检验岩土参数合理性的一种数值方法

检验岩土参数合理性的一种数值方法检验岩土参数合理性的一种数值方法
童庆，李焕强
（浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州 310006）
要：在应力应变的数值分析中，因计算需要的参数较多，通过试验结果、经验参数和反分析摘要：
综合得到的参数不一定完全合理。

在分析初步计算结果的基础上，依据稳定的岩土体在原始的自然条件下处于非屈服状态这一基本特征，可以排除某些岩土参数的不合理取值范围，进而在工程设计状态下得到较合理的分析结果。

这一数值检验过程对分析结果合理性具有重要意义。

关键词：数值分析；参数；数值检验；合理性；屈服状态
岩土工程数值分析中参数的取值对分析的结果有重要的影响。

由于岩土参数的不确定性显著,许多研究对岩土参数的变异性进行了分析[1-3]。

但是岩土工程师要从有限的数据作出正确的选择是一项不简单的工作。

在设计和研究工作中，我们发现有时在分析数值计算结果时发现一些不尽合理的特征。

如何利用这些不尽合理的特征检验参数，并将其调整到较合理的范围内，从而得到较合理的数值分析结果，对岩土工程的数值分析具有重要的意义。

1 数值分析中参数的确定和数值检验
1.1 参数确定
目前参数的确定主要根据勘察试验结果、经验数据资料和反分析结果确定。

通过经验数据确定岩土参数，就是以往类似地质条件下岩土参数数据做参考，结合经验判断确定参数。

由于岩土参数的变化具有很强的地域特征，岩土参数值具有显著的不确定性，经过主观判断之后确定的参数存在较大的不确定性。

1.2 参数数值检验
在应力应变的有限元分析过程中，因岩土参数较多，应力应变参数的反分析结果具有多解性，需要采用经验数值。

而这些参数值是否合适，目前没有明确的检验方法。

在设计和研究工作中发现，可以利用岩土体重要的状态来检验某些参数，并将其调整在不合理的范围之外。

公路工程中分析路基填筑的影响包括了岩土体的原始状态的分析，即原始（自然）地形情况下应力应变的分析，和工程状态的分析，即路基填筑后的应力应变的分析。

当岩土体的原始状态是自然条件下平坦稳定的土质地层时，其经历长时间的自然条件的各种作用后必然处于一种稳定状态。

这时土体在原始地形条件下不应该处于屈服状态。

因为处于屈服状态的土体在外界微弱的干扰作用下，就会产生较大的变形，这与岩土体的原始状态不符。

利用“土体在原始地形条件下不应该处于屈服状态”这一特性，可以进行岩土参数的数值检验。

当有限元数值分析结果发现在原始地形条件下，土体处于屈服或部分处于屈服的状态，则可以认为土体的参数取值不合理，应进行调整。

调整得到的参数取值可以用于工程状态的分析，可以得到较为合理的分析结果。

这一过程就是参数的数值检验。

2 数值检验的分析实例
2.1 实例概况
在某高速公路互通的运营阶段，大面积堆土弃置在互通的匝道内，匝道范围内堆土最大高度约为5m左右，堆土坡脚最近处位于桥梁桩基处。

根据勘察资料，互通施区地质概况，表部为杂填土层厚约3m；其下为流塑～可塑状淤泥质粘土，总厚度约29m，下伏为砂砾岩。

互通区内新近堆土，表观质量较差，多为淤泥质土。

需要分析互通区范围内新近堆土对桥梁桩基的影响，为堆土的处置提供参考和依据。

2.2 建立模型初步计算
根据互通区的地质条件和桥梁的设计资料，建立计算模型（见图1）。

计算采用SⅠGNMA/W进行二维平面应变有限元分析。

分析包括两个工况：
（1）堆土前的初始条件分析，即堆土之前原始条件下的地应力分布情况。

（2）堆土之后桥梁附近土体的应力应变情况和桥梁的变形及内力情况分析。

计算模型中土体采用Mohr Coulomb屈服准则，各地层计算参数根据该处原有的勘察资料及经验数据确定。

桥梁桩基和桥墩采用弹性梁单元模拟。

图1 计算模型（局部图）
按照初定参数进行计算，得到在填土作用下桩身水平位移图（见图2）。

2.3 检验参数
分析采用初定参数，在原始状态下分析结果发现，部分土层处于屈服状态（见图3，黄色范围），说明参数取值不尽合理。

可调整参数有内聚力、内摩擦角、杨氏模量和泊松比。

因土体的内聚力和内摩擦角有试验数据，杨氏模量也有较多的经验数据，相对来说，泊松比为此次检验的调整参数。

将屈服土层泊松比略微调大，直到在原始状态下，没有地层处于屈服状态为止（见表1），从而排除了泊松比的不合理的岩土参数取值。

为工程状态下的应力应变分析提供较可靠的参数基础。

图2 填土作用下桩身水平位移图
图3 采用初定参数原始状态下土体屈服范围
表1 各土层泊松比
编号地层泊松比//初定调整后1杂填土 0.35 0.35 2淤泥 0.40 0.43 3-1 粉质粘土 0.33 0.33 3-2 粉质粘土 0.35 0.38 3-3 淤泥质粉质粘土 0.43 0.43 4-1 粉质粘土 0.33 0.33 4-2 粉质粘土 0.35 0.38 5粉质粘土 0.35 0.35
2.4 校验参数后分析结果
采用调整后参数的分析结果（见图4）显示桩体和周围土体的变形比初始分析结果要小。

计算结果显示堆土作用使桥梁桩基产生的水平位移最大值约为21mm。

2.5 校验调整参数的合理性分析
对比分析结果可以发现，参数检验调整前后，计算分析结果存在明显的差别。

首先，在原始条件下土体处于非屈服状态，从土体状态的角度来看比参数调整前合理。

图4 填土作用下桩身水平位移图
其次分析岩土体变形差别的合理性。

在泊松比较小的情况下，有限元分析结果显示岩土体的变形较大。

而在泊松比较大的情况下，有限元分析结果显示岩土体的变形较小。

一般认为，岩土参数泊松比较大，表明岩土体的性质较好；反之，则表明岩土体的性质较差。

调整后泊松相对较大，说明土层性质相对变差，但是岩土体的变形却相对较小，这与一般的概念不同。

为进一步探究原因，取桥梁附近MP1点（节点4238，见图3）的详细数据进行分析。

从MP1点应力Mohr圆来看，初定参数状态下，最大应力为75.12kPa，最小主应力为50.24kPa。

在经过数值检验调整参数情况下，最大应力为75.17kPa，最小主应力为56.87kPa。

从主应力大小情况可以看出，前者的偏应力要大于后者，而前者已经处于屈服状态，这一初始条件是不合理的。

在新堆土的作用下，其产生的变形是在部分土体在屈服的状态下进一步的塑性变形。

因此在前者状态下，堆土引起桥梁桩基的变形要大于后者。

而后者调整参数后，初始条件不在屈服状态，其数值分析得到的土体变形结果较小是较合理的。

3 结论
通过实例分析说明，通过试验结果、经验参数和反分析综合得到的参数不一定完全合理。

在分析初步计算结果的基础上，依据稳定的岩土体在原始的自然条件下处于非屈服状态这一基本特征，可以排除某些岩土参数的不合理取值范围，进而在工程设计状态下得到较合理的分析结果。

这一数值检验过程对分析结果合理性具有重要意义。

但是这种数值检验存在局限性，即数值检验仅能够在某些特定的情况下排除特定的不合理的参数取值。

数值检验还应该继续研究发展，根据更多的基本状态特征和条件检验参数及分析结果的合理性。

参考文献：
[1]李胡生,岩土参数随机-模糊统计中的隶属函数形式[J].同济大学学报(自然科学版),1993,(3):361-369.
[2]刘春原,阎澍旺,岩土参数随机场特性及线性预测[J].岩土工程学报,2002,(5):588-591.
[3]徐卫亚,蒋中明,岩土样本力学参数的模糊统计特征研究[J].岩土力学,2004,(3):342-346.
中图分类号：O241
文献标志码：A
文章编号：2096-2789（2017）01-0014-02。