的重心,不必在繁琐的计算问题上纠缠不休,而忽视了简单而有效的方法。在地下工程稳定问题的分析中,如果不把岩体的地质特征搞清楚, 那么任何精确的计算等于无用。 ]Hj`2\KD.d
围岩稳定性分析中存在基础理论不成熟、失稳判据难以确定、思维方式禁锢等问题。现分析如下: hGKdGu`0
3 . 1 数值分析模型缺少基础理论支持稳定分析的意义在于预测未来。目前在施工阶段围岩稳定性预测中广泛采用的是二元(时间与位移,或时间与应力) 原型预测的方法,监测数据通过统计分析建立回归模型,根据回归模型进行稳定性预测。即采样、回归模型参数的统计推断、未来趋势预测的方法。对这种模式的进一步分析可以看出: 这种方法的基本思路是建立在随机事件的概率统计基础上,而普遍采用的模型是一维(二维),呈正态分布的概率模型,这样的简化也许是预测问题所不能接受的。主要表现在以下几方面: \]GGVI;u
(1) 回归统计的概率模型过于简单: 施工信息反馈中监控量测数据的处理方式通常是采用回归统计的方法。这种根据变形发展趋势预测围岩(支护结构) 稳定性的方法中隐含了简单整数维,呈正态分布(其参数随时间而变) 的概率模型。这是以时间可逆性为前提的简单维的建模过程,它没有反映序的概念,这与地质体的不可逆时间序列是不吻合的,近似过程过于简单。每组量测数据是统计分析的一个样本,而这些样本的取样条件(如时间、空间、工程环境、施工方法等) 是不相同的,将这种不同采用不恰当的方法(等同视之) 处理,用确定性的回归参数进行处理,这种取样策略及处理方法本身就隐藏着概率模型参数推断上的误差甚至错误。 #ZwY?T
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(2) 位移反分析力学模型的假设缺少理论支持: 位移反分析是用某种固定的变形模式去推断岩体力学参数的方法。它按照一定的规则,逐次改变侧压力系数及等效弹模E 的值,从而使断面特征点— 收敛(位移) 点的分析值相应改变,使其接近实测值, 在一定的计算精度下确定出反分析结果,即围岩的视在力学参数。这是一种通过实测位移值进行试凑修正的过程。其力学模型是基于固体力学理论建立的(如弹性模型、弹-塑性模型、粘-弹-塑性模型等),它首先假设了围岩的变形规律。而这一规律的研究还处于尚未成功的时期,岩体的本构关系、喷锚支护的机理、开挖系统的控制理论等问题均未得到解决。在这样的条件下而无视工程地质、施工条件的复杂多变及其难以准确描述的现实,纠缠于繁杂的计算及精确性的追求中,无异于取小弃大,事倍而功半。 KqY>4tb
(3) 模型试验尚难以实现时空模拟:地下工程围岩稳定性问题的研究始终与模型试验相伴随,模型与实际工程问题的相似性是模型试验解决问题的关键。从模型材料及其结构构造到模拟尺度、开挖步序、施工工艺等无不包含着诸多难以解决的问题。如:今年4 月通过国家鉴定的“溪洛渡水电站厂房洞室群的高仿真度三维模型试验研究成果〔1〕虽然在模型材料、模拟尺度、加载与控制系统、高精度开挖及位移(变形) 监测系统等方面集中体现了国际上领先技术,为工程实施提供了参考,但仍然存在在时间模拟尺度上的缺憾,而时间的模拟远较其他几项模拟内容难度更大。然而,地下工程围岩稳定性分析的一个很重要的内容即是与时间有关的岩体特性的分布与变化。 %>NRna
另外,模拟参数越多,模拟理论越精细,模拟试验的复杂程度就越高,实现难度也越大。加之大尺度模拟试验耗资巨大,难以大量进行。这导致模型试验只能作为重大工程决策参考的依据之一。 bl9E&B/
(4) 围岩承载特征曲线的测量难以实现:特征曲线法也称收敛-约束法,其基本原理是利用岩体特征曲线和支护结构特征曲线交会的办法来决定支护体系的最佳平衡条件。这种方法的关键是合理确定这两条曲线的基本性质及其相互作用时的变化,如围岩变形的特征曲线难以实测。这种方法在概念上是明确的,但实践起来则涉及了诸多的问题,有的甚至是目前还难以解决的问题。这些问题仍然来自于地下工程围岩稳定分析的诸多影响因素及其复杂性。 GD/nR4$
综上所述,岩体力学基础理论的不成熟成为地下工程围岩稳定分析方法目前还难以摆脱经验与工程类比方法的主要原因。 sp,(&Y]US
3. 2 失稳判据难以确定多年来,对地下工程围岩稳定性问题,失稳判据的确定始终没有得到很好地解决。现行的规范TB10003 -2001 中,围岩稳定性是以极限净空相对位移值或允许收敛速率的形式给出的〔2〕,当实测的位移值超出此值时即视为不稳定。这些作为判定标准的“极限位移是在“新奥法施工中监控量测的实践基础上经分析得出的经验值,工况条件的差异、量测误差等必然使其带有显著的定性使用的特点,在实际使用中有悖上述标准的现象也时常出现:有的软弱围岩当变形值超出规范允许值数倍仍未发生失稳;(尤其是) 在浅埋隧道中,有的变形尚未达到允许值却发生了坍塌。此外,由于统计分析的原因,用于稳定性分析的有效量测数据滞后,使不稳定地层的稳定性分析难以真正服务于实施量测的工程。查阅国内外有关围岩稳定性判据的规范,大多数标准均是以定性的方式给出的,部分定量指标通常根据经验和统计资料得出。这一状况表明,在实际应用中,设定标准管理基准值时难以用数值方式表示。 3DHvaq q7
3. 3 思维方式的禁锢在岩石力学界对“新奥法的理论意义和实用价值一直存在着两种不同的认识。一种倾向于肯定, 即强调隧道工程的实际可能和需要;一种倾向于否定,坚持力学概念的清晰性与数学求解的严密性,认为“新奥法缺乏明确的理论支持〔3〕。从十余年的实践中,据围岩变形量测的可靠资料进行位移反分析的隧道工程所占的比例仍然很小,这一技术的应用受到了极大的挑战。数值分析专家主张在岩石力学数值分析方面需要发展,但绝不能离开力学原理与方法;而隧道工程师们则认为数值计算的理论假设与实际岩体相差很大,对围岩稳定性影响很大的施工条件在计算中难以反映,进行大量原位测试以取得计算所需参数条件难以满足,计算误差的范围、可信度无把握。希望能研制出适合隧道工程具体条件的、能够普及应用的、误差有明确范围的围岩稳定分析的方法和程序。多年来, 单纯强调实验和定量表述的岩石力学常规分析方法在隧道工程中未能得到普及应用,这似乎应从科学方法论的高度来审视这个问题。 C9+Dw#-fV
现在的岩石力学正在从确定性研究转向非确定性方法研究的过程中。