孫長寧 蘇立君 朱秦 李丞

摘要：注漿錨桿極限抗拔力一般通過現(xiàn)場試驗進行測定，但在錨固工程數(shù)值模擬分析過程中，所需的錨固參數(shù)（如注漿體的黏結(jié)強度和摩擦角）很難直接確定。提出了一種基于支持向量機的注漿錨桿錨固參數(shù)反分析方法，即利用錨桿極限抗拔力反分析錨固參數(shù)。選取錨桿極限抗拔力作為實測目標(biāo)，結(jié)合均勻試驗和支持向量機建立錨固參數(shù)與實測目標(biāo)之間的映射關(guān)系，通過蒙特卡洛法枚舉大量錨固參數(shù)樣本，利用上述已建立的映射關(guān)系計算枚舉的錨固參數(shù)樣本，得到對應(yīng)目標(biāo)的計算值。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)目標(biāo)實測值篩分得到符合條件的目標(biāo)計算值對應(yīng)的錨固參數(shù)，并通過關(guān)于注漿錨桿的模型案例說明了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：注漿錨桿;錨固參數(shù);支持向量機;反分析：極限抗拔力

中圖分類號：U456.3

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn. 1000- 13 79.2019.01. 032

目前，注漿錨桿被廣泛應(yīng)用于邊坡、隧道工程中，其最重要的參數(shù)為極限抗拔力，一般通過現(xiàn)場試驗確定。許多學(xué)者對注漿錨桿的極限抗拔力進行了理論研究。Li等[1]根據(jù)錨桿拉拔試驗，提出了拉拔荷載作用下注漿錨桿的力學(xué)分析模型：Cai等[2]考慮到錨桿與巖體變形協(xié)調(diào)，建立了注漿巖石錨桿的軸力預(yù)測理論模型，Shahin等[3]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測了錨桿的極限抗拔承載力：魏新江等[4]考慮錨桿注漿體界面強度和注漿體巖土體界面強度對全長黏結(jié)式錨桿抗拔力的影響，以及漿體與巖土界面的塑性區(qū)發(fā)展，推導(dǎo)得出了全長黏結(jié)式錨桿的抗拔力計算公式：鄧宗偉等[5]基于統(tǒng)一強度理論和極限平衡原理，結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索破裂面的形狀，推導(dǎo)出了預(yù)應(yīng)力錨索極限抗拔承載力的計算公式：賀建清等[6]基于改進的Mohr - Coulomb強度準(zhǔn)則，從塑性力學(xué)極限分析上限定理出發(fā)，利用虛功原理推導(dǎo)得出了巖石錨桿極限抗拔承載力的計算公式。然而，在注漿錨桿錨固工程數(shù)值分析中，需要提前確定相關(guān)錨固參數(shù)（如單位長度上注漿體的剛度、黏結(jié)強度和摩擦角等），而不是極限抗拔力[7]，但關(guān)于注漿錨桿錨固參數(shù)的研究相對較少。John等8]給出了一些關(guān)于上述注漿錨桿錨固參數(shù)的經(jīng)驗公式，但沒有給出注漿體摩擦角的近似公式：Li等[9]基于注漿錨桿的極限抗拔力，利用二分法對注漿巖石錨桿的錨固參數(shù)進行了反分析，但該方法需要事先確定參數(shù)初值，其對錨固參數(shù)最終分析結(jié)果影響較大。

針對上述問題，本文提出了一種基于支持向量機的注漿錨桿錨固參數(shù)反分析方法，即利用錨桿極限抗拔力反分析錨固參數(shù)。選取錨桿極限抗拔力作為實測目標(biāo)，結(jié)合均勻試驗和支持向量機建立錨固參數(shù)與實測目標(biāo)之間的映射關(guān)系，通過蒙特卡洛法枚舉大量錨固參數(shù)樣本，利用上述映射關(guān)系計算錨固參數(shù)樣本，得到對應(yīng)實測目標(biāo)的計算值，并根據(jù)目標(biāo)實測值，篩分得到符合條件的目標(biāo)計算值對應(yīng)的錨固參數(shù)。

1 基于支持向量機的注漿錨桿錨固參數(shù)反分析

2 算例分析

為了證明本文方法的可行性，選用文獻[7]中的注漿巖石錨桿拉拔試驗案例，根據(jù)錨桿極限抗拔力，利用該方法反分析注漿錨桿的錨固參數(shù)。所選案例的FLAC3D數(shù)值模型尺寸為0.4 mx0.7 mx0.4 m.模型內(nèi)部設(shè)置0.5 m長的錨桿，其余單元為巖體，模型邊界圍壓為2 MPa。巖體與錨桿的相關(guān)參數(shù)見表1。

選擇錨桿的極限抗拔力作為實測目標(biāo)，將注漿體黏結(jié)強度（c）和摩擦角（φ）作為待定錨固參數(shù)。根據(jù)試算或現(xiàn)有資料，確定錨固參數(shù)初始范圍：c為[0，100 kPa]，φ為[0，50°]，將上述兩個參數(shù)作為隨機參數(shù)。針對上述隨機參數(shù)，將其分為14個水平，即2個參數(shù)14個水平，采用MATLAB自編程序得到均勻表U14（142），從而得到14組參數(shù)的輸入樣本。根據(jù)上述FLAC3D軟件建立的力學(xué)模型，計算輸入樣本進而得到對應(yīng)的輸出樣本（即錨桿的極限抗拔力），見表2。重復(fù)上述步驟，獲得6組檢驗樣本，見表3。

根據(jù)表2中的訓(xùn)練樣本，采用支持向量機建立注漿體黏結(jié)強度、摩擦角與錨桿極限抗拔力之間的映射關(guān)系，均方根誤差小于0.001。利用上述已建立的映射關(guān)系計算表3中檢驗樣本的6組參數(shù)，得到對應(yīng)的極限抗拔力預(yù)測值，與表3中力學(xué)模型計算得到的極限抗拔力結(jié)果進行對比，見圖2。由圖2可以看出，兩種方法得到的結(jié)果接近，因此上述基于支持向量機建立的映射關(guān)系是有效且可用的。

設(shè)注漿錨桿極限抗拔力的現(xiàn)場試驗實測值為125kN，允許容差ε=0.1 kN，則目標(biāo)實測值為[124.9，125.1]。根據(jù)待定錨固參數(shù)的初始范圍，利用蒙特卡洛法枚舉10 000組隨機樣本，采用上述已建立的映射關(guān)系計算每組隨機樣本，進而得到對應(yīng)的10 000組輸出樣本，即錨桿極限抗拔力計算值。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合目標(biāo)實測值范圍，篩分出該范圍內(nèi)的目標(biāo)計算值以及對應(yīng)的錨固參數(shù)，見表4。

由表4可知，反分析結(jié)果不是唯一解，而是兩個錨固參數(shù)的多種組合，主要原因是目標(biāo)函數(shù)為1個方程、2個未知數(shù)，從數(shù)學(xué)求解的角度看，其結(jié)果為多組解。表4反分析結(jié)果不一定是注漿體的真實錨固參數(shù)，但每一組解均滿足錨桿極限抗拔力的計算值等于現(xiàn)場實測值，因此可以替代真實錨固參數(shù)，解決數(shù)值模擬過程中錨固參數(shù)取值的問題。

根據(jù)現(xiàn)有資料和參數(shù)的物理意義可知，注漿體的錨固參數(shù)φ約為30°[9]。根據(jù)表4，當(dāng)錨固參數(shù)取c=29.36 kPa.φ=31.52°時，將其輸入到上述用FLAC3D建立的數(shù)值模型中進行分析，結(jié)果見圖3和圖4。由圖3可知，錨桿抗拔力隨錨頭處位移的增大而增大，當(dāng)錨頭處位移增大到一定程度時，錨桿抗拔力達到最大值，并且趨于平穩(wěn)，此時即為錨桿的極限抗拔力。由圖4可知，注漿錨桿距離錨頭越近，軸力越大;注漿錨桿距離錨頭越遠(yuǎn)，軸力越小。

3 結(jié)語

提出了一種基于支持向量機的注漿錨桿錨固參數(shù)反分析方法。利用該方法可以根據(jù)錨桿的極限抗拔力試驗值反分析注漿體的錨固參數(shù)，從而便于注漿錨桿加固工程數(shù)值模擬過程中錨固參數(shù)的確定。同時，通過一個簡單案例說明了該方法的可行性。通過引入支持向量機智能算法，建立樣本之間的映射關(guān)系，進而快速計算大量參數(shù)樣本，提高了參數(shù)反分析的效率。提出的參數(shù)反分析流程具有通用性。針對其他具體工程的參數(shù)反分析問題，建立相應(yīng)的力學(xué)模型，選擇合適的實測目標(biāo)（如位移）和待定參數(shù)（如土體抗剪強度指標(biāo)），也可利用上述流程進行參數(shù)反分析。

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