淺談各種數(shù)據(jù)分析方法在巖土工程中的運(yùn)用比較
1 邊界元法在巖土工程中的應(yīng)用
1． 1 邊界元法的基本原理
邊界元法，顧名思義，就是只在邊界上剖分單元，把邊界分方程轉(zhuǎn)變?yōu)榫�性代數(shù)方程，從而得出各邊界單元處特定的邊界值，然后再利用把邊界值同域內(nèi)數(shù)值聯(lián)系起來的解析公式，這樣就可以將計算區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)的函數(shù)值求算出來。
按照邊界元法的求算途徑可分為兩種類型: 直接法和間接法，前者利用具有明確物理意義的變量來建立邊界積分方程; 后者卻是利用不很明確的變量，一般，邊界被加上了虛擬力和虛擬位移，這種虛擬力和虛擬位移是按照一定規(guī)律分布的，作為基本未知數(shù)，建立離散化的方程，待求出這些變量后再計算邊界域內(nèi)的位移和應(yīng)力。
1． 2 邊界元法在巖土工程中的應(yīng)用
在深基坑工程支護(hù)方式中，土釘墻越來越多得應(yīng)用于工程中。一般方法中，人們將主動區(qū)視為剛形體，用安全系數(shù)數(shù)值的大小來判斷土釘墻的安全可靠性。在實際的工作中，土釘墻主動區(qū)并非剛性體，它會隨著開挖深度等因素的不同而發(fā)生大小不同的變形，所以，極限平衡法的應(yīng)用有一定的局限性。另外，有限元法也有應(yīng)用在分析土釘墻穩(wěn)定性的案例，用位移或應(yīng)力值的大小來反映它的受力機(jī)制和狀況。雖然，在一定程度上，與極限平衡法相比，有限元法要相對合理一些，但是它和在工程中廣為應(yīng)用的安全系數(shù)直接聯(lián)系起來較為困難，加上在計算過程中所需土體參數(shù)常規(guī)實驗不易確定等因素，在工程中的應(yīng)用也受到了一定程度的限制。通過分析深基坑工程中土釘墻力學(xué)性狀和對實際應(yīng)用的分析，對提出的擁有土釘墻安全系數(shù)意義上的彈塑性邊界元法的合理性給予了合理性證明。工程實踐證明，邊界元法是較為理想的數(shù)值分析方法。
2 非線性數(shù)值分析在巖土工程中的應(yīng)用
下面本文將以 FLAC 為例對有限元非線性分析法在巖土工程中的應(yīng)用進(jìn)行簡要分析。
2． 1 FLAC的基本原理
FLAC，即快速拉格郎日差分分析，是力學(xué)計算的數(shù)值分析方法之一，主要應(yīng)用于巖體力學(xué)中分析計算一般巖石的應(yīng)力和應(yīng)變。它的基本原理類似于離散元的機(jī)構(gòu)，但它使用于多種材料模式與邊界條件的非規(guī)則區(qū)域的連續(xù)問題求解。在求解過程中，不需要求解大型剛度方程組。相比于以往的差分分析方法，F(xiàn)LAC 可以對連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析，另外，還可以模擬巖石沿某一軟弱面產(chǎn)生的滑動變形。
2． 2 非線性數(shù)值分析在巖土工程中的具體應(yīng)用
從非線性數(shù)值分析方法來說，僅從蠕滑體的位移變形來看，相比較于天然狀態(tài)下而言，蠕滑體的變形位移在有雨的情況下其位移要大很多，這也進(jìn)一步說明，水是邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素。如果可以結(jié)合邊坡位移變形的檢測成果進(jìn)行分析，就能夠有效地將計算分析成果用于指導(dǎo)礦山的實際生產(chǎn)，對邊坡動態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報。
3 粒子群算法在巖土工程中的應(yīng)用
先前使用的常規(guī)粒子群算法具有一定的.局限性，一方面容易出現(xiàn)早熟收斂，另一方面，后期收斂速度較慢，因此，一些工作人員對標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法進(jìn)行了一定的改進(jìn)，以期得到更為精確的結(jié)果。
一些工程師對慣性權(quán)進(jìn)行了一定程度的改變，采取了線性遞減權(quán)值策略，使粒子群算法的計算性能得到了一定的提高，并在某工程區(qū)域地應(yīng)力反演中得到了驗證。他們在對慣性權(quán)重采取線性動態(tài)公式的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了粒子群算法，并將其應(yīng)用于錦屏二級水電站輔助洞粘彈性參數(shù)反演中。同時，他們還改進(jìn)了粒子適應(yīng)值的比較方式和粒子運(yùn)動的方式，分析巖土材料時采用了改進(jìn)的粒子群算法，同時提高了搜索的效率和求解進(jìn)度。另一些工程師則是充分利用自然界的遷徙規(guī)律，在粒子演化過程中加入了自適應(yīng)的變異算子和遷徙算子，以保持粒子群的多樣性，從而防止了算子的早熟收斂。
4 概率分析方法在巖土工程中的應(yīng)用
在實際的巖土工程中，利用概率分析方法需要遵循以下原則:
4． 1 失效控制原則
在巖土工程的各項分析中，現(xiàn)有的方法一般都是建立在整體失穩(wěn)的物理機(jī)制基礎(chǔ)上的。事實上，不管是地基承載力問題，還是土坡和土壓力問題，整體失穩(wěn)都是失效控制的原則。一般情況下，不是地基中最薄弱的點(diǎn)出現(xiàn)極限平衡狀態(tài)的概率，而是失效概率就是產(chǎn)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象的概率。實際上，后者的失效概率要比前者大得多。另外在巖土工程中，也會出現(xiàn)以最薄弱點(diǎn)出現(xiàn)失效作為控制情況。
4． 2 地質(zhì)勘探資料的概率處理原則
理論上，地質(zhì)特征或地層特征是已經(jīng)確實存在于空間中的，而不是完全隨機(jī)的變量。假如能夠進(jìn)行無限多的查勘工作，那么情況是可以預(yù)知的。但是在實踐過程中，地質(zhì)勘探工作和室內(nèi)實驗工作都不是無限的，需要利用少量資料去將整個情況進(jìn)行推斷。如此一來，就必須將地質(zhì)特征和地層特征看成是隨機(jī)變量，從而利用概率統(tǒng)計理論進(jìn)行分析。
4． 3 巖土性質(zhì)統(tǒng)計參數(shù)的概率處理原則
鑒于巖土性質(zhì)的空間可變性，某一性能參數(shù)不應(yīng)看作一個隨機(jī)變量，而應(yīng)看作依賴于土體各點(diǎn)不同位置變化的一族隨機(jī)變量，他們之間是不盡相同的，但是又有一定的關(guān)聯(lián)。因此，在對巖土的性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計時要嚴(yán)格結(jié)合實際情況，認(rèn)真分析其中的緊密關(guān)聯(lián)進(jìn)行統(tǒng)計，然后得到相應(yīng)的統(tǒng)計參數(shù)概率。
4． 4 性能指標(biāo)代表數(shù)值取值中的概率處理原則
在執(zhí)行規(guī)定的時候，需要注意一下兩個原則: 目標(biāo)總體的劃分和參數(shù)估計方法的選擇。由于在地基設(shè)計匯總用的巖土性能指標(biāo)應(yīng)當(dāng)由勘察報告提供，其統(tǒng)計參數(shù)反映了工程場地巖土性能指標(biāo)客觀的變異性和不可避免的主觀因素造成的不確定性，因此，及時對于同一類的巖土，在全國范圍內(nèi)，作為一個目標(biāo)總體進(jìn)行對對統(tǒng)計子樣的提取是值得商榷的。因此，全國性規(guī)范所提供的一些設(shè)計參數(shù)不能給出平均趨勢，只能作為起步設(shè)計或缺乏資料時采用。
5 總結(jié)
各種數(shù)據(jù)分析方法在巖土工程中具有不同的分析優(yōu)勢。例如粒子群算法具有計算簡單、全局搜索能力強(qiáng)以及收斂塊等特點(diǎn); 邊界元算法具有可將復(fù)雜問題簡化，改變傳統(tǒng)算法，提高計算簡便度和可靠度的特點(diǎn)等。在巖土工程中，利用這些數(shù)值分析方法簡化了工程工作，提高了工程的可操作性和實際運(yùn)行效率。
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