基于锚固荷载监测数据的边坡反分析方法

摘要

本发明公开了一种基于锚固荷载监测数据的边坡反分析方法，该方法从锚固荷载监测数据入手，根据目标函数式建立起监测数据和岩土体等效力学参数以及边坡稳定性系数变化趋势之间的关系；本发明的有益技术效果是：通过目标函数，建立起岩土体的等效力学参数和锚固荷载监测数据的映射关系，进而求取锚固体所在岩土体的等效力学参数，更进一步推导出边坡稳定性系数的变化趋势。

说明书

技术领域

本发明涉及一种边坡处治工程中荷载数据处理技术，尤其涉及一种基于锚固荷载监测数据的边坡反分析方法。

背景技术

目前在边坡处治工程中，广泛使用预应力锚杆或锚索加固技术，为了保证结构的可靠性，在边坡处治施工过程中以及施工结束后的一段时间内，须要对预应力锚杆或锚索的锚固荷载进行监测，通过对获得的大量监测数据进行分析，来了解预应力锚杆或锚索是否失效。从监测中获得的这些荷载数据，不仅可以反映结构本身的可靠性，而且还能反映出岩土体的相关力学信息，而如何才能使监测数据的价值实现最大化，很少有研究者进行深入研究。

发明内容

本发明提出了一种基于锚固荷载监测数据的边坡反分析方法，该方法步骤为：

1)根据某一时间锚固荷载监测数据计算得到锚固段轴力N_ij；N_ij表示第i根锚杆的第j计算点处的轴力实测值；

2)根据岩土体地质条件和地质勘察数据，确定参数的取值范围；E为弹性模量，μ为泊松比，C为粘聚力，为内摩擦角；前述4种参数中，可选取其中的一个或多个进行针对性分析；

3)设定{X}初值，对边坡进行有限元数值模拟正分析，得到锚杆锚固段轴力的计算值N_ij(X)；N_ij(X)表示第i根锚杆的第j计算点处的轴力的有限元计算值；

4)将N_ij(X)和N_ij代入公式：

$F\left(X\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{k_i}{\Sigma }}[N_{\mathrm{ij}}\left(X\right)-N_{\mathrm{ij}}]$

得到目标函数；

式中，N_ij(X)为第i根锚杆的第j计算点处的轴力有限元计算值；

N_ij为第i根锚杆的第j计算点处的轴力实测值；

n为取得荷载监测数据的锚杆总数；

k_i第i锚杆锚固段上所取的计算点总数；

5)将参数{X}代入目标函数，目标函数最小化时所对应的待反演参数即为岩土体等效力学参数；根据岩土体等效力学参数对边坡稳定性进行分析，获得边坡稳定性系数；

6)选取不同时间的锚固荷载监测数据，重复步骤1)至5)，获得岩土体等效力学参数和边坡稳定性系数的变化趋势。

本发明的有益技术效果是：通过目标函数，建立起岩土体的等效力学参数和锚固荷载监测数据的映射关系，进而求取锚固体所在岩土体的等效力学参数，更进一步推导出边坡稳定性系数的变化趋势。

附图说明

图1、工程实例锚索正面布置图；

图2、工程实例锚索横断面布置图；

图3、1#锚固点锚固荷载监测数据；

图4、2#锚固点锚固荷载监测数据；

图5、有限元分析时的网络划分示意图；

图6、锚索锚固段轴力分布云图；

图7、弹性模量E随时间变化曲线；

图8、粘聚力c随时间变化曲线；

图9、内摩擦角随时间变化曲线；

图10、边坡稳定系数动态变化曲线；

具体实施方式

通过对锚固荷载监测数据的分析，我们可以确定锚固体的状态(是否失效或有缺陷等)，这是显而易见的；但是，发明人认为仅在前面的问题上体现出锚固荷载监测数据的价值，还没有充分的利用锚固荷载监测数据所提供的信息，锚固荷载监测数据还可以给我们提供更多的信息，只是锚固荷载监测数据和未知信息之间的连接关系还没有被人们发现。基于此种思路，发明人经过潜心研究提出了本发明的方法，该方法建立起了锚固荷载监测数据和岩土体的等效力学参数以及边坡稳定性系数的变化趋势之间的关系，使锚固荷载监测数据的价值得到了进一步的提升，该方法的建立，除了具有前述优点外，还是对岩土工程中传统的位移反分析方法的有益补充和对反分析理论的丰富。

本发明方法如下：1)根据某一时间锚固荷载监测数据计算得到锚固段轴力N_ij；N_ij表示第i根锚杆的第j计算点处的轴力实测值；

2)根据岩土体地质条件和地质勘察数据，确定参数的取值范围；E为弹性模量，μ为泊松比，C为粘聚力，为内摩擦角；前述4种参数中，可选取其中的一个或多个进行针对性分析；

3)设定{X}初值，对边坡进行有限元数值模拟正分析，得到锚杆锚固段轴力的计算值N_ij(X)；N_ij(X)表示第i根锚杆的第j计算点处的轴力的有限元计算值；

4)将N_ij(X)和N_ij代入公式：

$F\left(X\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{k_i}{\Sigma }}[N_{\mathrm{ij}}\left(X\right)-N_{\mathrm{ij}}]$

得到目标函数；

式中，N_ij(X)为第i根锚杆的第j计算点处的轴力有限元计算值；

N_ij为第i根锚杆的第j计算点处的轴力实测值；

n为取得荷载监测数据的锚杆总数；

k_i第i锚杆锚固段上所取的计算点总数；

5)将参数{X}代入目标函数，目标函数最小化时所对应的待反演参数即为岩土体等效力学参数；根据岩土体等效力学参数对边坡稳定性进行分析，获得边坡稳定性系数；

6)选取不同时间的锚固荷载监测数据，重复步骤1)至5)，获得岩土体等效力学参数和边坡稳定性系数的变化趋势。(选取不同时间的锚固荷载监测数据的次数，可由具体工程实际决定，比如，某次检测，需要对一个长时间段内的力学参数和变化趋势进行分析，那么可以多选取几个时间段，如果仅需要对某次突发状况后的岩土体安全性进行评价，则可以只选取最近时间内的少数几个锚固荷载监测数据)。

实施例：

1、工程概况

某铁路路基深开挖路堑形成47米高边坡，边坡分三级并采用预应力锚杆加固，第一级边坡坡率为1∶0.25，第二、三级坡率均为1∶0.5，各级边坡高分别为15.0、16.0、16.0m；每两级间设2.0m宽平台。锚杆按矩形排列，其垂直及水平间距均为4.0m，钻孔孔径130mm，每孔锚杆采用5根φ15.24钢绞线，其锁定吨位为777kN，锚具采用OVM15--5型，钻孔与水平面为15°，采用钢绞线强度级别为1860MPa，水泥砂浆与钻孔壁间粘接强度取0.5MPa，钢绞线与水泥砂浆间的粘接强度取1.4MPa，锚固体抗拔安全系数大于2.5。锚杆正面布置、横断面布置示意分别见图1和图2，图中1#、2#分别为布设的两个锚固点。

2、待分析的荷载监测数据

在边坡治理工程施工完毕后对锚杆进行了锚固力监测，以观察锚杆的预应力损失情况，检验加固措施的安全性。1#、2#测点的锚杆锚固力监测数据如图3、4所示。

3、反分析参数的选择

边坡土层中的软弱夹层是影响边坡稳定性的关键部位，所以本次反演中选取的软弱夹层的力学参数有：弹性模量E、粘聚力c、内摩擦角

4、根据地质资料确定被反演参数的取值范围

步骤3中选取的参数的取值范围如下：

弹性模量E＝2～5Gpa；粘聚力c＝15～35Kpa；内摩擦角

5、确定被反演参数的初始取值：

各参数的初值设定为：弹性模量E＝3GPa；粘聚力c＝24kPa；内摩擦角其他部分力学参数见表1：

表1计算力学参数

6、基于有限元分析锚固段上各点的轴力计算值

坡体采用二维平面单元，锚杆采用一维杆单元，喷射混凝土支护采用梁单元。锚杆与岩体的连接关系采用非线性弹簧单元。岩土体的力学模型采用理想弹塑性模型。划分网格示意图参见图5。

经过计算获得如图6的锚杆锚固段轴力分布云图，也即获得了锚杆锚固段轴力。

7、建立锚固荷载反演的目标函数

在每根锚杆的锚固段上取k个计算点，由有限元分析可得到每根锚杆的各个计算点处的轴力值，该值称为理论值或有限元计算值N_ij(X)；同时由实测锚杆的锚固荷载也可以计算得到各个计算点处的轴力值，称为实测值N_ij。于是建立反分析目标函数如下：

$F\left(X\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{k_i}{\Sigma }}[N_{\mathrm{ij}}\left(X\right)-N_{\mathrm{ij}}]$

式中，N_ij(X)——第i根锚杆的第j计算点处的轴力有限元计算值；

N_ij——第i根锚杆的第j计算点处的轴力的实测值；

n——取得荷载监测数据的锚杆总数；

k_i——第i根锚杆锚固段上所取计算点总数(本实例对所有锚杆均取10个计算点)。

8、待反演参数的优化反分析

经过两次迭代，获得优化反分析的一组最优解，软弱夹层的反演力学参数为：弹性模量E＝2.57Gpa；粘聚力c＝27.3Kpa；内摩擦角

为考虑边坡锚固后软弱夹层力学参数的动态变化过程，取锚固张拉锁定后24h，48h，72h，96h，120h的荷载观测值进行多次反演，得到不同时间段的反演参数组合值见表2。

表2不同时间段参数反演组合

Table 5.2 Different time parameter inversion combination

这里需要说明，经反分析出来的不同时段的软弱层的弹性模量、粘聚力、内摩擦角并不是软弱层的真实力学参数，但它们在边坡稳定性分析上具有相同效果，故也叫“等效力学参数”。三个参数随时间变化的曲线参见图7、8、9。

9、利用反分析参数分析边坡动态稳定性

分别用2.5h，24h，48h，72h，96h，120h所对应的那组反演参数进行边坡稳定计算，分析边坡动态稳定性，得到如图10所示的边坡稳定系数动态变化曲线。

通过边坡稳定系数变化曲线可以看出，经锚杆加固后在120h内边坡处于稳定状态。由于锚杆锚固荷载的损失、岩体蠕变、外界环境等因素的影响，边坡稳定系数出现微小的波动。