（工程力学专业论文）高切坡锚固岩体施工力学研究及稳定性分析.pdf

中文摘要 摘要 随着经济建设的日益发展，在工业与民用建筑等工程中出现越来越多的高边 坡，尤其是在山地城市基础设施建设中，房屋和道路大多数建在边坡的上面或下 面，边坡工程的成败往往直接影响城市建设的成败。对其进行稳定性分析并及时 进行防护，对于缩短工期、节省投资、保护环境等都十分重要。这必然对边坡工 程的设计和施工技术提出更高的要求，形成了与工程建设密切相关的新的工程力 学学科分支一施工力学。 目前边坡工程设计方法是以一次性开挖支护后支护结构所承受的荷载为依 据，在计算中通常采用静力平衡法，并在计算过程中做了很多假设，而这种作法 一般都不能真正反映工程实际。为保证安全起见，在计算过程中往往人为地随意 确定计算参数，这更进一步增加了设计的盲目性与不科学性。过去的开挖计算以 及现行的边坡支护设计规范都简化了开挖过程的相关性，仅进行一次开挖平面有 限元分析，这显然与实际工程情况不相符合。 本文通过对施工力学的基本理论与分析方法的系统分析与介绍，首次将施工 力学的基本理论与计算方法引入到边坡工程的设计分析中，讨论了在不同开挖及 支护情况下边坡坡体的受力与变形特性。考虑到边坡开挖的实际施工情况，应当 进行边坡开挖的非线性时变计算分析。 通过工程实例分析得出分步开挖支护与一次开挖支护设计方法具有显著差 异。本文采用增量法和时间冻结法，并利用a n s y s 有限元程序来对边坡开挖支护 施工过程进行模拟分析，理论与实例分析结果表明：切坡开挖施工过程是一个时 问和空间不断变化的过程，边坡开挖的最终受力状态不是唯一的，而是与开挖过 程密切相关的，也即应力路径与应力历史相关。本文将边坡开挖施工过程从开放 和动态的角度进行研究，突破了传统固体力学研究的局限。 采用施工力学方法进行分析是非常必要的，它对于改善支护结构的受力状态， 保障经济、安全的进行施工都具有可观的应用价值。本文所做的工作为边坡工程 设计从一次设计过渡到施工期分段设计奠定了一定的理论与实践基础。 关键词：时变力学，施工力学，边坡工程，锚固岩体，切坡开挖，稳定性分析 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，m o r ea n dm o r eh i g hs l o p ea p p e a ri n i n d u s t r ya n dc i v i lc o n s t r u c t i o n ，e s p e c i a l l yi nb a s i ce s t a b l i s h m e n t b u i l d i n ga n dr o a da r e c o n s t r u c t e da b o v eo rb e n e a t ht h es l o p e ，s ot h es l o p ee n g i n e e r i n ga f f e c td i r e c t l yt h ec i t y e s t a b l i s h m e n t i ti sv e r yi m p o r t a n tt h a ta n a l y z i n gt h es l o p es t a b i l i t yi nt i m e ，w h i c hc a n s h o r t e nt i m el i m i tf o rap r o j e c ta n df o rt h eh i g hs l o p ed e s i g nt h e r e f o r ec o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g ym u s tb ep u tf o r w a r d ，a n da c c o r d i n g l yf o r mah e wb r a n c ho fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c st h a t t i g h tc o r r e l a t i o nt ot h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n - - c o n s t r u c t i o n m e c h a n i c s n o wt h ed e s i g no fs l o p ee n g i n e e r i n gi sb a s e do nt h el o a do fo n e o f fe x c a v a t i o n b e c a u s eo fe m p l o y i n gs t a t i ce q u a t i o nm e t h o da n dt o om u c hh y p o t h e s i si nt h e c o m p u t i n g ，t h er e s u l to fc o m p u t i n gc a n n o tm e e tt h er e a l i t yo fe n g i n e e r i n g f o rt h es a k e o fs a f e t y , p e o p l eo f t e nd e t e r m i n ep a r a m e t e ra tw i l l ，w h i c ha g g r a v a t eb l i n d n e s sa n d n o n s c i e n c eo fd e s i g n p a s te x c a v a t i o nc o m p u t i n ga n dp r e s e n td e s i g nc r i t e r i o nb o t h p r e d i g e s tt h ep e r t i n e n c eo ft h ec o u r s eo fe x c a v a t i o n ，i n s t e a do n l ya n a l y z eo n e - o f f e x c a v a t i o ni n u s i n gf e m ，w h i c ha p p a r e n t l yc a n n o tc o r r e s p o n dt ot h er e a l i t yo f e n g i n e e r i n g ， i nt h i sp a p e rc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c si si n 订o d u c e da n da n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y , a n df i r s tt i m es l n nu pt h et h e o r ya n dc o m p u t eo fc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c sf o rt h ed e s i g n o fs l o p ee n g i n e e f i n g ，a n dd i s c u s st h ef o r c ea n dd e f o r mo ft h es l o p ei nd i f f e r e n t e x c a v a t e da n da n c h o r e dc o n d i t i o n c o n s i d e r i n gd i f f e r e n tc o n d i t i o n ，w es h o u l da n a l y z ei t a c c o r d i n g t ot i m e v a r i a t i o na n dn o n - l i n e a ro f t h em a t e r i a l w eg e tt h en o t a b l ed i f f e r e n c eb e t w e e ns t e pe x c a v a t i o n - - a n c h o ra n do n e o f f e x c a v a t i o n a n c h o rt h r o u g hp r o j e c ta n a l y z e d t h i sp a p e ra d o p tt h em e t h o do fi n c r e m e n t a n dt i m e 一行o z e n ，a n du s ea n s y sf e mp r o g r a mt os i m u l a t et h ec o u r s eo f e x c a v a t i o n - a n c h o rf o rs l o p ee n g i n e e r i n g t h er e s u l to fa n a l y s i si n d i c a t et h a tt h e e x c a v a t i o ni st h ei n c e s s a n tc o u r s ei nt h et i m ea n dt h es p a c e ，s oi t ss t a t ei sn o to n l yo n e ， b u tt i g h t l yp e r t i n e n tt ot h ec o u r s eo fe x c a v a t i o n ；t h a ti s ，t ot h es t r e s sp a t ha n ds t r e s s h i s t o r y t h i sp a p e rr e s e a r c ht h ec o u r s eo fs l o p ec o n s t r u c t i o ns t a n d i n ga tt h eo p e na n d d y n a m i cp o i n t ，s ot h em e t h o do fc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c sb r e a kt h r o u g ht h el i m i to ft h e t r a d i t i o n a ls o l i dm e c h a n i c s i ti si m p e r a t i v et h a tu s et h em e t h o do fc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c st oa n a l y z et h es l o p e 重庆大学硕士学位论文 e n g i n e e r i n g w h i c hh a v ec o n s i d e r a b l ev a l u ef o ri m p r o v i n gt h ef o r c eo fs 虹u c t i l r ea n d c o n s t r u c te c o n o m i c a l l ya n ds a f e l y t h ep r o d u c t i o no f t h i sp a p e ro f f e r st h eb a s eo f t h e o r y a n d p r a c t i c ef r o mo n e o f f d e s i g nt os t e p d e s i g nt os o m ee x t e n t k e y w o r d s ：t i m e v a r i a t i o nm e c h a n i c s ，c o n s t r u c t i o nm e c h a n i c s ，s l o p ee n g i n e e r i n g ， r o c k - n a i l e d ，s l o p ee x c a v a t i o n ，s t a b i l i t ya n a l y s i s 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 近年来，随着经济建设的日益发展，在水利水电工程、铁路、公路、山区工 业与民用建筑等工程中出现越来越多的陡高边坡，对其进行稳定性分析并及时进 行防护，对于缩短工期、节省投资、保护环境等都十分重要。在自然岩石边坡条 件下，修筑水坝、工业厂房等规模较大的工程，由于大量开挖，很容易形成高切 坡，切割的节理裂隙多，岩体的稳定性问题很突出。高切坡工程涉及岩土、地质、 结构、力学、环境等学科，它对科研和工程技术人员提出了更高的要求，要求我 们创造出更加安全、经济的建筑产品，更好地体现二者的完美结合。 边坡工程所涉及的领域要比地基工程或地下硐室工程涉及的领域广而深【l j 。它 是一个开放的系统，它既有有限变形问题又有无限变形问题，有瞬时变形问题又 有长时变形问题，随着人口的急速增长和土地资源的过度开发，边坡问题已经变 成同地震和火山相并列的全球性三大地质灾害之一。我国是滑坡泥石流多发国家， 根据近1 0 年来泥石流、滑坡造成的经济损失达2 5 4 0 亿元，每年有5 0 0 1 0 0 0 人丧生 ”。滑坡虽然属于一种地质灾害，但也有不少滑坡，是由于人类的工程活动 而造成的。由于设计、施工以及使用不当，都有可能造成人为滑坡。许多大型滑 坡的滑动原因中，人为活动占有很大比例。如湖北省秭归县链子崖滑坡( 崩塌体) ， 重庆市巫l j 县望霞乡桐心村滑坡，都与无序采煤有重大关联【2j 。 重庆是我国最大的山城，在自然、地质和工程建设的影响作用下，市区内危 岩陡坡遍布，其数量之多，范围之广，危害之大，在全国7 0 座地质灾害比较严重 的城市中位居首位。根据重庆市1 9 9 2 年的统计资料显示口 ，以市中区为中心的 2 0 0 k i n 2 范围内发生地质灾害3 0 0 余处，其中滑坡1 3 0 余处、崩塌6 0 余处、危岩 8 0 余处、变形体5 0 0 余处，几年来因地质灾害造成的直接经济损失1 9 亿元。重庆 市又是我国西南地区最大的工商业城市，厂店林立，人口众多，高层建筑和公路 交通建设发展迅速。由于受地形地质条件限制，大部分高层建筑和交通线路均沿 江沿坡、在杂填土及风化岩层中修筑，地基和边坡稳固性问题十分突出。由于位 于长江、嘉陵江两江交汇处，城市内高楼林立、人均生活空间相对狭小，市区内 工程地质条件复杂且恶劣，可利用的建筑用地相对较少。由于西部开发建设的发 展，近几年城市建设和基础设施建设工程量的迅速增加，建筑施工中的事故也不 断增加。而边坡工程的数量也越来越多，规模越来越大，难度越来越高。特别是在三 峡工程中，边坡工程已经成为难度最大、风险最高的建设项目之一，在总体投资中 占的比重也非常大。在一些移民迁建城市中( 例如巫山、奉节等县) ，基础工程和 重庆大学硕士学位论文 边坡工程的投资已经占建筑工程的三分之一左右。在这些山区城市中，房屋和道 路大多数建在边坡的上面或下面，边坡工程的成败往往直接影响城市建设的成败。 另外，由于城市建设出现的高切坡，滑坡、泥石流等地质灾害时有发生。在三峡 库区，地质条件更为复杂，是岩崩和滑坡的高发地区。如图1 1 所示的滑坡就是因 为施工期扰动造成的。因此，针对重庆地区的高切坡工程的研究具有一定的代表 性。 图1 1 重庆市涪陵董家湾滑坡 f i g u r e l 1d o n g j i a w a ns l o p eg l i d i n gi nf u l i n gd i s t r i c to fc h o n g q i n g 城市建设的发展，带动了边坡工程的发展，目前在山区城市，边坡工程建设 项目的数量和规模迅速增大，施工期存在的潜在问题也就越来越突出。据全国1 9 8 5 年到1 9 9 5 年中3 5 7 起倒塌事故统计，有7 8 是在施工中发生【4 j ，其中由于设计中 未考虑施工过程中诸多因素或对施工过程中复杂与突发情况进行应有受力分析占 到相当大比例。除了边坡工程本身地质条件复杂外，不同的施工方法对边坡的稳 定性也产生很大的影响，这些因素是引起支护失效的主要原因之一，因而边坡工 程施工中发生事故的比例不低于上述数字。众所周知，现行设计规范是以竣工后 结构物承受的荷载为依据。而不完整结构是承受不断变化的旌工荷载的受力过程， 显然设计规范没有考虑这个受力过程中的实际情况，这是工程事故发生的主要人 为因素之一。 总之，随着城市建设的进一步发展，必然对边坡工程的设计与施工技术提出 更高的要求。而现行边坡工程的设计方法仍然停留在传统的施工设计分析方法之 上，不能满足工程发展的要求，问题可能出现在以下几个方面：由于边坡工程的 复杂性，依靠任何单一公式都难以准确预测边坡施工的环境影响；目前设计是最 终受力状态设计，并没有考虑施工时的阶段性，但施工过程中确实存在一些不确 定的因素，包括开挖方式，结构形成方式等。这些因素的存在可能使施工期的结 构稳定成为工程设计的主要问题；设计时增加安全系数的方法不能科学的保证结 2 构在施工期的安全，并可能造成不必要的浪费；施工工程师对施工中出现的问题 大都依靠工程经验进行判断处理，缺乏科学的定量分析，很难保证施工期结构的 安全和不浪费。在旖工阶段进行适当的现场监测和反馈分析，及时修改设计，调 整施工方法和采取合理的施工控制措施，这种动态设计方法在近几年已有应用， 虽然在保证工程安全，节约造价，方便施工，缩短工期等方面有所提高，但以整 体设计的角度看，还是一种被动设计方法。以上诸因素是边坡工程出现事故的主 要原因。因此，将施工力学理论引入到边坡工程设计中并加以改进后进行工程应 用才能使边坡工程的设计水平真正有所提高。 1 2 施工力学基本研究问题及其工程应用 工程安全是工程界永恒的课题。工程与科学技术的发展在二十世纪已基本解 决了工程结构物本身分析的有关方法与技术，并相对成熟，大多列入了工程设计 规范。众所周知，这种分析均基于设计图纸上完整( 竣工后) 结构物承受设计( 使 用) 荷载为依据，而由于工程规模日益扩大、重大工程建设有一个漫长的施工过 程，且施工过程日趋复杂、情况多变，这期间有一个逐步变化( 包括几何形状与 物理特性) 的不完整结构( 承受能力未达设计标准) 承受不断变化施工荷载与突 发荷载受力过程。这种随时间变异的结构与工程的分析随工程规模日益扩大将日 显重要，这就是施工力学所面临的问题。 1 2 1 施工力学所研究的基本问题【4 j 在施工荷载作用下时变结构的内力重分配与时空最大值确定 结构与工程的施工力学分析与传统的工程设计计算不同之处主要有两方面， 一是由于分析对象随时间不断变化( 包括几何参数及边界) ；“二是作用的不是使用 ( 设计) 载荷，而是在施工过程中产生的施工荷载。旋工荷载主要包括结构自重、 施工材料与设备荷重、作业面上起重机、开挖力、打桩力以及装配内力与混凝土 徐变次内力。这种旎工荷载特点是其大小与位置是随时间( 施工过程) 发生变化， 有的还是随机，具有不确定性的( 如构件吊装，施工设备的堆放等) ，因此必须考 虑可能变化的范围与规律。随时间变化的结构承受随时问变异的荷载分析，对工 程设计来说，比常规确定结构承受特定荷载分析复杂，不但整个结构内力分布随 施工过程不断重分配，而且每个构件的设计内力要按自身变化过程中最大值为依 据，而其最大值发生时刻对整个系统中每个构件来说又是不一样的。这样按施工 力学分析进行设计计算结果不但数值上与常规的一次性设计计算不同，而且最大 内力分配及设计控制断面与结构布置也有较大差异。 施工中不完整结构与工程的安全度分析 根据大量工程事故分析，大多是发生在施工过程中，而不是己竣工和正使用 重庆大学硕士学位论文 的结构或工程。因此这提醒人们，施工结构的安全度分析十分重要。这是由于一 则结构未曾完工，整体承载能力尚未达到设计水平：- - n 是在麓工过程中可能发 生突加灾害性荷载，其中包括自然灾害( 地震、暴风雨等) 、突发事件( 塌落、断 裂、撞击等) 与工程环境( 开挖、打桩、沉降等) 因素。这种动态、随机与多重 特性往往给旋工结构可靠性分析增加难度。 材料的刚度、强度随时间变异的结构分析及其对结构设计的影响 施工中有些建筑材料( 如混凝土) ，其刚度与强度随浇筑龄期发生变化，属于 物性随时问变异的系统。由于目前对施工工期的要求不断提高，在浇筑下一段结 构时，前一段结构材料强度与刚度远尚未达标。在岩土工程中还存在施工期间施 工用水、爆破振动等对岩土体物理力学参数的暂时或永久的弱化问题。因此在施 工过程中形成了由不同刚度、强度等物理特性不断变化的材料组合成的结构，其 结构分析，即使结构形状及施工荷载不发生变化也是一类特殊力学分析问题。对 超静定结构，其内力将随时间不断发生重分配，直到稳定。这在力学上属于变刚 度结构分析，当然强度随时间变化还会影响强度设计计算。 地下与地基工程开挖过程中地应力扰动与地面沉降规律研究 这是一个施工力学特殊问题。各类地下及地基工程施工过程中，由于对岩土 介质空间的开挖，相对于原始半空间平衡状态，相当于在开挖边缘施加一与地应 力状态相抵的释放荷载( 应力释放) ，这一载荷决定地下空间开挖边缘的地面沉降， 是地下及地基工程设计计算重要指标。但一般设计计算中，所取释放载荷相应的 当地应力状态取为完整半空间中地应力状态，这相当于认为整个地下空间边缘是 同时形成的。当然实际上，地下空间开挖有个施工过程，第一步开挖造成的地应 力扰动，会影响第二步释放载荷取值，不再相应于整半空间中的应力状态，同样 再下一步释放载荷取值，要取决于前几步开挖对地应力扰动而形成的新的地应力 状态。这样释放载荷取值每一步都在变化，而且与施工路线及地下空间形状变化 过程有关，这需要详加研究。 施工过程对已建构筑物影响、危害及防治的机理与定量研究 各类大型土木工程施工，包括打桩、高边坡的切坡、基坑开挖、地铁与地下 隧道的顶管与盾构施工、地下空间结构与地上大型构筑物建造均会对周围己建构 筑物及地下设施产生影响与危害。主要包括施工引起的地基变形、地面沉降与坑 底回弹、降水与次固结沉降、边坡的滑坡与崩塌等，这是一个施工过程的力学影 响场分析问题。目前对于施工危害的防治也积累不少经验与办法( 如跟踪注浆) ， 但尚缺乏对防治措施的机理研究，这将涉及包括施工源、影响场及防治机构的系 统力学分析，只有通过分析才能提供可靠的科学依据。 与这一问题相关联的是保证地上与地下建筑物与构筑物安全的地面与地基变 4 l 绪论 形的定量标准，这在力学上是一个反演问题，即由构筑物的安全控制反推地面变 形或地下构筑物周围变形的允许值，为安全施工提出可靠、科学的综合定量的力 学指标( 包括控制量与控制值) ，当然该问题的研究与解决具有相当难度。与这一 问题相关的还有施工速度、作业方式、施工流程等对周围环境影响的研究。这方 面往往不需要通过外加防治措施与经费，也可取得相当好的效果，当然这仍然需 要进行相应施工力学研究。 施工过程对环境及周围构筑物的影响与危害分析及其预测利防治是构成施工 力学的另一个重要方面。这一方面的研究也由于工程规模日益扩大而引起工程界 广泛关注。诸如打桩、深大基坑开挖。旧居民区内工程建设以及地铁、地下隧道 的开挖与旋工，将严重影响到地面沉降、塌陷、隆起，基坑边坡失稳，道路路面 破损，地下管道破坏以及已建房屋特别是危房的损坏。这些现象已屡见不鲜，并 将日益严重，成为现代城市施工中一项受到严重关注并亟待解决的问题。这些问 题的深入研究及全面解决急需施工力学的理论与方法指导。 施工过程中不同时段非稳定粘性应力场时效叠加效应 各类岩土工程( 包括地下、地基、边坡工程) 施工对象是岩土介质，对于大 部分岩土介质或多或少其本构关系具有与时问有关的流变特性，在力学上用粘性 ( 包括粘弹性、粘塑性、蠕变、松弛、流动等) 来描述。粘性材料重要特性是时 效，即变形状态在恒定对象与载荷下随时间发生变化，这就形成新的施工力学分 析。结构与工程在施工过程中，几何形状及荷载作用面不断发生变化，因此某一 时刻某点的变形状态应是以前不同状态应变场不同时间间隔产生时效叠加结果， 而不是象一般粘性分析中单一固定状态( 如竣工状态) 的简单时效，因此施工力 学中时效( 粘性) 分析将要复杂得多，而且不同施工路线，即使是同一最后状态 ( 包括结构与工程形状) ，其造成的应变场是不一样的，即由于同时考虑粘性与施 工两个因素，其应变、应力场结果不是单一的，这属于施工力学的“时效”。当然结 构材料( 包括混凝土、木材) 也有一定粘性，只是程度上有所差别。 大体积混凝土结构浇筑过程中产生不定常温度场与热应力场分段累加的时 空分布 混凝土浇筑过程中除刚度、强度随时间变化外，还产生热效应。对于大体积 混凝土结构，其浇筑是分段进行的，前段热效应未达平衡，即浇筑下一段，会产 生不同起始时段、不同热源、对不同体积域传播累加效应，而且每段浇筑的热效 应是在逐步扩大传播域( 变域) 中传导，因此施工中热传导分析有其不同特点与 复杂性。显然不同的浇筑路线，即使是同一最后状态( 包括结构与工程形状) ，其 造成的温度场、热应力场结果不是单一的，这属于施工力学的“时效”的另一方面。 结构与工程介质材料非线性引起施工路径效应 重庆大学硕士学位论文 大部分土木施工对象( 包括岩土介质、混凝土等) 材料均具有本构关系的非 线性特性，即材料刚度不是恒值而与当时应力( 应变) 状态有关，因此不同施工 路线，造成某点应力路径不同，故其瞬态刚度路径不同，因而其最终应力、应变 值是不一样的。因此非线性施工力学分析的结果不但取决于加载过程，还取决于 分析对象形状变化过程。显然不同施工路线，即使是同一最后状态，但其造成的 应力、应变场是不一样的，即由于同时考虑非线性与施工两个因素，其应力、应 变场不是单一的，这属于施工力学的“路效”。应指出，施工中其它非线性，如几何 非线性也同样具有“路效”，只是对土木施工问题，这些方面影响不大。 施工流程与方式的优化理论与方法 从上面施工力学研究内容可以看出，施工过程的力学分析结果不但和最后竣 工对象本身有关，而且和施工作业路线( 流程) 有密切的关系，选择适当的施工 流程不但会减少施工结构与工程的内力与变形，提高安全度，而且会降低对周围 环境的影响，这就存在一个施工流程与方式的优化问题。施工力学中优化问题， 往往不是优化参数与形状，而是优化路线，这在优化领域内是一个新课题；何况 优化模型的建立涉及整个施工力学分析过程，有许多环节尚待研究与探讨；与其 相应的优化方法也必须采用新的技术。施工力学中优化理论与方法和常规完整( 竣 工) 结构或工程优化有许多不同，需要专门研究和解决，主要前者的设计形状与 参数是固定的，变化的是过程；而后者设计的形状与参数是可变的，而过程是不 考虑的。 旧构筑物拆迁过程的受力分析与施工原则 施工力学是一个力学过程分析。与其类似，但过程相反的则是房屋与构筑物 拆迁的受力分析。这可以看成是一个施工力学的反分析过程，如只考虑施工因素， 则因施工产生的荷载减少而引起的应力场和应变场的变化。拆迁的力学分析中， 存在许多问题在力学本质上与施工力学类似，但由于结构材料特性、施工作业方 式与方法不同，也有特殊问题需要专门加以研究，特别是在施工力学理论与实践 指导下提出系统、实用旧构筑物拆迁施工原则。 1 2 2 施工力学的工程应用 综上所述，工程建设发展提出一个设计中不但要考虑我们需要设计与建造的 工程结构物本身，同时也涉及其施工与形成过程中，不同阶段中间产物及其动态 与相互影响的问题，因此施工过程中结构物及工程介质的分析形成了与工程建设 密切相关的新的工程力学学科分支施工力学。 旋工力学是工程力学与土木工程等工程学科结合的产物，将涉及固体力学、 结构力学。岩土力学、流体力学、计算力学以及结构工程、基础工程、地下工程、 水工工程、海洋工程、道桥工程、环境工程、系统工程等多门学科，其研究成果 i 绪论 被广泛应用于土木工程的众多领域。这需要基础科学与工程科学密切配合与交叉、 渗透。施工力学是强调过程的力学，在理论研究上属学科前沿，在应用上与国民 经济密切相关，是工程技术发展亟待解决，体现科技与经济相结合的一个重要研 究课题，其成果将会对全国工程建设以及二十一世纪发展产生广泛、深远影响。 1 3 边坡工程施工力学理论基础及其国内外研究现状 1 3 1 时变力学与施工力学的基本思想与分析方法 时变力学与施工力学的概念 人们对于工程结构有一个很高的愿望，那就是希望所建造的建筑物和构筑物 有很高的自适应或自控能力，能随着环境和使用功能的变化而自动的改变本身的 形状和性能以适应环境干扰的变化和新的使用要求。随着科学技术的飞速进步， 这个愿望最终可能会实现的。传统上，结构力学分析的是给定的、己知的、不变 的结构。结构所受的荷载也是己知的：静荷载不随时间改变，动荷载随时间按已 知的规律( 包括随机) 变化。但是，随着人类活动的需要和科学的发展，己经产 生了研究自身随时问改变的结构的必要性。这种结构可统称为“时变结构”。近代科 学技术的迅速发展要求研究内部参数随时间变异的物体的力学现象，形成一门崭 新的学科分支时变力学 6 】。因此，时变力学是研究对象的几何、物理、质量与 边界等参数随时间发生变异的力学。近代有许多工程与科技课题与此有关，成为 这些领域的新的基础理论之一。时变力学的研究在学术与学科发展上有着十分重 要意义，是现代力学发展重要组成部分和新的生长点。经典的力学学科分支基于 恒定的研究对象，而时变力学将从研究对象“时变”角度，从另一个新的起点研究力 学的各个分支，建立相应基本理论，探索新的规律与现象，将会在很大程度上推 动与促进古老的力学学科发展，给各分支学科赋予新的研究思路与众多研究课题。 时变力学按照结构变化的速率分为快速时变力学、慢速时变力学、超慢速时 变力学三种情况。快速时变力学是指结构在工作过程中迅速改变自身形状或某些 重要参数而形成快速时变结构，这种结构的工作经常伴随着剧烈的振动，因而又 可称之为时变结构动力学。慢速时变力学是指结构随时间缓慢改变自身的形状和 参数，最典型的慢速时变力学是研究结构在施工过程中的力学表现，也就是施工 力学。施工过程中结构从无到有，经历了很大的变化，但变化速度较慢，因而施 工力学可以看成是慢速时变力学问题在施工过程中的表现。超慢速时变力学是指 工程结构建成以后，结构本身随着时间推移在长期服役期中发生极其缓慢的变化， 它涉及时变可靠性理论和维修决策理论的内容 ”。最典型的慢速时变结构力学问题 就是研究结构在施工过程中的力学表现，也就是旌工力学所要研究的问题。在施 工过程中结构从无到有，从基础施工到结构建成，经历了巨大的变化，但变化速 重庆大学硕士学位论文 度较慢，可以采用时间冻结法处理：决定需要进行力学分析的若干最不利的工作 状态；决定各个最不利工作状态的荷载组合；决定在结构强度、刚度和稳定性校 核中的安全系数。施工力学分析有着一系列与经典力学分析不同特点，归结起来， 其与传统力学分析最大差异在于分析对象的几何、物理、边界等特性随时间变化， 是时间函数，因此施工力学在学科上属于时变力学范畴。土木工程中的施工力学 是由施工过程引起研究对象( 包括结构物、地基、围岩等) 分析必须考虑形状变 异与时效、非线性、物性变化、被动荷载的耦合引起特殊效应，这些都是时变力 学研究课题，也必将会促进时变力学学科本身的发展。 时变力学分析的一般性规律【6 】 近百年的探索和近十年发展表明，虽然时变力学研究在各方面均远未达到经 典力学水平，但该学科分支目前已经取得了若干一般性规律和成果，归纳为： i ) 线弹性、物性、边界( 及其耦合) 时变力学问题解可应用原经典力学方法 对时变每个时刻进行常规分析再简单集合即为时变力学时空解。 2 ) 非定常( 粘性、热弹性、渗流、固结等) 及动力学( 计入惯性项) 时变问 题，由于其控制方程中变量对时间导数项与几何、物性、边界时变项耦联将给出 与经典力学完全不一样结果，这即为时变力学的“时效”。 3 ) 非线性( 包括物理、几何、边界、耦合非线性等) 时变问题，由于其系统 刚度与应力一应变变化路径有关，故几何、物性、边界时变过程将会直接影响应 力一应变路径，从而导致不同力学状态结果，这即为时变力学的“路效”。 4 ) 对于工程中时变力学( 如施工分析、工艺分析、时变机械分析等) ，若具 有非定常、非线性、动力学因素，则必须研究与采用时变力学方法进行分析、设 计，否则仍按常规经典力学方法和结果，将会导致几成乃至数倍差异。工程部门 应采取措施，加强研究，建立起一套本部门反映时变力学成果的工程设计计算方 法体系。可以预见，时变力学作为新的力学学科分支的基础研究将会在工程界产 生广泛与长远影响。 时变力学的求解方法 时变力学的求解方法可以分为解析法和数值法两种。时变力学纯解析解归结 为求解变系数( 边界) 常( 偏) 微分方程( 组) ，因此数学上有相当难度，只有在 应用数学上存在相应解法，才能给出解析解。数学上这类问题的解是十分个别与 有限的，如1 9 6 8 年b r o w n e8 求解了连续填土作用下涵洞应力状态，类似的特殊问 题解析解还有一些p j 。 数值法是求解时变力学问题最为有效的方法，由于有限单元法的发展以及计 算机的普及这一方法得到了更为广泛的应用。时变力学数值方法基本原理与经典 的非时变力学数值解法原则上基本一致，但对于非定常及动力学问题，在时域离 1 绪论 散积分时每一时步的运算矩阵因几何、物性、边界随时间变异而引起其中各个分 量的变化；对于非线性问题，每一计算时步的刚度矩阵形成除了考虑载荷增量引 起力学( 应力、应变、位移) 状态变化外同时还要计入因几何、物性、边界随时 间变异而引起力学状态变化。 时变力学与施工力学的共同理论基础是时变数学，由于研究对象随时间变异， 因此其控制方程往往是变系数( 常、偏) 微分方程( 组) 或时变边值条件，这类 方程及其求解比同问题非时变方程复杂得多，对于最简单一维连续体，其时变力 学方程中也有多个变量，要求求解变系数数理方程，而这一般需应用特殊函数方 法分析。 由于时变方程的解析求解困难，目前大都采用数值方法处理。计算时变力学 的重要特点在于通过数值化后建立的离散化的方程组中刚阵、质量阵、阻尼阵及 热刚阵等运算矩阵中的元素为时间函数，这在其它计算力学问题中是未遇到过的， 这就产生时域数值积分的稳定性与收敛性研究 9 1 ”。 1 3 2 时变力学与施工力学的研究及其发展与应用现状 时变力学与施工力学研究的发展历程 时变力学的思想最早由m e s h e r s k i i ( 1 8 9 7 ) 1 3 1 提出，将时变力学应用与刚体的 研究。s o u t h w e l l ( 1 9 4 1 ) 1 4 1 对被铁丝缠绕的厚壁圆筒时变机理进行了研究。b r o w n 和g o o d m a n ( 1 9 6 6 ) f 1 5 等提出经典固体力学中应力协调方程在时变问题中不再满 足，为时变力学增率型基本方程的建立奠定了基础。k h a r l a t ( 1 9 6 6 ) 【l6 j 之后又指出 粘弹性时变体中应变协调方程同样存在不协调性。上个世纪7 0 年代8 0 年代， a r u t y u n y a n t ”。8 等对时变体的变化过程、力学机理及增率型基本方程进行较为深入 的探讨。直到8 0 年代末9 0 年代初，时变力学才引起较多学者的重视和探讨，建 立了时变力学的基本框架，这反映在1 9 9 4 年的综述文章 9 j 。1 9 9 9 年文献 2 0 1 较为 系统地阐述了时变力学的状态型基本方程。在总结前人经验的基础上，姚金星 2 ”、 曹志远 4 , 8 1 、王光远( 7 1 等在近几年对施工力学与时变力学理论及其应用作出了较为 全面的阐述，指出了理论研究方向和应用前景，为在各个领域的进一步研究打下 了坚实的基础。 人们最初是应用解析法来研究时变体的力学行为的，最早是由r a s h b a ( 1 9 5 3 ) 2 2 1 给出过一个考虑重力作用的增长楔形体的应力解。尤其在最近几年，对时变力 学解析解的研究得到了较大的发展，如郭院成等 2 3 】对排桩预应力支护结构中锚筋 预应力进行了施工力学分析，建立了锚杆预应力施工力学计算模型。曹志远 2 4 , 2 5 1 等建立种粘弹性时变力学的一般性解法、时变力学的l e g e n d r e 级数解，建立了 粘弹性时变力学的基本方程和时变动力学状态方程并给出其解的统一表达式。梁 岗【26 求解了自重作用下矩形平面向上增长的粘弹性时变力学解，为施工力学在高 重庆大学硕士学位论文 层建筑施工中的研究和应用奠定了的基础。赵启林 2 7 j 等将神经算法应用于旋工力 学的研究中，克服了整体刚度矩阵易产生病态的问题。目前的解析解多数局限于 个别问题，应当加强这方面的研究，以便充实和深化施工力学和时变力学理论， 使其能够更好地应用于工程实践。 考虑到在实际工程中应用解析法求解时变力学与施工力学问题难度较大，目 前大都采用数值法进行分析。早在1 9 7 2 年，w i t t k e t 2 8 针对地下隧道施工步骤的影 响及模拟开挖步骤提出了开挖步骤的概念，后来在地下工程及隧道工程等做了有 限元方面的研究【2 。近年来，我国学者也加强了这方面的研究，如曹志远 3 0 1 着重 研究了因几何、物性、边界、随时间变异而引起力学状态的非线性问题。段文峰【3 1 则对岩土工程施工力学问题的数值模拟方法进行了较为全面的探讨。另外，应用 数值方法对时变力学与施工力学在太跨度拱桥麓工稳定性分析1 3 2 、高层建筑结构 施工过程分析、大型沉井结构施工过程的力学分析、软弱围岩隧洞施工1 3 5 】、 岩体初始地应力场对地下洞室围岩的影响 36 等方面都得到了很好的应用。考虑到 用纯数值法求解大型复杂的工程项目，势必占用大量的内存，求解速度有所降低， 曾小清 37 等将解析法和数值法结合起来求解隧道施工开挖过程的力学分析，减少 了计算工作量，提高了求解速度，这种方法很值得在工程界的其他领域推广和应 用。 时变力学与施工力学的研究与应用现状 直到8 0 年代末9 0 年代初，时变力学才引起较多学者的重视和探讨，建立了 时变力学的基本框架。时变力学是研究物体几何、物理性质、边界特性等随时间 发生变异的力学。因为它能很好的解释很多力学现象，所以引起广大学者的重视， 并得到了快速发展，形成了力学的一个新的分支，成为研究前沿的课题。对于岩 体施工力学，它是基于时变力学思想基础之上的。近年来，施工力学在岩土工程 中的研究和应用取得了定的进展，尤其时在地下洞室、公路及地铁隧道、深基 坑支护施工中得到了深入的研究和应用3 5 4 ”。如梁岗等h 0 1 将时变力学应用于基坑 开挖过程的分析，建立了基坑开挖问题的基本方程，并用有限元法进行了基坑三 维开挖时变计算分析，得出基坑施工开挖过程中存在过程相关性和空间相关性。 孙钧等 37 】将时变力学应用于隧道工程施工过程中的力学分析。文献 1 0 阐述了岩体 动态施工力学基本原理，并提出智能优化分析的思想，为施工力学在岩土工程中 的应用奠定了坚实的基础。李术才等 4 u 用将人工智能语言与有限元程序结合起来 的智能化系统，对小浪底水利工程地下厂房洞室群施工顺序做了优化分析，得到 了多种优化方案，具有实际工程应用价值。总之，岩土工程方面目前的研究成果 主要体现在地下硐室工程中的应用，并且正在不断地进行更为深入的研究。而在 边坡工程方面的研究不是很多，所以很有研究的必要。而国内外学者将时变力学 1 0 l 绪论 引入、应用、发展，取得了很好的成果，为进一步研究打下了基础。 时变力学与施工力学在边坡工程中的研究现状 边坡工程从形成方面分为两类：一类是天然的边坡；一类是人工开挖边坡。 前者的时变效应主要反映在支护过程中哪个部位先实施，哪个部位后支护的问题 上，特别是预应力支护时，不同支护顺序效果不同。后者的时变效应除了支护顺 序外，支护结果受边坡开挖方案的影响很大。本论文主要研究后者的簏工力学问 题。传统的边坡设计方法实际上是静力学分析方法( 地震、动力作用情况下除外) ， 认为岩体参数、荷载、几何尺寸、边界条件、等都是事前确定下来的。事实上， 边坡结构形成过程是一个动态过程，与最终状态有很大区别。在以往的施工中， 已经发生了大量的工程事故( 见前述) ，这促使人们逐渐认识到应该面对边坡形成 期的力学问题。近年来，在在岩土工程中提出的动态设计思想就是解决这类问题 的方法之一。动态设计实际上是边设计边施工或边更改边施工，是一种根据实际 情况调整设计的被动方法。就设计原理而言，还是“最终状态设计方法”，只是根据 实际情况进行修正。时变力学原理从根本上改变了设计方法，它是从建筑产品形 成全过程进行力学分析，确保在产品和使用的过程中的结构的安全性和经济性。 因此，结构的形成与时间有关。它强调材料参数、几何尺寸、边界条件等均是时 间的函数，这与目前边坡的最终状态设计完全不同。 由于边坡工程施工中受到不确定因素影响很多，不容易全面地把握和很好地 控制，因而在这一领域的研究不是很多。直到上个世纪六十年代，学者们才逐渐 介入这一领域的研究。如b r o w n 和k i n g ( 1 9 6 6 ) 4 2 曾对边坡开挖问题进行了有限 元分析。w o o d w a r d 和c l o u g h 4 3 殖过对比分析堤坝应力变形计算中考虑和不考虑施 工因素的差别，由于逐级加荷与一次性加荷对坝体的变形机理不同，使得受力分 析结果存在极大的差异。f i n n ( 1 9 6 6 ) 4 4 、w o o d w a r d 和c l o u g h ( 1 9 6 7 ) 4 3 1 , 以及 d u c a n 和d t m l o p ( 19 6 9 ) 【45 】等人相继研究过边坡和堤坝的天然应力场和开挖步骤 问题，但没有考虑水平构造应力场的影响。近年来，还少有学者对这一领域进行 深入的研究，但前人的研究成果为开展后续的研究奠定了坚实的基础。以上研究 成果表明，人们已经不只关心结构形成后的最终受力状态，对结构形成期安全和 经济更为关心，而且正将时变力学的理论体系用于实际工程，取得了很好的效果。 1 4 高切坡岩体的动态设计施工 边坡工程动态施工力学基本原理 一般岩体工程，特别是大型开挖工程从开始施工到工程结束都要经过较长一 段时间，