岩土工程反分析方法研究现状与若干问题探讨

第4卷第3期2006年9月

水利与建筑工程学报

Journal of Water Resources and Architectural Engineering

Vol.4No.3Sept.,2006

收稿日期:2006202228 修稿日期:2006203223

作者简介:陈方方(1980—

),女(汉),河南济源人,助教,硕士,现主要从事岩体力学及岩土工程数值仿真分析等方面的研究工作。岩土工程反分析方法研究现状与若干问题探讨

陈方方1,李　宁2,张志强2,严　乐3

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054;2.西安理工大学岩土工程研究所,陕西西安710048;

3.北京国电华北电力工程有限公司,北京)

摘　要:详细回顾了岩土工程反分析方法的发展历史,介绍了研究现状与进展,在此基础上对当前反分析方法存在的问题进行了剖析与探讨,并进一步提出了解决问题的思路。关键词:岩土工程;反分析方法;施工过程模拟;解的适定性;方法的实用性中图分类号:TU4 文献标识码:A

文章编号:1672—1144(2006)03—0054—05

Actualities and Problems of B ack Analysis Method in G eotechnical Engineering

CHEN Fang 2fang 1,L I Ning 2,ZHAN G Zhi 2qiang 2,YAN Le 3

(1.Xi ’an U niversity of Science and Technology ,Xi ’an ,S haanxi 710054,China ;2.Xi ’an U niversity of Technology ,Xi ’an ,S haanxi 710048,China ;3.North China Elect ric Power Engineering Co.L td.of Beijing Guodian ,Beijing ,China )

Abstract :The history and actualities of the back analysis method are reviewed and introduced.On the basis of it ,the problems existing are pointed out ,and then ,the way that can solute these problems is proposed.K eyw ords :geotechnical engineering;back analysis method;simulation of construction process;suitability of

solution ;practicability of method

0　引　言

岩土工程中,所谓反分析法,即以现场量测到

的、反映系统力学行为的某些物理信息量(如位移、应变、应力或荷载等)为基础,通过反演模型(系统的物理性质模型及其数学描述,如应力与应变关系式等)推算得到该系统的各项或某些初始参数(如初始地应力、本构模型参数和几何参数等)的方法。其目的是建立接近现场实测结果的理论预测模型,能较正确地反映或预测岩土结构的某些力学行为[1]。

岩土工程中反分析问题的出现是同生产实践的需求密切相关的。数值分析方法在岩土工程领域中的广泛使用、其计算参数的不易确定性、新奥法施工技术的应用及其对量测位移的重视是其产生的三大背景条件。

从上个世纪70年代初至今,经过30多年的发展,反分析的计算分析模型由线性发展到非线性;目标未知数也由单纯的计算参数发展到岩土体的本构模型;材料由均质发展到非均质;在确定性反分析的基础上发展了非确定性反分析、智能反分析等等。

成绩是巨大的,但我们在埋头苦干、一味向前赶路的

同时,亦很有必要回顾一下以往所走过的路,这样既可“温故而知新”、继而查错,又能使人时时看到我们出发时的本意,才不至于偏离了原本方向、走了弯路。

基于此,本文在总结国、内外众多学者研究的基础上,详细回顾与介绍了岩土工程位移反分析方法的研究历史与现状,指出了其中存在的问题,并尝试提出解决问题的思路。

1　反分析的发展历史及现状

20世纪70年代初人们开始注意由现场量测信

息确定各类计算参数的研究,即开始反分析问题的研究。至今,经过30多年国内、外众多学者的不懈努力,反分析理论得到了长足的发展及应用,大致经历了以下三个发展阶段。

(1)70年代初至80年代初期,为反分析发展的初期阶段,此阶段主要进行反分析理论的研究以及计算方法的建立,研究较多的是线性问题的逆反分析法,并开始在水电工程中应用。Kavanagh 和

Clough(1972)发表反演弹性固体的弹性模量的有限元法,1976年约翰尼斯堡(Johannesburg)的岩土工程勘测研讨会上K irsten(1976)提出了量测变形分析法;随后G.Maier(1977)提出了岩石力学中的模型辨识问题;K ovari(1977)则提出了反算地层压力参数的方法;1980年G ioda采用单纯形等优化方法求解岩体的弹性及弹塑性力学参数,并讨论了不同优化方法在岩土工程反分析中的适用性;1981年G ioda等人利用实测位移反算作用在柔性挡土结构上的土压力;1981年中国科学院地质研究所杨志法等提出了另一种位移反分析方法———图谱法,利用事先建立的图谱反演围岩地应力分量及弹性模量[2,3];1983年Arai采用二次梯度法求解弹性模量和泊松比;而Sakurai(1979,1983)提出了反算隧道围岩地应力及岩体弹性模量的逆解法[4,5]。

(2)80年代初期至90年代初,为反分析的发展阶段。出现了采用不同本构关系、计算方法的各种反分析法,且考虑现场实测条件、注重反分析法的实际应用成为这一阶段的重要特征,这也是我国大规模工程建设对理论技术发展的要求。

同济大学冯紫良、杨林德(1983,1985)将地应力分为均布构造应力和自重应力,进行线性和非线性位移反分析,反算岩体的初始应力场[6,7];王芝银(1985)利用少量实测位移由拉格朗日插值法反算粘弹性地层初始地应力[8];郑颖人(1986～1987)在应力空间及应变空间中用边界元法进行弹塑性位移反分析,根据围岩位移反算初始地应力和弹性模量,可用于解决二维和三维问题[9,10];对于浅埋地下巷道或隧道,围岩的初始地应力不再是均匀分布,不少文献对初始地应力或边界分布荷载的线性或函数分布形式进行了反演分析的研究,王芝银等[11]把这些成果应用于粘弹性及弹塑性反分析中。

在初始地应力的分布更加符合现场实际条件的同时,不少反分析法开始注重现场实测条件。在考虑时间相关性、空间效应、消除量测前丢失位移的影响等方面,文献[12～14]针对五种常用流变模型(Maxwell,K elvin,Poyting2Thomson,广义K elvin 及Burbgers模型)进行了有限元和边界元法位移反分析的系统研究,提出了逆解回归法和逆解优化法;朱维申(1989)则考虑时空效应对三个地下巷道或隧道进行了反演分析[15];王芝银(1987～1988)利用空间效应及围岩与支护相互作用的增量位移直接反算支护荷载和初始地应力[16],虽然避开了许多未知因素的影响,但在反算地应力时需要已知较可靠的空间效应影响系数。

弹塑性问题的反分析研究多采用了优化技术,如黄金分割法,单纯形法,变量替换法,Powell法和Rosenbrok法等,而围岩粘弹塑性位移反分析,则采用了逆解法与优化法相耦合的方法;1992年,孙钧、黄伟提出了弹塑性反分析的一种全面优化方法,实践上得到了非线性逆问题的唯一解[17];和再良(1988)分别用线弹性、粘弹性和弹塑性本构模型及有限元法进行了天生桥试验洞测试数据的反演计算;薛琳(1989)运用开尔文模型,进行了圆形洞条件下粘弹性岩体的反分析;张玉军(1990)针对当前围岩流变参数反分析中的若干不足进行了修正并给出了三元件和开尔文模型流变参数的确定方法。

在平面位移反分析的发展过程中,三维反分析同样受到人们的重视,有考虑隧道衬砌所进行的三维弹性反分析,有弹性、粘弹性地层初始地应力及力学参数反演计算的有限元法和边界元法,也有空间轴对称蠕变位移反分析的研究。非均质岩体(多介质材料)的反演分析也有不少研究报道。考虑量测位移及参数先验信息的随机性和不确定性,Baye’s 法、最大似然法等数学方法也被用于反演岩体的力学特性参数。

既然反分析法是产生于工程建设发展的需求,故在其基本理论取得显著进展的同时,位移反分析法在许多岩体工程中亦得到了成功应用。如前面提到的文献[15]对军都山隧道工程、宜昌洒厂地下洒库、二滩电站试验洞的测试数据进行了反分析计算;文献[18]对鲁布革水电站原位试验洞的位移进行了反分析,应用数理统计原理,通过有限元数学模型的回归分析计算,求解岩体的初始应力场和位移场;文献[19]利用大坝观测资料反算坝体的渗透系数;文献[20]用反分析法确定地基土的土性参数;文献[21]进行求解引水隧道围岩地应力和部分力学参数的反演。另外,吕爱钟(1988)利用参数可辨识条件探讨了围岩参数和地应力的可辨识性问题,并在此基础上证明了参数可唯一辨识的最多个数及分析了量测点布置对可辨识性的影响;吴凯华应用灰色系统理论,通过灰色动态模型或灰色预测模型预测未来的位移,并由所测到的位移进行位移反分析后,再利用正分析对围岩或支护的安全度作出超前预测。

然而,反分析并非仅仅是对工程范围内的岩体初始地应力和力学特性参数作出估计,更重要的是利用反分析结果对工程的可靠度作出合理的评价和符合实际的预测,在S.Sakurai于1988年提出一种

55

第3期 陈方方,等:岩土工程反分析方法研究现状与若干问题探讨