关于岩土工程数值模拟的探讨

柴建峰 朱时杰

(1.国网新源控股有限公司技术中心,北京 100161； 2.中国电建中南勘测设计院有限公司，湖南 长沙 410014)



关于岩土工程数值模拟的探讨

柴建峰1朱时杰2

(1.国网新源控股有限公司技术中心,北京 100161； 2.中国电建中南勘测设计院有限公司，湖南 长沙 410014)

结合工程实例，从精细化过度、塑性区范围不合实际、地质调查和宏观判断等方面，阐述了岩土工程数值模拟中存在的问题，并提出了一些应对策略，有助于提高岩土工程数值分析的效率和可靠性。

岩土工程，数值模拟，地质调查，塑性区

0 引言

数值模拟广泛应用在地质、土建、交通、采矿、水利等行业的咨询设计和科学研究中。

工作至今，作者一直在设计生产单位从事地质工程的设计咨询工作，完成和审查过多个工程项目的数值分析，包括边坡、锚碇、地下厂房和箱桩基础，也定期研读公开发表的科技论文，发现随着各种数值模拟软件新版本的不断推出，其建模和分析功能日益强大，解决了大量工程问题。

但实际工作中发现由于存在人为或客观因素，致使数值分析结果和工程需求有一定的差距。以下主要分析边坡和地下工程咨询审查中遇到的问题。

1 过度精细化，“大而全”，重点反而不突出

精细化的三维仿真模型，在边界条件可控、重点研究区域明确时，不仅能清晰的反映出地质体和构筑物之间的空间关系，还可提高数值模拟结果的可靠性。但当研究对象无显著地质缺陷体时，过度精细化模型是没有必要的。如水电深埋地下厂房，数值分析评价的重点是地下厂房高边墙、底板、大跨度洞顶的稳定和变形。规模较小的施工支洞、交通洞和尾水洞等非安全评价重点，建模时，可以简化或者直接优化掉不建。

项目A：水电站进水口边坡的三维数值分析。由于模型建的太大，超过了分水岭，以至于显示不出来进水口边坡位置，需要局部放大。需要说明的是，分水岭周围无可影响计算结果的地质构造带。

文献[1]探讨了“分割论”和“整体论”在地质灾害防治研究中的应用，分割论的方法就是对研究对象进行分析和分解，化复杂为简单，其工作过程就是将复杂问题尽量分解成为多个相对简单的问题，分开解决。将一个复杂过程“切割”为片段和部分，断开其之间的链条，有利于考察其结果和功能，给整体一个微观和细致的解释。

文献[1]观点也可用于数值分析借鉴，边界条件可控时，将较为复杂的模型根据工程需求分解成几个独立的模型；省去建“大而全”复杂模型。减少建模的难度，提高分析计算之效率，使之针对性更强。

以目前从事的抽水蓄能发电工程为例，地下厂房洞室群构筑物多，主副厂房洞尺寸一般在300 m×50 m×25 m(长×高×宽)，埋深多达500 m，主厂房高边墙和拱顶变形破坏是分析研究的重点。建模难度大，具体分析时，也可以尝试将主厂房从地下硐室群“分割”出来，只建一个精细化的“独立”主厂房模型，尽可能接近地质钻孔和探洞资料，精细化地层及软弱结构面，这样在调整优化支护结构体系时，后处理相当便捷。

如在建的重庆蟠龙抽水蓄能电站，主副厂房埋深500多米，位于砂岩和泥岩互层地区，泥岩软弱，强度低，层面产状近水平，分层厚度在十几厘米到几百厘米之间。设计方案是借用厂房区以外的地质勘探平洞作为加固洞，通过锚索等手段控制顶拱和边墙变形。将“锚固洞—主厂房—锚索”模型从整个地下洞室群“分离”出来，只建一个相对“小”的模型，可能更有利于建模、参数调整和后处理。

又如项目B：“某悬索桥锚碇岩土数值分析”，初步设计阶段笔者曾用FLAC3D建包括钢筋混凝土锚碇和岩土体的三维模型。计算时，先将悬索桥的主缆力分解，施加在锚碇后锚室，根据变形协调，再分析基底岩土体的变形和应力。

由于悬索桥的锚碇体是不规则的钢筋混凝土体，前期建模花费的精力约占整个工作量60%，最终的计算效果也不甚理想。施工图设计阶段，建议业主将其委托具有类似丰富经验的科研单位，专题承担人通过和设计院结构工程师沟通，获得了锚碇基地附加应力值和分布范围，然后将“钢筋混凝土锚碇体”和“岩土体”分离，这样一来，只建了一个简洁、边界条件清晰的岩土体模型，附加应力直接施加在基底岩土体上。所建的模型几何尺寸小、计算边界条件可控，结果可靠，委托方也满意。

2 塑性区范围不合实际

以咨询过的项目C：“某边坡稳定性分析报告”为例，存在塑性区的范围太广、不准确。远离边坡临空面处，也出现了塑性区，和一般认知有差别。计算过程、荷载施加方式及单元划分等引起的塑性区，和真正意义的塑性区有一定的差别，后处理时要加以甄别。

塑性区分布范围过大、分布位置不合理这一现象，在公开发表的科技文献中也常见。如隧道等地下工程，从一些公开发表文献的插图来看，塑性区范围往往也过大，计算软件如何定义塑性区，塑性区代表的工程意义，论文往往也缺少说明和论述。

3 地质调查和宏观判断有待加强

以咨询过的项目D：“某桥位边坡稳定性分析”为例，由某研究所完成，模型接近20万单元，模型几何形态和地形地貌吻合较好，采用“强度折减法”得出稳定系数0.9，但现场考察发现边坡上的水田和果林无变形迹象，坡体稳定，数值计算结果和实际情况相背离。

可见，进行必要的地质调查和宏观判断，方可进行下一步的建模、分析、归纳、评价和预测等工作，否则，即使费时费力进行仿真分析，其成果意义可能不大。

4 其他

热衷于研究岩土体的本构关系，而较少研究取样精度、原位测试和土工试验精度等。

5 结语

1)几何、力学边界条件清晰可控时，建议优化模型的尺寸：能平面解决问题的，可不考虑三维模型；能分割成小模型解决问题的，可不考虑建复杂的大模型；能单面山谷解决问题的，可以不考虑建对称山谷模型。

选用较为贴合实际的本构关系，尽可能和国内岩土工程测试水平相匹配。

2)加强和委托方地质、结构和施工等相关专业工程师的技术沟通，理解设计和施工意图，提高数值分析成果的可利用性。

3)只有在详细的地质调查、分析、概化评价、预测等宏观判断前提下，了解工程意图，数值模拟才有实际意义。

4)熟悉行业规范和相关专业知识，有助于控制模拟成果在可信或可接受的区间之内。通过合理的简化，公式或规范推荐的方法，预估数值分析能达到的效果，做到有的放矢。

[1] 刘传正.地质灾害防治研究的认识论和方法论[J].工程地质学报,2015,23(5):809-820.

Discussion on the use of numerical simulation of geotechnical engineering

Chai Jianfeng1Zhu Shijie2

(1.TechnologyCenter,StateGridXinyuanCompanyLtd,Beijing100161,China; 2.PowerChinaZhongnanEngineeringCorporation,Changsha410014,China)

Combining with the engineering cases, the paper illustrates some problems in the numeric simulation of the geotechnical projects from the excessive refinement, impractical plastic scopes, geological investigation and massive judgment, and points out some strategies, so as to enhance the efficiency and reliability of the numeric analysis of the geotechnical projects.

geotechnical project, numeric simulation, geological investigation, plastic area

1009-6825(2016)24-0053-02

2016-06-15

柴建峰(1977- )，男，博士，高级工程师，注册岩土工程师

TU458.4

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