溫世儒，吳 霞

(1.江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引言

在我國廣西、貴州、云南等西南省份以及廣東、江西等省份的部分地區(qū)存在較為廣泛的灰?guī)r地層?；?guī)r是一類可溶解的碳酸鹽類巖石，在流水的作用下易產(chǎn)生溶解、分崩和破碎并逐漸形成溶洞(穴)、巖溶管道和破碎帶等溶蝕現(xiàn)象。水流是灰?guī)r產(chǎn)生溶蝕作用的關(guān)鍵因素，與季節(jié)性、周期性的地表徑流相比，豐富發(fā)達(dá)且持久的天然地下水動(dòng)力場(chǎng)是灰?guī)r溶蝕作用的主要貢獻(xiàn)者[1]。因此，灰?guī)r地層的地質(zhì)條件與風(fēng)化程度在時(shí)間和空間上存在顯著的變異性，地表的地質(zhì)條件往往與內(nèi)部地層之間存在較大的差異，且這種差異性隨著時(shí)間的推移將變得更加復(fù)雜多變。理論研究和工程實(shí)踐表明[2]，正是由于上述顯著的時(shí)空變異性導(dǎo)致灰?guī)r邊坡與花崗巖、大理巖、白云巖等難溶解的巖體邊坡相比，在施工擾動(dòng)、降雨沖刷等因素的影響下更易失穩(wěn)下滑，危及施工安全，阻礙施工進(jìn)度。對(duì)此，在施工階段對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估成為灰?guī)r邊坡工程設(shè)計(jì)與施工中的重要內(nèi)容。

目前，理論估算法、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法、土工模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬分析法是邊坡工程穩(wěn)定性評(píng)估預(yù)測(cè)的常規(guī)方法。在工程實(shí)踐中，通常會(huì)采用多種方法進(jìn)行預(yù)測(cè)以實(shí)現(xiàn)相互驗(yàn)證及提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的目的，如現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法常與數(shù)值模擬分析法相互配合應(yīng)用。數(shù)值模擬分析法涵蓋多種二級(jí)方法，如：有限元法、有限差分法、離散元法、邊界元法和混合元法，其基本思路均為需將巖土體進(jìn)行網(wǎng)格單元化處理并通過力學(xué)參數(shù)賦值的方式進(jìn)行抗力設(shè)置[3]。因此，在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，需準(zhǔn)確掌握巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，這是保證模擬分析結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。

為了保證設(shè)計(jì)、施工的時(shí)效性和力學(xué)參數(shù)獲取的便捷性，通常會(huì)依據(jù)相關(guān)規(guī)范或者根據(jù)工程類比對(duì)巖土體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦值[4]。不可否認(rèn)的是，這種做法雖然簡(jiǎn)單、快速，但有一個(gè)難以避免的缺陷，即對(duì)技術(shù)人員本身的個(gè)體主觀性和經(jīng)驗(yàn)性具有極大的依賴性，即便面對(duì)相同的巖土體，不同的技術(shù)人員也極有可能會(huì)選擇完全不同的力學(xué)參數(shù)，導(dǎo)致分析結(jié)果離散化甚至完全失效，這顯然難以乃至無法為施工過程提供有效的參考信息。此外，天然狀態(tài)下的真實(shí)巖土體，其富水性、破碎性在三維空間里都是不均勻的，地表特征與深部特征之間存在差異,且規(guī)模越大差異越明顯，這在灰?guī)r溶蝕地區(qū)尤為典型。在這種條件下，簡(jiǎn)單籠統(tǒng)地根據(jù)地表特征難以準(zhǔn)確地對(duì)巖土體進(jìn)行級(jí)別歸類和參數(shù)賦值，也很難保證計(jì)算結(jié)果的有效性及為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)信息。

為了應(yīng)對(duì)這一不足，一種以巖土體實(shí)際位移、應(yīng)力為原始依據(jù)并通過一定的數(shù)學(xué)模型對(duì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反算的方法被提出，也就是反分析法。巖土體的實(shí)際位移、應(yīng)力和數(shù)學(xué)模型是反分析法的兩個(gè)關(guān)鍵客觀要素，在分析過程中可較好地避免個(gè)體主觀性和經(jīng)驗(yàn)性的影響，近年來得到了廣泛應(yīng)用，如：凌同華等[5]以里巖壟隧道YK11+150斷面為實(shí)際依托，采用監(jiān)控量測(cè)獲取了圍巖的位移取值,利用一種改進(jìn)的粒子群算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了待反演參數(shù)與實(shí)測(cè)位移值之間的非線性關(guān)系，并對(duì)圍巖的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了反演，正交試驗(yàn)的結(jié)果表明其相對(duì)誤差較??；徐中華等[6]依托上海長(zhǎng)峰大酒店基坑工程，依據(jù)基坑的實(shí)測(cè)變形，綜合采用UCODE反分析軟件和ABAQUS有限元分析在二維平面內(nèi)對(duì)基坑土層的豎向抗力單參數(shù)m值進(jìn)行了反演，并以上海地區(qū)20個(gè)基坑工程為實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，獲得了上海地區(qū)典型土層的m值及其取值范圍；Caudal等[7]以加拿大溫石棉礦東墻的尾礦邊坡為實(shí)際依托，綜合采用遙感與數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了滑坡預(yù)測(cè)，并采用改進(jìn)權(quán)重系數(shù)與傳遞函數(shù)的方法對(duì)集群應(yīng)力反分析模型實(shí)施了優(yōu)化，同時(shí)對(duì)尾礦大型巖塊的深部應(yīng)力和三維位移分別實(shí)施了反求與模擬預(yù)測(cè)；張繼勛等[8]依托某水電站引水隧洞工程，基于遺傳算法基本模型編寫了改進(jìn)程序,對(duì)ABAQUS商業(yè)軟件進(jìn)行了二次開發(fā)并將其應(yīng)用于地下洞室的圍巖力學(xué)參數(shù)反分析，發(fā)現(xiàn)圍巖的反演參數(shù)大于設(shè)計(jì)值，利用反演參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)位移值小于初始參數(shù)的計(jì)算值；Mahmoudi等[9]為了提高卡拉季(位于伊朗德黑蘭以西36 km處)地鐵隧道圍巖參數(shù)的估算精度及為隧道維護(hù)提供指導(dǎo)，利用FLAC3D軟件中的備選單變量反分析程序，基于隧道前期監(jiān)測(cè)獲得的位移值對(duì)圍巖的彈性模量進(jìn)行了反分析，實(shí)踐表明基于該參數(shù)可將初期噴射混凝土的厚度減少43%；為了根據(jù)有限的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行反分析，Pu等[10]利用多輸出決策樹回歸器(DTR)建立了初始地應(yīng)力場(chǎng)與其影響因子之間的關(guān)系模型，使用系數(shù)優(yōu)化糾正子模型策略建立并計(jì)算獲得了400個(gè)DTR全尺寸有限元模型訓(xùn)練樣本，結(jié)果表明實(shí)測(cè)值與反分析值的相關(guān)系數(shù)r達(dá)到了0.92，證明了采用DTR及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)全局初始地應(yīng)力場(chǎng)的初步可行性；納啟財(cái)?shù)萚11]以姜路嶺隧道為依托，采用室內(nèi)直剪壓縮試驗(yàn)獲取了圍巖的天然密度和含水率，并借助數(shù)值反分析的手段獲得了圍巖的彈性模量及其增量取值。毫無疑問，上述研究對(duì)于豐富、完善反分析方法與技術(shù)具有重要的理論參考價(jià)值和實(shí)踐意義。

然而，諸如上述反分析研究，多數(shù)主要集中于算法模型，如函數(shù)改進(jìn)、迭代簡(jiǎn)化、算法編制等模型優(yōu)化，忽視了巖土體本身物理性質(zhì)的時(shí)空變異性，且多以單參數(shù)或兩參數(shù)反求為主，忽視了多參數(shù)之間的相互影響。這顯然不符合天然巖土體的真實(shí)條件，也就限制了研究成果的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。

為了對(duì)上述不足進(jìn)行完善改進(jìn)，基于理論分析，以廣西宜州-河池高速公路No.2標(biāo)段某灰?guī)r邊坡為依托，應(yīng)用探地雷達(dá)實(shí)測(cè)和BMP90位移反分析模型對(duì)灰?guī)r邊坡巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反求，并據(jù)此采用MIDAS-GTS有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以期為溶蝕區(qū)灰?guī)r邊坡的力學(xué)參數(shù)求取與數(shù)值模擬計(jì)算提供參考。

1 工程概況與研究方案

1.1 工程概況

宜州-河池高速公路是廣西壯族自治區(qū)高速公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃“四縱六橫三支線”的重要組成部分，是連接桂中-桂西北的重要通道。其設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，荷載等級(jí)為公路-I級(jí)，處于黔中高原向廣西盆地過渡地帶。巖溶特征顯著，以丘陵、峰叢洼地為主，植被發(fā)育。谷地狹長(zhǎng)且邊坡較陡，最大標(biāo)高和切割深度分別達(dá)到530 m和200 m。沿線基巖出露，地表多見巖溶管道和落水洞，亦可見石芽和出露鐘乳石，局部被地表殘坡積黏土覆蓋。第四系巖性為殘坡積層(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土、黏土和碎石；基巖為石炭系上統(tǒng)馬平組白云質(zhì)灰?guī)r、石炭系中統(tǒng)可溶碳酸鹽巖、石炭系下統(tǒng)馬平組強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r和泥盆系上統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r。

所在地四季分明，自然降水雨量充沛，雨季集中在5—8月份。根據(jù)宜州市水文站提供的水文統(tǒng)計(jì)資料顯示，年平均降水量為1 470 mm。天然水動(dòng)力場(chǎng)發(fā)達(dá)，沿線河流屬珠江流域西江水系，含龍江、大環(huán)江、小環(huán)江；地下水類型主要為第四系松散層孔隙水潛水、基巖裂隙水，對(duì)混凝土無腐蝕性。

依托邊坡位于宜州市德勝鎮(zhèn)境內(nèi)，緊鄰測(cè)垌隧道，樁號(hào)里程范圍為K49+105～136，沿路線走向的長(zhǎng)度約31 m，屬于路塹巖質(zhì)邊坡。邊坡整體稍陡峭，坡外角約118°～130°，坡頂至坡底的高程為11.2 m，坡面風(fēng)化程度不均，坡頂和左側(cè)1/3坡面以強(qiáng)-全風(fēng)化為主，表層多為全風(fēng)化土塊夾雜灰?guī)r碎石，完整性、穩(wěn)定性差；坡面中部-右側(cè)整體以中風(fēng)化為主，但巖體不完整，有明顯的節(jié)理、裂隙，呈塊-塊碎狀結(jié)構(gòu)；可見該邊坡的整體完整性一般且穩(wěn)定性較差。

2020年5月12—20日當(dāng)?shù)剡B續(xù)降雨，地表濕潤(rùn)。5月22日上午，邊坡中部與右側(cè)部分表層坡體產(chǎn)生滑塌，導(dǎo)致應(yīng)急停車道旁的邊溝被掩埋及部分隔離護(hù)欄變形損壞。為了防止落石危險(xiǎn)，應(yīng)急部門于當(dāng)天下午對(duì)邊坡實(shí)施了簡(jiǎn)單掛網(wǎng)處理。圖1所示為滑坡現(xiàn)場(chǎng)，可見落石已侵入應(yīng)急車道，所幸未對(duì)過往車輛造成不利影響。因此，盡快對(duì)整個(gè)坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估是接下來需要完成的重要工作，以便為后續(xù)處治提供相關(guān)參考。

圖1 滑坡現(xiàn)場(chǎng)

1.2 研究方案

通過坡體表層地質(zhì)素描和現(xiàn)場(chǎng)踏勘可知，該邊坡的淺層完整性和風(fēng)化程度顯著不均。對(duì)于整個(gè)邊坡淺層坡體而言，全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化巖體的比例大致相當(dāng)，無論將其視為何種級(jí)別巖體均不合理。此外，該邊坡屬于溶蝕區(qū)灰?guī)r邊坡，當(dāng)?shù)貛r溶作用特征顯著，天然的地下水動(dòng)力場(chǎng)彼此輻射相連，坡體內(nèi)部易發(fā)育溶洞(穴)、破碎帶等不良地質(zhì)體，僅依靠表層地質(zhì)調(diào)查難以發(fā)現(xiàn)此類不良地質(zhì)體,從而影響邊坡的整體性和穩(wěn)定性預(yù)測(cè)結(jié)果。

為此，摒棄以往對(duì)整體坡體進(jìn)行一次性定級(jí)歸類的做法，首先進(jìn)行坡面地質(zhì)素描并采用探地雷達(dá)對(duì)邊坡內(nèi)部的富水性、破碎性進(jìn)行探測(cè)，然后再依據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)的建議對(duì)邊坡進(jìn)行分塊與單元級(jí)別劃分。

一般而言，當(dāng)巖體的級(jí)別得到確定時(shí)，可以便捷地根據(jù)規(guī)范進(jìn)行力學(xué)參數(shù)的賦值。但這忽視了巖體物理特征的時(shí)間-空間變異性，沒有考慮力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間-空間的動(dòng)態(tài)變化性，更多的在于依據(jù)工程類比和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)實(shí)施靜態(tài)賦值，這顯然不符合工程實(shí)際。

根據(jù)巖體本構(gòu)關(guān)系可知，塊體的形變與位移是彈性抗力與效應(yīng)二者之間的平衡結(jié)果，而巖體的抗力又與其自身的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、泊松比等參數(shù)具有直接關(guān)系[12]。此外，由于接觸與擠壓，塊體之間存在位移和應(yīng)力的傳遞，從而產(chǎn)生位移和應(yīng)力的疊加效應(yīng)。工程實(shí)踐表明，這種位移和應(yīng)力是可以通過在巖塊上安設(shè)具有一定錨固長(zhǎng)度的可產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形的柔性構(gòu)件進(jìn)行測(cè)量估算的，一旦獲得了各個(gè)級(jí)別巖塊的位移或者應(yīng)力取值，就可以通過巖體本構(gòu)關(guān)系對(duì)巖塊的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反求，最終得到不同巖塊的力學(xué)參數(shù)。

為此，基于前述探地雷達(dá)探測(cè)及巖塊單元?jiǎng)澐郑胛灰品捶治黾夹g(shù)對(duì)完整邊坡不同單元巖塊的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演。將得到的力學(xué)參數(shù)應(yīng)用于有限元數(shù)值模擬計(jì)算，從而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。最后，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)對(duì)模擬分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

2 探地雷達(dá)探測(cè)

2.1 探測(cè)原理

探地雷達(dá)是近年來在土建領(lǐng)域被廣泛采用的一種時(shí)效性強(qiáng)、設(shè)備簡(jiǎn)易、操作便捷的電磁勘探技術(shù)，其有效探測(cè)深度可達(dá)20～35 m。探地雷達(dá)系統(tǒng)由3部分組成，即：控制電腦、連接電纜和發(fā)射天線。探測(cè)時(shí)，首先在控制主機(jī)中設(shè)定好發(fā)射參數(shù)，然后發(fā)射天線將根據(jù)該參數(shù)向目標(biāo)地層發(fā)射具有初始頻率、相位、能量和振幅的入射電磁波。

與地震波等機(jī)械波不同，電磁波本質(zhì)上屬于交替變換的電場(chǎng)-磁場(chǎng)所形成的統(tǒng)一場(chǎng)在空間中的傳播[13]。天然狀態(tài)下的真實(shí)巖土體是電介質(zhì)(既有導(dǎo)電性又有絕緣性)，土體內(nèi)部不同組成物之間的接觸面屬于電性質(zhì)突變帶。當(dāng)入射電磁波到達(dá)該突變帶時(shí)將產(chǎn)生反射和折射，且這種反射和折射在土層內(nèi)部將不斷循環(huán)直至能量衰減至無法繼續(xù)傳播。理論與試驗(yàn)研究表明[14]，土層的物理特征會(huì)影響其內(nèi)部組成物的電性質(zhì)，據(jù)此可通過分析反射波的波形特征對(duì)內(nèi)部土層的地質(zhì)條件實(shí)施預(yù)測(cè)。

在有效探測(cè)深度范圍內(nèi)，探地雷達(dá)不僅對(duì)地層中的大斷層、大空洞等大目標(biāo)體具有較高的分辨率，還對(duì)節(jié)理、裂隙、小型溶洞(穴)、軟弱夾層等具有良好的識(shí)別度，對(duì)自由水也具有靈敏度高、可判性好的優(yōu)勢(shì)，是短距離無損探測(cè)的代表[15]。收-發(fā)分離式探地雷達(dá)的探測(cè)原理如圖3所示。

圖3 探地雷達(dá)探測(cè)原理示意圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)與單元分塊

在前期地質(zhì)勘察資料的基礎(chǔ)上，采用青島電波所生產(chǎn)的LTD-2500型探地雷達(dá)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，相關(guān)探測(cè)參數(shù)見表1。需要說明的是，探地雷達(dá)的探測(cè)深度隨天線中心頻率(75 MHz～2.5 GHz)的提高而降低，常規(guī)地質(zhì)預(yù)報(bào)選用的中心頻率通常為100 MHz，此時(shí)其探測(cè)深度可達(dá)20～35 m且同時(shí)能滿足分辨率的要求，并能完整地對(duì)邊坡內(nèi)部的地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)，故天線頻率選用100 MHz。

表1 探測(cè)參數(shù)

由于邊坡陡峭且高度較高，實(shí)測(cè)時(shí)無法用人力完成探測(cè)，故需要事先在鏟車的鏟斗上焊接好鋼架操作平臺(tái)，然后選配2名探測(cè)人員進(jìn)入平臺(tái)并手持雷達(dá)天線且要求緊貼坡面。鏟車司機(jī)需嚴(yán)格控制沿道路縱向的移動(dòng)速度從而使天線在坡面上緩慢移動(dòng)以形成水平向測(cè)線、測(cè)點(diǎn)以保證探測(cè)質(zhì)量。由于不易在豎向控制鏟斗的下放速度且容易導(dǎo)致天線脫離坡面，因而僅沿坡面水平向設(shè)置測(cè)線和測(cè)點(diǎn)。

測(cè)線的起點(diǎn)、終點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)視現(xiàn)場(chǎng)操作難易而定(如坡面是否凹凸不平)，間距為1～2 m。為了完整地對(duì)邊坡進(jìn)行探測(cè)，除坡面外還需在邊坡周圍3～5 m范圍內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)以擴(kuò)大探測(cè)范圍。

探測(cè)完畢后，采用自帶的IDSP6.0探地雷達(dá)分析軟件對(duì)探測(cè)文件進(jìn)行背景去除、反褶積、信號(hào)增益、0點(diǎn)校正等處理。剔除無效文件后，獲得線測(cè)圖像12副(如圖4(a)所示)和點(diǎn)測(cè)圖像37副(如圖4(b)所示)。綜合分析前期地質(zhì)勘察資料和探測(cè)圖像的波形特征，對(duì)邊坡內(nèi)部的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)測(cè)，再結(jié)合淺層坡體的地質(zhì)條件綜合對(duì)邊坡進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧?/p>

圖4 探測(cè)圖像

統(tǒng)計(jì)表明，該邊坡共劃分為15個(gè)單元塊，其中包括6個(gè)V級(jí)單元巖塊，位于坡頂和坡體左側(cè)；7個(gè)IV級(jí)單元巖塊，位于邊坡中部和右側(cè)坡體上部；2個(gè)III級(jí)單元巖塊，位于右側(cè)坡體的中部和下部。至此，邊坡單元分塊完畢，后續(xù)還需在不同的單元巖塊上安設(shè)位移計(jì)以繼續(xù)完成單元巖塊的力學(xué)參數(shù)反分析。此外，通過圖4可知，回波反射強(qiáng)烈，線測(cè)圖像波形雜亂，同相軸斷裂不連續(xù)，且從圖像中段開始存在“雪花狀”特征，表明內(nèi)部巖體多數(shù)較破碎，完整性差且潮濕富水[16]。

3 位移反分析

天然真實(shí)巖體由微小單元巖塊和結(jié)構(gòu)面共同構(gòu)成，單個(gè)巖塊自身與結(jié)構(gòu)面共同形成相互約束與協(xié)調(diào)變形，最終在宏觀上表現(xiàn)出位移與應(yīng)力特征，且可以通過安設(shè)一定的測(cè)試元件進(jìn)行測(cè)量。表面應(yīng)變計(jì)、表面壓力盒等面接觸式元件雖然也可測(cè)量位移和應(yīng)力，但通常更適合測(cè)量接觸面之間的接觸應(yīng)力與相互位移，不適用于對(duì)巖體內(nèi)部全尺度范圍內(nèi)的位移進(jìn)行測(cè)量。因此，為了獲取不同單元塊的全尺度位移值和即時(shí)力學(xué)參數(shù)，首先需通過鉆孔在不同單元塊上安設(shè)可與巖塊產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形的位移計(jì)(型號(hào)：WYJ-100，量測(cè)范圍0～100 mm)，然后基于位移本構(gòu)關(guān)系和位移反分析模型反求不同單元巖塊的力學(xué)參數(shù)。

事實(shí)上，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展巖土體位移反分析的研究與實(shí)踐相繼出現(xiàn)且具有一定的可行性，但對(duì)有效數(shù)據(jù)樣本的容量、樣本訓(xùn)練時(shí)間具有較高的要求，時(shí)效性與便捷性較差，更適用于非緊急情況[17]。對(duì)此，采用一種對(duì)樣本數(shù)據(jù)容量依賴性更低、效率更高的“試湊式”位移反分析模型——BMP90位移反分析模型對(duì)不同巖塊的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反求。

3.1 反求模型與原理

BMP90位移反分析模型是李世輝等人根據(jù)邊界元法基本理論研制開發(fā)的一款適用于各類型工程巖土體的位移反分析算法，早期多應(yīng)用于隧道工程巖體，后來逐漸在各類型巖土體中得到了應(yīng)用和完善。其基本原理為：通過不斷地調(diào)整參數(shù)取值使實(shí)測(cè)值與擬定值之間的差值滿足某容許范圍，此時(shí)擬定值視為可用，如式(1)所示[18]：

(1)

式中，R為實(shí)測(cè)值與擬定值之間的差值的容許范圍；K1，K2分別為擬定值和實(shí)測(cè)值。

因此，基于上述不同單元巖塊的位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過該反分析程序來獲取單元巖塊的彈性模量E、泊松比μ等力學(xué)參數(shù)，并將其應(yīng)用于后續(xù)的有限元數(shù)值模擬計(jì)算中。

3.2 反求結(jié)果

根據(jù)前述方案，完成了位移計(jì)的安設(shè)并開始實(shí)施位移測(cè)量，由于當(dāng)邊坡內(nèi)部1 m 范圍內(nèi)發(fā)育有溶洞(穴)時(shí)無法安設(shè)位移計(jì)，因此避開內(nèi)部溶洞(穴)位置后共安設(shè)13根位移計(jì)。位移計(jì)的安設(shè)示意如圖5所示，鉆孔直徑為76 mm；反分析結(jié)果見表2。

圖5 位移計(jì)安設(shè)示意圖

表2 位移反分析結(jié)果

由此可見，不同級(jí)別單元巖塊的力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律基本上與其理論本構(gòu)關(guān)系一致，且即便是相同級(jí)別的巖塊，其力學(xué)參數(shù)亦不相同甚至差別較大，這較為真實(shí)地反映了不同巖塊本身所具有的即時(shí)力學(xué)特征，與根據(jù)規(guī)范對(duì)整個(gè)邊坡進(jìn)行統(tǒng)一性賦值相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

4 有限元數(shù)值模擬

為了對(duì)邊坡的下滑穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)，采用MIDAS-GTS有限元數(shù)值模擬軟件建立邊坡的網(wǎng)格模型并對(duì)位移進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。

4.1 網(wǎng)格模型

以邊坡的起止里程樁號(hào)為參照建立網(wǎng)格模型，橫向?qū)挾葹?1 m，豎向高度為11.2 m，坡頂往外側(cè)的范圍取5 m。根據(jù)邊界約束條件設(shè)置準(zhǔn)則，在模型左右兩側(cè)設(shè)置X方向的約束，在模型底部設(shè)置Y方向的約束，默認(rèn)邊坡表面為自由面且考慮基巖裂隙水滲流。與三邊形網(wǎng)格相比，四邊形網(wǎng)格單元具有更好的力傳遞效率，因而采用四邊形單元生成網(wǎng)格[19]。巖體內(nèi)部力和位移的傳遞本質(zhì)上依賴于塊體接觸與相互運(yùn)動(dòng)，因而考慮到邊坡在三維空間里的地質(zhì)條件差異性，模型中的網(wǎng)格單元不宜采用等距離設(shè)置，而應(yīng)按照1∶1.25的比例對(duì)V，IV級(jí)單元巖塊的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，從而提高此類巖體內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對(duì)位移和力的傳遞效率以及提高運(yùn)算精度。

為了節(jié)省運(yùn)算存儲(chǔ)空間與加快運(yùn)算效率，每一次迭代都設(shè)置應(yīng)力釋放系數(shù)[20]。假定邊坡巖體為彈塑性體，遵守M-C應(yīng)力準(zhǔn)則。為了充分實(shí)現(xiàn)巖體內(nèi)部應(yīng)力的重新分布與平衡，視應(yīng)力分配達(dá)到平衡為基本原則由軟件自行運(yùn)算，因而不設(shè)置固定的迭代次數(shù)[21]。網(wǎng)格模型見圖6，圖6(a)為添加基巖裂隙水滲流壓力后顯示的網(wǎng)格模型，為了直觀顯示已隱藏了網(wǎng)格線,圖6(b)為未隱藏網(wǎng)格線的模型圖。

圖6 網(wǎng)格模型

4.2 結(jié)果分析

計(jì)算時(shí)，各單元巖塊分別采用兩種力學(xué)參數(shù)，一種是由前述反分析所得參數(shù)，一種是依據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)的建議進(jìn)行賦值。重度γ取22 kN/m3。具體而言，首先利用BLOCK-SET命令，將每一個(gè)單元塊設(shè)置成隔離體，由此保證獨(dú)立的隔離體之間具有互不相同的力學(xué)參數(shù)；然后再對(duì)每一個(gè)單元塊的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行依次逐個(gè)輸入；當(dāng)全部彼此相互獨(dú)立的單元塊的參數(shù)都輸入完畢時(shí)，整體邊坡不同級(jí)別單元便獲得了各自獨(dú)立的力學(xué)參數(shù)，最終避免規(guī)范建議賦值所存在的盲目性和籠統(tǒng)性。

網(wǎng)格模型的位移云圖顯示的是整個(gè)邊坡的位移狀態(tài)，無法顯示不同巖塊的位移變化趨勢(shì)，對(duì)于分析單元巖塊的位移特征而言沒有意義。對(duì)此，采用GTS內(nèi)置的節(jié)點(diǎn)提取技術(shù)對(duì)不同單元巖塊的位移值進(jìn)行提取。為了加快提取速度，每個(gè)單元巖塊提取一個(gè)節(jié)點(diǎn)，取不同力學(xué)參數(shù)時(shí)的提取結(jié)果見表3。

表3 單元巖塊位移

由此可見，基于位移反分析所得力學(xué)參數(shù)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值更為接近，這說明與規(guī)范建議賦值相比，通過雷達(dá)實(shí)測(cè)、單元分塊及反分析獲取的力學(xué)參數(shù)更加可靠。此外，表中多數(shù)數(shù)值模擬計(jì)算的位移值小于實(shí)測(cè)值，這是由于網(wǎng)格邊界條件限定了巖體的變形范圍和方向，而真實(shí)巖體是三向變形的。

5 結(jié)論

本研究在理論分析的基礎(chǔ)上，以廣西壯族自治區(qū)典型溶蝕區(qū)灰?guī)r邊坡為實(shí)際依托，采用探地雷達(dá)實(shí)測(cè)和位移反分析獲取邊坡不同單元巖塊的力學(xué)參數(shù)，并利用有限元數(shù)值模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)對(duì)邊坡的位移進(jìn)行了預(yù)測(cè)對(duì)比，結(jié)論如下：

(1)灰?guī)r邊坡的溶蝕作用強(qiáng)烈，求取力學(xué)參數(shù)時(shí)需考慮其地質(zhì)條件的典型時(shí)空變異性，宜先對(duì)邊坡進(jìn)行分塊處理再實(shí)施單元塊定級(jí)歸類。

(2)基于探地雷達(dá)實(shí)測(cè)的單元?jiǎng)澐挚奢^好地避免定級(jí)時(shí)的主觀性和經(jīng)驗(yàn)性影響，在此基礎(chǔ)上采用BMP90位移反分析模型可反演得到更加真實(shí)的力學(xué)參數(shù)。

(3)獲取有效的力學(xué)參數(shù)是保證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可靠性的重要前提，今后可嘗試綜合利用探地雷達(dá)和其他人工智能反分析模型對(duì)巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行求取，這是一種新思路、新方法，應(yīng)繼續(xù)加以重視。