巖土工程自適應錨位技術的有限元理論分析與應用

楊振莉，姚顯瑞

（河北中色華冠巖土工程有限公司，河北 三河 065201）

在巖土工程施工過程中由于施工環境和地質條件的復雜性影響，巖體工程錨固支護應力越來越大，為了保護巖土工程施工的安全性，提出了自保護和有限元自適應錨位技術的單元結構體系的設計方案，更好的保護巖土工程錨固結構的安全性。通過有限元理論分析，在巖土工程施工過程中，巖體錨固技術可以有效的提高巖土體的受力強度，減少結構體體積和重量，并節約建筑施工成本，提高巖土工程施工的安全性。

1 自適應有限元理論

自適應有限元理論可根據計算得到的誤差信息判斷解是否具有足夠的精度，即通過事后的誤差估計結果對誤差較大的區域進行局部網格優化。若未達到要求精度，則計算機可自動向滿足精度要求的方向進行網絡改進，所以自適應有限元理論是一種可自動將算法調整以改進求解過程的數值方法。此時，只需要初定義描述問題幾何特性的初始網絡與可接受網的誤差水平，計算機即可自動產生滿足要求的網絡，其分析效率與結果可靠性得以大幅度提高。自適應有限元涉及到的主要技術問題有誤差估計、網格自適應改進以及瞬態問題的時間步長自適應調整等。為解決這些問題，自適應有限元的分析系統應擁有如下基本模塊；①足夠自由與靈活的自適應網格生成模塊，可根據模型的特點進行網格生成，不再局限于單調的劃分方式；②評價有限元模型精度的誤差估計模塊，為評估分析精度提供了依據，是自適應法改進的基礎；③聯系新、舊網格的模型自適應改進模塊，使已劃分的舊網格誤差分布的信息有效反饋給新劃分的網格，使自適應網格得以快速迭代。

2 巖土工程錨固技術分析

巖土工程錨固技術[1]可以有效的解決巖土工程中安全性的問題，巖土錨固技術在的基坑支護和高坡治理等巖土工程中得到了廣泛的應用。巖土錨固技術就是通過錨桿把地層和結構物連接在一起，通過錨桿和地層之間的抗剪強度產生的拉力對地層進行加固，保證巖土體和結構物的牢固穩定。巖土錨固技術可以在地層開挖之后立刻提供支護抗力，對地層的固有強度進行保護，防止地層發生擾動，這樣可以有效的控制地層發生變形，進一步提高了巖土施工的安全性。巖土錨固技術可以改進巖土體的應力效果，保證巖土體受力的穩定性。巖土錨桿技術可以通過巖土體強度和自身的穩定能力，連接地層和結構物形成一個共同的結構體系。巖土錨固技術減少了結構物的體積大小，為工程施工節約了很多的材料成本，并且提高了土地的使用效率。巖土錨固技術由于具有靈活的應用性和快速施工性，不僅有助于對邊坡的預防和治理，而且對出現危害情況的巖土結構也可以進行及時的加固和搶修，可以有效的保護工程施工的安全性。

3 巖體工程自適應錨位技術的有限元理論結構體系設計研究

3.1 自適應有限元理論結構體系設計的必要性分析

在巖體工程的實際施工中，錨固支護結構[2]的設計是保證在巖土體壓力和錨固支護結構橫向支撐力的共同作用下達到力的平衡，通過平衡條件對錨固力的有限元理論進行計算。計算方法簡單而且在巖土工程實際的施工中得到了廣泛的應用。巖土地下工程進行開挖施工的時候，周圍巖土會失去平衡，巖土體內部的應力會再次重新分配形成次應力，巖土的承載力小于次應力那么周圍的巖土體將會被破壞，這是需要對周圍巖土做支護處理。采用自適應錨位技術的支護結構和周圍巖土體形成一個統一的結構，可以保證周圍巖土體的穩定安全。在巖土工程的邊坡支護工程中，在對邊坡進行開挖施工的時候，初始的應力發生了變化不再維持原有的平衡，巖土體內部應力發生重新分布，這樣邊坡地層會發生變形。邊坡在每次開挖施工中都會發生位移矢量，造成邊坡的變形發生。邊坡變形內部因素是應力的變化，造成巖土體松動，降低了巖土體的穩定性，如果不及時的建立支護結構進行保護，那么邊坡土層結構會發生嚴重的破壞。在巖土工程的邊坡開挖施工過程中，根據有限元理論巖土體應力的變化和調整不是在瞬間完成的，要隨著時間的變化來一步一步的進行。對錨固支護單元結構體系進行設計的時候要充分考慮到邊坡在長期的荷載作用下的穩定性因素。

3.2 自適應錨位技術的有限元體系設計研究

自協調結構體系的設計，在有限元結構體系內部要有一定的變形能力，保證單元結構不發生損壞。單元結構體系內部也要有一定的協調能力，在內部可以對多余的荷載進行有效的相互轉移。單元結構體系是由相互獨立的單元結構構成的，在單元結構之間要具備一定的協調能力和變形能力。單元結構發生位移不能對結構體系造成影響，對單元結構體系的設計整體兼顧。單元結構體系的設計主要方法是對結構體系進行重新組建，組建的單元結構要具有一定的位移能力和變形能力，單元結構相互獨立但又構成一個統一整體結構體系。單元結構可以具有大的變形空間，單元結構之間是相互獨立的，但是整體的結構體系是穩定的。

在錨拉構件上安裝自適應自保護塑性變形發生器，錨拉構件在支護力保持不變的條件下，保證具有持續的變形能力，這樣就可以實現單元結構體系自保護的目標。錨固體有限元結構體系設計原則，錨拉構件的張力和設計圖上的受力狀態保持一致，保證錨拉構件具有自我保護和自適應能力，不要因為超載而發生破壞的現象。自適應有限元理論是基于錨拉構件的塑性變形原理的，錨固有限元結構體系可以對分布不均的應力自行調整，這樣實現單元結構體系的受力平衡。單元結構體系的自適應自保護的過程要盡可能的使用錨拉有限元結構的拉力，提高支護結構體系的安全性。巖土工程由于局部作用發生超載的情況，會對傳統的支護結構產生很大的影響，但是對自適應錨位技術的有限元結構體系來說不會造成任何的影響，因為自適應自保護單元結構可以通過塑性變形原理方式把荷載傳遞給其它的單元結構，這樣受力就減小了，保證了結構體系的安全。

4 總結

巖土工程自適應錨位技術的自適應結構體系設計方法，在巖土錨固結構體系中得到很好的應用。自適應錨位技術的自適應結構體系設計可以實現整個結構系統的內力平衡，通過變形作用進行內力的重新分布，實現自適應理論為基礎的，結構體系內力變形的自適應，保證巖土工程施工過程的安全性。