岩土工程自适应锚位技术的有限元理论分析与应用

杨振莉，姚显瑞

（河北中色华冠岩土工程有限公司，河北 三河 065201）

在岩土工程施工过程中由于施工环境和地质条件的复杂性影响，岩体工程锚固支护应力越来越大，为了保护岩土工程施工的安全性，提出了自保护和有限元自适应锚位技术的单元结构体系的设计方案，更好的保护岩土工程锚固结构的安全性。通过有限元理论分析，在岩土工程施工过程中，岩体锚固技术可以有效的提高岩土体的受力强度，减少结构体体积和重量，并节约建筑施工成本，提高岩土工程施工的安全性。

1 自适应有限元理论

自适应有限元理论可根据计算得到的误差信息判断解是否具有足够的精度，即通过事后的误差估计结果对误差较大的区域进行局部网格优化。若未达到要求精度，则计算机可自动向满足精度要求的方向进行网络改进，所以自适应有限元理论是一种可自动将算法调整以改进求解过程的数值方法。此时，只需要初定义描述问题几何特性的初始网络与可接受网的误差水平，计算机即可自动产生满足要求的网络，其分析效率与结果可靠性得以大幅度提高。自适应有限元涉及到的主要技术问题有误差估计、网格自适应改进以及瞬态问题的时间步长自适应调整等。为解决这些问题，自适应有限元的分析系统应拥有如下基本模块；①足够自由与灵活的自适应网格生成模块，可根据模型的特点进行网格生成，不再局限于单调的划分方式；②评价有限元模型精度的误差估计模块，为评估分析精度提供了依据，是自适应法改进的基础；③联系新、旧网格的模型自适应改进模块，使已划分的旧网格误差分布的信息有效反馈给新划分的网格，使自适应网格得以快速迭代。

2 岩土工程锚固技术分析

岩土工程锚固技术[1]可以有效的解决岩土工程中安全性的问题，岩土锚固技术在的基坑支护和高坡治理等岩土工程中得到了广泛的应用。岩土锚固技术就是通过锚杆把地层和结构物连接在一起，通过锚杆和地层之间的抗剪强度产生的拉力对地层进行加固，保证岩土体和结构物的牢固稳定。岩土锚固技术可以在地层开挖之后立刻提供支护抗力，对地层的固有强度进行保护，防止地层发生扰动，这样可以有效的控制地层发生变形，进一步提高了岩土施工的安全性。岩土锚固技术可以改进岩土体的应力效果，保证岩土体受力的稳定性。岩土锚杆技术可以通过岩土体强度和自身的稳定能力，连接地层和结构物形成一个共同的结构体系。岩土锚固技术减少了结构物的体积大小，为工程施工节约了很多的材料成本，并且提高了土地的使用效率。岩土锚固技术由于具有灵活的应用性和快速施工性，不仅有助于对边坡的预防和治理，而且对出现危害情况的岩土结构也可以进行及时的加固和抢修，可以有效的保护工程施工的安全性。

3 岩体工程自适应锚位技术的有限元理论结构体系设计研究

3.1 自适应有限元理论结构体系设计的必要性分析

在岩体工程的实际施工中，锚固支护结构[2]的设计是保证在岩土体压力和锚固支护结构横向支撑力的共同作用下达到力的平衡，通过平衡条件对锚固力的有限元理论进行计算。计算方法简单而且在岩土工程实际的施工中得到了广泛的应用。岩土地下工程进行开挖施工的时候，周围岩土会失去平衡，岩土体内部的应力会再次重新分配形成次应力，岩土的承载力小于次应力那么周围的岩土体将会被破坏，这是需要对周围岩土做支护处理。采用自适应锚位技术的支护结构和周围岩土体形成一个统一的结构，可以保证周围岩土体的稳定安全。在岩土工程的边坡支护工程中，在对边坡进行开挖施工的时候，初始的应力发生了变化不再维持原有的平衡，岩土体内部应力发生重新分布，这样边坡地层会发生变形。边坡在每次开挖施工中都会发生位移矢量，造成边坡的变形发生。边坡变形内部因素是应力的变化，造成岩土体松动，降低了岩土体的稳定性，如果不及时的建立支护结构进行保护，那么边坡土层结构会发生严重的破坏。在岩土工程的边坡开挖施工过程中，根据有限元理论岩土体应力的变化和调整不是在瞬间完成的，要随着时间的变化来一步一步的进行。对锚固支护单元结构体系进行设计的时候要充分考虑到边坡在长期的荷载作用下的稳定性因素。

3.2 自适应锚位技术的有限元体系设计研究

自协调结构体系的设计，在有限元结构体系内部要有一定的变形能力，保证单元结构不发生损坏。单元结构体系内部也要有一定的协调能力，在内部可以对多余的荷载进行有效的相互转移。单元结构体系是由相互独立的单元结构构成的，在单元结构之间要具备一定的协调能力和变形能力。单元结构发生位移不能对结构体系造成影响，对单元结构体系的设计整体兼顾。单元结构体系的设计主要方法是对结构体系进行重新组建，组建的单元结构要具有一定的位移能力和变形能力，单元结构相互独立但又构成一个统一整体结构体系。单元结构可以具有大的变形空间，单元结构之间是相互独立的，但是整体的结构体系是稳定的。

在锚拉构件上安装自适应自保护塑性变形发生器，锚拉构件在支护力保持不变的条件下，保证具有持续的变形能力，这样就可以实现单元结构体系自保护的目标。锚固体有限元结构体系设计原则，锚拉构件的张力和设计图上的受力状态保持一致，保证锚拉构件具有自我保护和自适应能力，不要因为超载而发生破坏的现象。自适应有限元理论是基于锚拉构件的塑性变形原理的，锚固有限元结构体系可以对分布不均的应力自行调整，这样实现单元结构体系的受力平衡。单元结构体系的自适应自保护的过程要尽可能的使用锚拉有限元结构的拉力，提高支护结构体系的安全性。岩土工程由于局部作用发生超载的情况，会对传统的支护结构产生很大的影响，但是对自适应锚位技术的有限元结构体系来说不会造成任何的影响，因为自适应自保护单元结构可以通过塑性变形原理方式把荷载传递给其它的单元结构，这样受力就减小了，保证了结构体系的安全。

4 总结

岩土工程自适应锚位技术的自适应结构体系设计方法，在岩土锚固结构体系中得到很好的应用。自适应锚位技术的自适应结构体系设计可以实现整个结构系统的内力平衡，通过变形作用进行内力的重新分布，实现自适应理论为基础的，结构体系内力变形的自适应，保证岩土工程施工过程的安全性。