專利名稱：基于錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的邊坡反分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種邊坡處治工程中荷載數(shù)據(jù)處理技術(shù)，尤其涉及一種基于錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù) 據(jù)的邊坡反分析方法。
背景技術(shù)：
目前在邊坡處治工程中，廣泛使用預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索加同技術(shù)，為了保證結(jié)構(gòu)的可靠性， 在邊坡處治施工過程中以及施工結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi)，須要對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索的錨固荷載 進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)獲得的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來了解預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索是否失效。從監(jiān) 測(cè)中獲得的這些荷載數(shù)據(jù)，不僅可以反映結(jié)構(gòu)本身的可靠性，而且還能反映出巖土體的相關(guān) 力學(xué)信息，而如何才能使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的價(jià)值實(shí)現(xiàn)最大化，很少有研究者進(jìn)行深入研究。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種基于錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的邊坡反分析方法，該方法歩驟為
1) 根據(jù)某吋間錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到錨固段軸力A^; A^表不第/根錨桿的第./計(jì) 算點(diǎn)處的軸力實(shí)測(cè)值；
2) 根據(jù)巖土體地質(zhì)條件和地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，確定參數(shù){1} = {五，//，(^,^}的取值范圍；￡為 彈性模量，//為泊松比，C為粘聚力，^為內(nèi)摩擦角；前述4種參數(shù)中，可選取其中的一個(gè) 或多個(gè)進(jìn)行針對(duì)性分析
3) 設(shè)定{義}初值，對(duì)邊坡進(jìn)行有限元數(shù)值模擬正分析，得到錨桿錨固段軸力的計(jì)算值 A^(X); A^.(I)表示第/根錨桿的第J'計(jì)算點(diǎn)處的軸力的有限元計(jì)算值；
4 )將(X)和iV々代入公式
^o=ti>',w-氣]
/=1產(chǎn)l
得到冃標(biāo)函數(shù)；
式中，iVy,(X)為第z'根錨桿的第J'計(jì)算點(diǎn)處的軸力有限元計(jì)算值； A^為第/根錨桿的第_/計(jì)算點(diǎn)處的軸力實(shí)測(cè)值； n為取得荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的錨桿總數(shù)； &第/錨桿錨固段上所取的計(jì)算點(diǎn)總數(shù)；
5) 將參數(shù){1}代入目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)最小化時(shí)所對(duì)應(yīng)的待反演參數(shù)即為巖土體等效力 學(xué)參數(shù)；根據(jù)巖土體等效力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，獲得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；
6) 選取不同時(shí)間的錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟l)至5)，獲得巖土體等效力學(xué)參數(shù)和 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化趨勢(shì)。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果是通過目標(biāo)函數(shù)，建立起巖土體的等效力學(xué)參數(shù)和錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，進(jìn)而求取錨固體所在巖土體的等效力學(xué)參數(shù)，更進(jìn)一步推導(dǎo)出邊坡穩(wěn)定 性系數(shù)的變化趨勢(shì)。
圖1、工程實(shí)例錨索正面布置圖2、工程實(shí)例錨索橫斷面布置圖3、l弁錨固點(diǎn)錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；
圖4、2#錨固點(diǎn)錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；
圖5、有限元分析時(shí)的網(wǎng)絡(luò)劃分示意圖;
圖6、錨索錨固段軸力分布云圖7、彈性模量E隨時(shí)間變化曲線；
圖8、粘聚力C隨吋間變化曲線；
圖9、內(nèi)摩擦角p隨時(shí)間變化曲線；
圖10、邊坡穩(wěn)定系數(shù)動(dòng)態(tài)變化曲線；
具體實(shí)施例方式
通過對(duì)錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，我們可以確定錨固體的狀態(tài)(是否失效或有缺陷等)， 這是顯而易見的；但是，發(fā)明人認(rèn)為僅在前面的問題上體現(xiàn)出錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的價(jià)值，還 沒有充分的利用錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所提供的信息，錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還W以給我們提供更多 的信息，只是錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和未知信息之間的連接關(guān)系還沒有被人們發(fā)現(xiàn)?；诖朔N思 路，發(fā)明人經(jīng)過潛心研究提出了本發(fā)明的方法，該方法建立起了錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和巖土體 的等效力學(xué)參數(shù)以及邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化趨勢(shì)之間的關(guān)系，使錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的價(jià)值得 到了進(jìn)一步的提升，該方法的建立，除了具有前述優(yōu)點(diǎn)外，還是對(duì)巖土工程中傳統(tǒng)的位移反 分析方法的有益補(bǔ)充和對(duì)反分析理論的豐富。
本發(fā)明方法如下1)根據(jù)某一時(shí)間錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到錨固段軸力i^; A^表示 第/根錨桿的第/計(jì)算點(diǎn)處的軸力實(shí)測(cè)值；
2) 根據(jù)巖土體地質(zhì)條件和地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，確定參數(shù){1}={￡,//,^^的取值范圍；￡為 彈性模量，//為泊松比，C為粘聚力，^為內(nèi)摩擦角；前述4種參數(shù)中，可選取其中的一個(gè) 或多個(gè)進(jìn)行針對(duì)性分析；
3) 設(shè)定{1}初值，對(duì)邊坡進(jìn)行有限元數(shù)值模擬正分析，得到錨桿錨固段軸力的計(jì)算值 A^(X); 7^,(^)表示第/根錨桿的第/計(jì)算點(diǎn)處的軸力的有限元計(jì)算值；
4) 將^(I)和^代入公式
<formula>formula see original document page 4</formula>得到目標(biāo)函數(shù)；
式中，^(1)為第/根錨桿的第乂計(jì)算點(diǎn)處的軸力有限元計(jì)算值； A^為第；根錨桿的第y計(jì)算點(diǎn)處的軸力實(shí)測(cè)值； w為取得荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的錨桿總數(shù)； /t,第/錨桿錨固段上所取的計(jì)算點(diǎn)總數(shù)；
5) 將參數(shù){1}代入目標(biāo)函數(shù)，S標(biāo)函數(shù)最小化時(shí)所對(duì)應(yīng)的待反演參數(shù)即為巖土體等效力 學(xué)參數(shù)；根據(jù)巖土體等效力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，獲得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；
6) 選取不同時(shí)間的錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟1)至5)，獲得巖土體等效力學(xué)參數(shù)和 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化趨勢(shì)。(選取不同時(shí)間的錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的次數(shù)，可由具體工程實(shí)際 決定，比如，某次檢測(cè)，需要對(duì)一個(gè)長時(shí)間段內(nèi)的力學(xué)參數(shù)和變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，那么可以 多選取幾個(gè)時(shí)間段，如果僅需要對(duì)某次突發(fā)狀況后的巖土體安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，則可以只選取 最近吋間內(nèi)的少數(shù)幾個(gè)錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))。
實(shí)施例
1、 工程概況
某鐵路路基深開挖路塹形成47米高邊坡，邊坡分三級(jí)并采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固，第一級(jí)邊 坡坡率為h 0.25，第二、三級(jí)坡率均為1: 0.5，各級(jí)邊坡高分別為15.0、 16.0、 16.0m;每 兩級(jí)間設(shè)2.0m寬平臺(tái)。錨桿按矩形排列，其垂直及水平間距均為4.0m，鉆孔孔徑130mm， 每孔錨桿采用5根015.24鋼絞線，其鎖定噸位為777kN，錨具采用OVM15--5型，鉆孔與水 平面為15°,采用鋼絞線強(qiáng)度級(jí)別為1860MPa，水泥砂漿與鉆孔壁間粘接強(qiáng)度取0.5MPa，鋼 絞線與水泥砂漿間的粘接強(qiáng)度取1.4MPa，錨固體抗拔安全系數(shù)大于2.5。錨桿正面布置、橫 斷面布置示意分別見圖1和圖2，圖中1#、 2#分別為布設(shè)的兩個(gè)錨固點(diǎn)。
2、 待分析的荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
在邊坡治理工程施工完畢后對(duì)錨桿進(jìn)行了錨固力監(jiān)測(cè)，以觀察錨桿的預(yù)應(yīng)力損失情況， 檢驗(yàn)加固措施的安全性。1#、 2糊U點(diǎn)的錨桿錨同力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3、 4所示。
3、 反分析參數(shù)的選擇
邊坡土層中的軟弱夾層是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵部位，所以本次反演中選取的軟弱夾層 的力學(xué)參數(shù)有彈性模量E、粘聚力c、內(nèi)摩擦角p。
4、 根據(jù)地質(zhì)資料確定被反演參數(shù)的取值范圍 歩驟3中選取的參數(shù)的取值范圍如下
彈性模量E=2 5Gpa;粘聚力c=15 35Kpa;內(nèi)摩擦角p = 15° 30° 。
5、 確定被反演參數(shù)的初始取值
各參數(shù)的初值設(shè)定為彈性模量E-3GPa;粘聚力c-24kPa;內(nèi)摩擦角^ = 20°。其他部分 力學(xué)參數(shù)見表h表1計(jì)算力學(xué)參數(shù)
; c(MPa)
砂巖120.211.4647.52025.1
泥巖80.250.7232.217.525.9
噴射砼200.21.0//22
錨桿1950.3///73
軟弱夾層待反演0.35待反演待反演525.3
6、 基于有限元分析錨固段上各點(diǎn)的軸力計(jì)算值
坡體采用二維平面單元，錨桿采用一維桿單元，噴射混凝土支護(hù)采用梁單元。錨桿與巖 體的連接關(guān)系采用非線性彈簧單元。巖土體的力學(xué)模型采用理想彈塑性模型。劃分網(wǎng)格示意 圖參見圖5。
經(jīng)過計(jì)算獲得如圖6的錨桿錨固段軸力分布云圖，也即獲得了錨桿錨固段軸力。
7、 建立錨固荷載反演的目標(biāo)函數(shù)
在每根錨桿的錨固段上取k個(gè)計(jì)算點(diǎn)，由有限元分析可得到每根錨桿的各個(gè)計(jì)算點(diǎn)處的 軸力值，該值稱為理論值或有限元計(jì)算值A(chǔ)^Z);同時(shí)由實(shí)測(cè)錨桿的錨固荷載也可以計(jì)算得 到各個(gè)計(jì)算點(diǎn)處的軸力值，稱為實(shí)測(cè)值A(chǔ)^。于是建立反分析目標(biāo)函數(shù)如下-
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中，7V"X)——第/根錨桿的第J'計(jì)算點(diǎn)處的軸力有限元計(jì)算值； Wv.—第f根錨桿的第y計(jì)算點(diǎn)處的軸力的實(shí)測(cè)值； W——取得荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的錨桿總數(shù)；
A,——第/根錨桿錨固段上所取計(jì)算點(diǎn)總數(shù)(本實(shí)例對(duì)所有錨桿均取IO個(gè)計(jì)算點(diǎn))。
8、 待反演參數(shù)的優(yōu)化反分析
經(jīng)過兩次迭代，獲得優(yōu)化反分析的一組最優(yōu)解，軟弱夾層的反演力學(xué)參數(shù)為彈性模量 E=2.57Gpa;粘聚力c=27.3Kpa;內(nèi)摩擦角p = 21.36° 。
為考慮邊坡錨固后軟弱夾層力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程，取錨固張拉鎖定后24h, 48h, 72h, 96h, 120h的荷載觀測(cè)值進(jìn)行多次反演，得到不同時(shí)間段的反演參數(shù)組合值見表2。表2不同時(shí)間段參數(shù)反演組合 Table 5.2 Different time parameter inversion combination
1#監(jiān)測(cè)值 (kN)2#監(jiān)測(cè)值 (kN)《)
2.5h669.1674.82.5727.321.36
24h667.0671.82.6526.5322.60
48h665.8670.22.7226.5022.82
72h665,2667.62.5325.3625.38
96h673.4663.52.5527.4223.50
120h662.5660,72.6027.1121.65
這里需要說明，經(jīng)反分析出來的不同吋段的軟弱層的彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角并不 是軟弱層的真實(shí)力學(xué)參數(shù)，但它們?cè)谶吰路€(wěn)定性分析上具有相同效果，故也叫"等效力學(xué)參
數(shù)"。三個(gè)參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線參見圖7、 8、 9。 9、利用反分析參數(shù)分析邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性
分別用2.5h， 24h， 48h， 72h， 96h， 120h所對(duì)應(yīng)的那組反演參數(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，分析邊 坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，得到如圖IO所示的邊坡穩(wěn)定系數(shù)動(dòng)態(tài)變化曲線。
通過邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化曲線可以看出，經(jīng)錨桿加固后在120h內(nèi)邊坡處丁穩(wěn)定狀態(tài)。由于 錨桿錨固荷載的損失、巖體蠕變、外界環(huán)境等因素的影響，邊坡穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)微小的波動(dòng)。
權(quán)利要求
1、一種基于錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的邊坡反分析方法，其特征在于該方法步驟為1)根據(jù)某一時(shí)間錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到錨固段軸力Nij；Nij表示第i根錨桿的第j計(jì)算點(diǎn)處的軸力實(shí)測(cè)值；2)根據(jù)巖土體地質(zhì)條件和地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，確定參數(shù) id="icf0001" file="A2009101042170002C1.tif" wi="29" he="3" top= "54" left = "123" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的取值范圍；E為彈性模量，μ為泊松比，C為粘聚力， id="icf0002" file="A2009101042170002C2.tif" wi="2" he="2" top= "62" left = "92" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為內(nèi)摩擦角；前述4種參數(shù)中，可選取其中的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行針對(duì)性分析；3)設(shè)定{X}初值，對(duì)邊坡進(jìn)行有限元數(shù)值模擬正分析，得到錨桿錨固段軸力的計(jì)算值Nij(X)；Nij(X)表示第i根錨桿的第j計(jì)算點(diǎn)處的軸力的有限元計(jì)算值；4)將Nij(X)和Nij代入公式<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>F</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>X</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <msub><mi>k</mi><mi>i</mi> </msub></munderover><mo>[</mo><msub> <mi>N</mi> <mi>ij</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>X</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>N</mi> <mi>ij</mi></msub><mo>]</mo> </mrow>]]></math></maths>得到目標(biāo)函數(shù)；式中，Nij(X)為第i根錨桿的第j計(jì)算點(diǎn)處的軸力有限元計(jì)算值；Nij為第i根錨桿的第j計(jì)算點(diǎn)處的軸力實(shí)測(cè)值；n為取得荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的錨桿總數(shù)；ki第i錨桿錨固段上所取的計(jì)算點(diǎn)總數(shù)；5)將參數(shù){X}代入目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)最小化時(shí)所對(duì)應(yīng)的待反演參數(shù)即為巖土體等效力學(xué)參數(shù)；根據(jù)巖土體等效力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，獲得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；6)選取不同時(shí)間的錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟1)至5)，獲得巖土體等效力學(xué)參數(shù)和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化趨勢(shì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的邊坡反分析方法，該方法從錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)入手，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)式建立起監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和巖土體等效力學(xué)參數(shù)以及邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化趨勢(shì)之間的關(guān)系；本發(fā)明的有益技術(shù)效果是通過目標(biāo)函數(shù)，建立起巖土體的等效力學(xué)參數(shù)和錨固荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，進(jìn)而求取錨固體所在巖土體的等效力學(xué)參數(shù)，更進(jìn)一步推導(dǎo)出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化趨勢(shì)。
文檔編號(hào)E02D5/76GK101593227SQ20091010421
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者容 徐, 鑫 謝, 趙明階 申請(qǐng)人:重慶交通大學(xué)